Fe-Cr合金中级联碰撞的分子动力学研究答辩

1Fe-Cr合金中级联碰撞的分子动力学研究2主要内容相关研究背景课题的目的及意义模拟方法结果与分析论文的主要工作总结3一、相关研究背景随着时代的发展人类对于能源的需求越来越大，然而化石燃料的储量是有限的，传统的化石燃料具有不可再生性，终究要走向枯竭。核能可以说是最被看好的新能源，经过60年的发展，核能应用技术已经较为成熟，其安全性得到较好的保证。4一、相关研究背景在反应堆中，优质的材料既能保证反应堆的安全，又能充分延长反应堆的寿命。铁基合金是在反应堆中应用十分广泛的材料，而近年来的研究发现含Cr的铁素体钢具有以下优点：（1）固有的几何稳定性，（2）较低的辐照肿胀，（3）优良的耐腐蚀性能而被认为是未来聚变示范堆、ADS、四代堆重要侯选结构材料。5一、相关研究背景Fe-Cr合金作为反应堆材料的研究现状（1）国外研究现状近年来大量的精力被投入到Fe-Cr合金的原子水平的研究中，尤其在欧洲和美国。Arakawaet等人研究发现9%铁铬的热稳定性远高于纯铁；H.Kayano等人发现含9%Cr的铁素体/马氏体钢的韧脆转化会达到最低。6一、相关研究背景Fe-Cr合金作为反应堆材料的研究现状（1）国内研究现状国内关于Fe-Cr合金的研究相对较晚。中国原子能研究院的贺新福、杨文、樊胜老师做过反铁磁性Cr的影响、F\MFe-Cr合金缺陷特征能等方面的研究。7二、课题的目的及意义本课题来源于实际课题，其目的是通过模拟了解辐照后缺陷的类型、数量与分布，从而分析Cr含量、PKA能量、温度对材料抗辐照性能的影响。意义：1、对Fe-Cr合金的模拟对于反应堆材料的选取具有一定的参考价值。2、实验结果可以为后来的实验者及理论计算人员提供参考，具有一定的实际意义。8三、论文的主要工作为研究温度、PKA能量和Cr含量对Fe-Cr合金辐照损伤的影响，本论文主要进行了以下工作：编写in文件，模拟辐照过程基于模拟结果，分析缺陷种类、数量分析缺陷演化与温度、PKA能量和Cr含量的关系总结9四、模拟方法1、分子动力学介绍分子动力学，是一种计算机模拟实验方法，是研究凝聚态系统的有力工具。材料在中子辐照下发生级联碰撞，该过程历时短、范围小，通过实验手段来观察分析缺陷的演化是不可能的，而计算机模拟则为研究该问题提供了一种十分方便的手段。10四、模拟方法2、模拟方法设定模型大小、边界条件等“EAM”势PKA能量、温度、Cr含量建立模型选择势函数设定条件本文通过in文件借助LAMMPS软件进行模拟，编写in文件的过程如下：11四、模拟方法缺陷的判别方向主要有两种，一种是Voronoi单元法，另一种是球形法。两种方法各有利弊，由于Voronoi单元法的准确省时，本文采用了该方法。3、缺陷判别方法12五、结果与分析在材料的研究中，缺陷形成能是一个非常重要的参数，其数值的大小反映了缺陷形成的难易程度，反映出材料的稳定性。本文利用了下面的公式近似计算出缺陷形成能：1、缺陷形成能Cr含量（%）01510Fe的空位形成能（eV）1.70981.57131.73151.9063Cr的空位形成能(eV)1.58221.49011.4189nn)*E()E(ΔE1supercelldefect13在完美晶格中，原子由于原子间的相互作用力的平衡而保持稳定，当部分原子受到辐照后能量增加，当能量大于某个值时，原子就有可能摆脱束缚，离开初始的点阵位置产生空位缺陷。五、结果与分析2、离位阈能14本文利用下面的公式计算平均离位阈能：五、结果与分析dirdirniiiniiaveTDETDE11)1(TDEave0%CrFe31Cr1%CrFe35Cr275%CrFe23Cr3210%CrFe25Cr302026153、PKA能量的影响随着PKA能量的增大，缺陷的数量虽然在增加，而缺陷数量达到峰值所需时间略微变长。本文一共测试了三组PKA能量：1keV、2keV、5keV。