鋯氫和鉿氫系統(tǒng)穩(wěn)定性與相變的基礎研究.pdf

1、本文根據當今社會對能源的迫切需求，進行了相關材料學方面的研究。首先簡要介紹了核能的出現(xiàn)及對其迫切的需求狀況和鋯鉿合金在核能工業(yè)中重要的應用?，F(xiàn)有核設施中，鋯合金廣泛應用在核包覆材料中，而鉿合金主要用于控制棒。在鋯合金或鉿合金中，氫的出現(xiàn)往往導致材料產生氫脆，從而影響其使用壽命，嚴重時甚至導致核泄漏事故發(fā)生。盡管氫與鋯合金或鉿合金之間的作用引起了科學家們的廣泛關注，但是氫與鋯合金或鉿合金之間的作用機理及其相變在文獻中存在著很多的矛盾和爭議

2、。因此，本文應用第一性原理的方法系統(tǒng)全面地從電子結構的角度研究了鋯氫和鉿氫系統(tǒng)的結構穩(wěn)定性、力學穩(wěn)定性、相變及其本征機理。
　　 結果表明，在0≤H/Zr＜0.337時，氫占據在HCP結構的四面體間隙位置是最穩(wěn)定結構;而0.337≤H/Zr＜0.595及0.595≤H/Zr≤1時，分別是氫占據FCC結構的八面體間隙位置和氫占據FCC結構的四面體間隙位置時最穩(wěn)定。總體來說，氫原子更傾向于占據HCP結構和BCC結構的四面體間隙位置;

3、而對于FCC結構，當0＜H/Zr＜0.595時，氫原子趨于占據八面體間隙位置，而H/Zr≥0.595時，氫原子趨于占據四面體間隙位置。氫的占位也對鋯氫系統(tǒng)的力學性能有很重要的影響:在0≤H/Zr＜0.337和0.595≤H/Zr≤1時，HCP(T)和FCC(T)比純鋯HCP相脆，可能是導致鋯氫系統(tǒng)的脆性及延遲氫化龜裂的主要原因。此外，本文用兩種各向異性的準則來反映不同鋯氫相的彈性各向異性，從而將其彈性各向異性與結構穩(wěn)定性聯(lián)系起來。

4、>　　 對于H/Zr≥1的立方螢石結構(fcc，δ相)，面心四方結構(fct(:)ε相，c/a＜1;γ相，c/a＞1)的鋯氫相ZrHx(x=1，1.25，1.5，1.75，2)，其具有負的生成熱，范圍是-30到-56 kJ/(mol· H)，從熱力學上判斷其均能穩(wěn)定存在;值得注意的是在成分相同時，F(xiàn)CC和FCT結構彼此之間的能量差別很小。通過對ZrHx相的力學性能的研究，F(xiàn)CC和FCT結構ZrHx相的存在與否主要決定于其力學穩(wěn)定性。進

5、而得到ZrHx相隨氫含量發(fā)生δ→ε相變的本征相變范圍是x≥1.5。而發(fā)生這一相變的根本原因是δ相的力學不穩(wěn)定性使得基體發(fā)生沿{110}〈110〉的剪切，從而導致δ→ε相變。電子結構的計算揭示了δ相的力學不穩(wěn)定性的根本原因是電子在沿著某些方向產生的范霍夫奇點和簡并帶，導致在費米能級附近具有高的態(tài)密度而變得不穩(wěn)定。
　　 結果還表明，自旋軌道耦合效應對于立方螢石結構(fcc，δ相)，面心四方結構(fct:ε相,c/a＜1;γ相，c/

6、a＞1)的HfHx(x=1，1.25,1.5，1.75,2)相的穩(wěn)定性具有重要影響，主要體現(xiàn)在其降低了HfHx的總能。然而自旋軌道耦合效應對FCC相的點陣常數以及每種相的原子結構和結構穩(wěn)定性的影響卻很小。計算還表明，力學穩(wěn)定性而不是熱力學穩(wěn)定性，主要決定著鉿氫相HfHx的晶體結構以及δ，γ和ε的相變。通過分析δ，γ和ε結構的力學穩(wěn)定性，得到δ→ε相變的本征相變范圍是1.75≤x≤2，這一結果解釋了文獻中存在的矛盾。另外，簡并帶的劈裂以及