金屬中氦行為的計(jì)算機(jī)理論模擬.pdf

1、由于氦不溶于材料基體，隨著基體中產(chǎn)生氦量的增加或通過適當(dāng)?shù)暮ぴ舆w移，基體中的氦原子將會(huì)在空位、位錯(cuò)和晶界處聚集、沉淀，形成氦-空位(He-V)團(tuán)，乃至形成納米尺度的析出相-氦泡。材料中形成的氦泡會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)堆材料出現(xiàn)空洞腫脹，使材料發(fā)生脆化或表面出現(xiàn)泡狀，變得粗糙，從而使得材料的宏觀性能下降。因此，氦在材料中的產(chǎn)生和演變受到了很大關(guān)注。 本文采用分子動(dòng)力學(xué)方法，利用MOLDY程序，系統(tǒng)研究了α-Fe中氦的微觀行為；并采用基于密度

2、泛函理論的從頭算法，利用VASP程序，研究了過渡金屬中單個(gè)氦的穩(wěn)定位置和fcc Al中氦的穩(wěn)定、遷移和成團(tuán)情況。 1、采用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬研究了在100K和600K下α-Fe中有1at.％He-5at.％He的級(jí)聯(lián)現(xiàn)象；采用兩套作用勢(shì)對(duì)比模擬研究了100K的α-鐵中有1at.％He-5at.％He的級(jí)聯(lián)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)氦導(dǎo)致Fe的級(jí)聯(lián)中缺陷的形成和分布情況與純Fe明顯不同： 氦使得級(jí)聯(lián)中產(chǎn)生的點(diǎn)缺陷Frenkel缺陷對(duì)數(shù)目發(fā)

3、生了明顯變化。輻照溫度對(duì)Frenkel缺陷對(duì)數(shù)目的影響很小，但是隨著氦濃度和級(jí)聯(lián)能增加，點(diǎn)缺陷增多。特別是氦使得級(jí)聯(lián)中形成了更多較大的空位團(tuán)，即氦-空位團(tuán)，而純鐵的級(jí)聯(lián)中只有少量小空位團(tuán)，也就是說位移級(jí)聯(lián)過程可以直接導(dǎo)致He泡成核。級(jí)聯(lián)中形成氦-空位團(tuán)的情況與多種因素有關(guān)。隨著級(jí)聯(lián)能的增加，氦-空位團(tuán)的數(shù)目和尺寸一般都呈現(xiàn)增加趨勢(shì)；隨著氦濃度的增加，氦-空位團(tuán)的數(shù)目和尺寸一般也呈現(xiàn)增加趨勢(shì)；隨著輻照溫度的增加，級(jí)聯(lián)中形成的氦-空位團(tuán)數(shù)量

4、增大，但平均尺寸基本不變。 雖然不同相互作用勢(shì)對(duì)級(jí)聯(lián)中氦-空位團(tuán)的形成沒有本質(zhì)上的改變，但是形成的氦-空位團(tuán)在數(shù)量和尺寸上都有較大差異。對(duì)模擬結(jié)果影響的強(qiáng)弱順序?yàn)椋篎e-Fe相互作用>Fe-He相互作用>He-He相互作用。 2、采用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬研究了位移級(jí)聯(lián)與氦-空位團(tuán)的相互作用。氦-空位團(tuán)中初始空位數(shù)目選為10與20個(gè)，初始氦與空位個(gè)數(shù)之比(He/V)從0.2增加到3，級(jí)聯(lián)能從2keV增加到10keV。模擬結(jié)果

5、發(fā)現(xiàn)： 在單次級(jí)聯(lián)作用下，氦-空位團(tuán)的穩(wěn)定性主要依賴于He/V比例的初始值和級(jí)聯(lián)能的大小。當(dāng)初始He/V>1時(shí)，氦-空位團(tuán)的尺寸隨著級(jí)聯(lián)能的增加而增加，而He/V比例隨著級(jí)聯(lián)能增加而降低；但是對(duì)于初始He/V<1的氦-空位團(tuán)，團(tuán)的尺寸隨著級(jí)聯(lián)能的增加而降低，而He/V比例隨著級(jí)聯(lián)能增加而增加；初始He/V=1的氦-空位團(tuán)很穩(wěn)定。模擬還發(fā)現(xiàn)在單次級(jí)聯(lián)作用下，在He/V比例相同的前提下，較大的氦-空位團(tuán)比較小的氦-空位團(tuán)更穩(wěn)定。

6、 在各向同性的5keV級(jí)聯(lián)交迭作用下，氦-空位團(tuán)的穩(wěn)定情況與初始He/V比例有關(guān)。第一次級(jí)聯(lián)碰撞決定了氦團(tuán)中的空位數(shù)目，隨后的級(jí)聯(lián)作用對(duì)團(tuán)的穩(wěn)定性影響明顯。利用氦-空位團(tuán)內(nèi)壓強(qiáng)、氦原子的遷移、級(jí)聯(lián)產(chǎn)生的空位數(shù)目和團(tuán)中初始He/V比例對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了討論。 3、采用分子靜力學(xué)方法，通過計(jì)算小氦-空位團(tuán)HenVm(n=1,2,3,4,m=1,2,3,4)在α-Fe的a/2〈111>{110}刃型位錯(cuò)中的結(jié)合能，研究了小氦-空位團(tuán)

7、與刃型位錯(cuò)的相互作用。發(fā)現(xiàn)氦-空位團(tuán)和刃型位錯(cuò)之間的相互作用與團(tuán)中氦和空位個(gè)數(shù)之比密切相關(guān)。當(dāng)He/V≥1時(shí)，在垂直于滑移面的方向上，氦-空位團(tuán)被捕陷在刃型位錯(cuò)的擴(kuò)張方，然而當(dāng)He/V<1時(shí)，氦-空位團(tuán)被捕陷在位錯(cuò)芯的擴(kuò)張和壓縮方0.5nm范圍內(nèi)。在滑移面上，HenVm(n≥m)和HenVm(n

8、氦-空位團(tuán)在滑移面上和位錯(cuò)的結(jié)合能與He/V比例密切相關(guān)，與團(tuán)的大小有微弱關(guān)系。 4、采用基于密度泛函理論的從頭算法，利用VASP程序研究了過渡金屬中單個(gè)氦的穩(wěn)定性。計(jì)算結(jié)果顯示除了Nb這族元素外，氦在替換位置最穩(wěn)定。間隙氦的穩(wěn)定位置則與金屬結(jié)構(gòu)有關(guān)系。對(duì)于bcc結(jié)構(gòu)金屬，四面體間隙氦比八面體間隙氦更穩(wěn)定；而對(duì)于fcc結(jié)構(gòu)金屬，間隙氦的穩(wěn)定位置沒有規(guī)律可循。單個(gè)氦原子在金屬中的穩(wěn)定位置與晶體是否有磁性沒有直接關(guān)系。 本文