五、结果与分析0.00.51.01.52.02.5-50050100150200250300350400空位缺陷数量时间（ps）1kev2kev5kev(c)16随着PKA能量的增大，缺陷的数量虽然在增加（表3.3），而缺陷数量达到峰值所需时间略微变长五、结果与分析不同PKA能量和Cr含量下，缺陷数量达到峰值所需时间（ps）PKA能量Cr含量0%Cr1%Cr5%Cr10%Cr1keV0.250.240.230.252keV0.270.340.240.315keV0.440.440.330.3717五、结果与分析而对于反位的情况，PKA能量对其演化过程的影响与空位有相似之处：PKA能量越大，产生的反位数量越多，反位数量的增速达到峰值所需的时间越长。0.00.51.01.52.02.5-100102030405060708090100110120130140150反位缺陷数量时间（ps）1kev2kev5kev(b)但是最终反位缺陷不会像空位缺陷一样有减少的趋势。184、Cr含量的影响（1）缺陷数量的演变在相同条件下，Cr含量的改变对空位数的并没有太大的影响。五、结果与分析0.00.51.01.52.02.5-20020406080100120140160空位缺陷数量时间（ps）0%1%5%10%（b）19五、结果与分析单独分析Fe的空位缺陷数量随时间的变化发现，Fe的空位数与总的空位数并没有明显差。0.00.51.01.52.02.5-20020406080100120140160空位缺陷的数量时间（ps）totalFeCr（b）20一方面材料中Fe的含量比较高。另一方面Fe的离位阈能相较于Cr要小很多，所以相对于Cr原子，Fe原子更有可能发生离位。五、结果与分析PKA能量Cr含量1%Cr5%Cr10%Cr1keV0002keV001.75keV004.121（2）Cr对团簇份额的影响团簇是几个或者更多原子由于物理或者化学结合力组成的具有一定稳定性的聚集体。堆内材料性质的很多变化是在原子水平上研究的，而团簇已经涉及到了原子分子物理、凝聚态物理、量子物理等方面，辐照中产生的团簇会影响材料显微结构的变化，所以说团簇对于堆内材料的性能有重要影响。五、结果与分析22五、结果与分析-1012345678910110.00.10.20.30.40.50.60.70.8比例Cr含量（%）inter-crvac-crinter-fevac-fe从右图可见：1、Fe的间隙团簇和空位团簇的份额都远远高于Cr的2、随着Cr含量的升高材料中团簇的总数有较明显下降3、空位团簇的数量都大于间隙团簇的数量。23五、结果与分析反应堆中Fe-Cr合金的工作温度并不稳定，研究不同温度下Fe-Cr合金的性能具有重要意义。从右图可见：0.00.51.01.52.0-20020406080100120140160180200220240空位缺陷数量时间（ps）0K200K300K600K1200K1、不同温度下空位缺陷演化的趋势基本是一样的，只是同一时刻缺陷数量随着温度的上升，累积加剧。2、缺陷数量达到峰值所需的时间随着温度的升高有了明显的增加。5、温度的影响24五、结果与分析反位缺陷的数量随温度的升高也有所增加，由图可见各曲线区分比较明显，但是增长幅度要小于空位缺陷。0.00.51.01.52.02.5-5051015202530354045505560657075808590反位缺陷数量时间（ps）0K200K300K600K1200K25六、总结经过LAMMPS软件的计算和后期的分析处理我们可以得到以下几条结论：（1）演化过程中空位的数量随时间的变化都表现为较大幅度的增加和下降，缺陷峰值与稳定阶段的缺陷数相差较大;反位没有复合过程（2）PKA能量和温度对于材料缺陷的影响有相似之处，随着PKA能量和温度的升高缺陷数量都有明显增加（3）Cr含量基本没有影响材料的空位缺陷，对于反位缺陷的影响较大，Cr含量对团簇有一定的影响（4）级联碰撞形成了稳定的缺陷，包括稳定的间隙团簇和空位团簇26六、总结本论文主要还存在以下不足：（1）在PKA能量为5keV的条件下计算模型的缺陷演化时计算的时间有些短（2）对PKA原子111方向的离位阈能计算不够准确，，致使部分计算得到的离位阈能较大。（3）对于Cr含量影响到团簇的数量的情况没有找到合适的解释。27谢谢！