【摘要】：在經(jīng)受輻照的材料中會有大量的缺陷形成并保留下來,不同類型的缺陷之間發(fā)生錯綜復雜的交互作用,最終會造成材料微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能的變化。晶界是一種高效的點缺陷吸收阱,晶界-點缺陷交互作用與材料輻照腫脹的動力學密切相關(guān),而且晶界對于提升材料的耐輻照性能作用顯著,但是目前對于晶界-點缺陷交互作用問題的認識還需要進一步深入。本論文將圍繞金屬型核燃料的輻照效應(yīng)問題,采用實驗和理論模擬的方法,研究輻照環(huán)境下材料的微觀結(jié)構(gòu)演化以及界面-點缺陷的交互作用。在實驗研究方面,開展了高能Xe離子輻照U-10wt%Zr合金的研究工作,表征了 U-10wt%Zr合金經(jīng)Xe離子輻照后的微觀形貌,研究了其組織結(jié)構(gòu)的變化,對輻照導致的U-10wt%Zr合金特征微觀結(jié)構(gòu)演化行為進行了初步的解釋。UMo_2Al_(20)是U-Mo合金與A1合金基體復合界面處容易產(chǎn)生的典型二元金屬間化合物,其在輻照下易轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷?從而影響U-Mo金屬型燃料的應(yīng)用。在理論模擬方面,通過局域原子結(jié)構(gòu)分析結(jié)合第一原理計算對UMo_2Al_(20)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷У男袨檫M行了認識,并獲得了UT_2Al_(20)(T=Mo,Nb,Zr,Ti)系金屬間化合物的一些基本性質(zhì),可用于輸入到更高尺度的模擬計算中。輻照環(huán)境下材料的微觀結(jié)構(gòu)演化涉及到很大的時間和空間尺度的跨越,原子尺度的計算在大時間和空間尺度問題的研究中受限,因此本文還著重采用擴散界面的相場方法開展研究,首先通過對調(diào)幅分解等問題進行模擬深化了對相場模型的理解并驗證了模型的正確性,然后針對晶界-點缺陷交互作用問題構(gòu)建了晶界模型,耦合了晶界位錯的攀移過程,從晶界結(jié)構(gòu)、晶界-點缺陷反應(yīng)動力學、晶粒尺寸、晶界-點缺陷彈性交互作用等多個方面對晶界吸收點缺陷的行為進行了系統(tǒng)研究。晶界空洞貧乏區(qū)寬度是表征晶界吸收點缺陷能力的另一個重要指標,本文通過在同一框架下研究點缺陷吸收強度及貧乏區(qū)寬度的影響因素,初步建立二者之間的關(guān)聯(lián)。通過本論文研究工作的開展,加深了對輻照環(huán)境下金屬型核燃料微觀結(jié)構(gòu)演化行為的認識,促進了對晶界-點缺陷交互作用這一物理過程和影響因素的理解,獲得了如下一些結(jié)果:1.經(jīng)能量為5MeV的Xe離子輻照的U-10wt%Zr合金內(nèi)部會形成數(shù)納米至數(shù)十納米尺寸不等的氣泡,氣泡密度沿深度方向的分布與SRIM(The Stopping and Range of Ions in Matter)軟件計算的結(jié)果相符合,最密集的氣泡區(qū)域距離樣品表面約650nm。氣泡主要呈多邊形,這與氣泡-金屬基體界面能的各向異性相關(guān)。大尺寸氣泡主要在晶界處出現(xiàn),這主要是由于晶界的結(jié)構(gòu)特性帶來的彈性吸引所導致的。2.U-Mo與A1合金的界面反應(yīng)產(chǎn)物UMo_2Al_(20)在空間上是由[U-Al_(16)]和[Mo-Al_(12)]兩種主團簇排布構(gòu)成。[Mo-Al_(12)]的二十面體結(jié)構(gòu)可能是該化合物容易形成非晶的原因。另外,通過第一原理計算獲得了UT_2Al_(20)(T=Mo,Nb,Zr,Ti)系化合物的電子結(jié)構(gòu)和一些力學性能數(shù)據(jù),這些結(jié)果將來可以更大尺度的計算進行耦合,比如作為介觀尺度計算的基本熱力學和動力學參數(shù)輸入等。3.分析了小角晶界的幾何構(gòu)型,采用相場位錯模型模擬獲得了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的小角對稱傾斜晶界,與理論預測結(jié)果吻合良好。在此基礎(chǔ)上,通過耦合位錯攀移過程,研究了晶界對點缺陷的吸收行為,考慮了晶界結(jié)構(gòu)特征、短程反應(yīng)動力學以及長程彈性交互作用對晶界吸收點缺陷行為的影響。通過與平面吸收模型和理想吸收模型進行比較,認識了三種模型在研究點缺陷吸收行為方面的異同,揭示了晶界演化在研究晶界-點缺陷交互作用問題中的重要性。4.研究了晶粒尺寸和點缺陷產(chǎn)生率對晶界的點缺陷吸收強度和貧乏區(qū)寬度的影響,結(jié)果表明,晶界的點缺陷吸收強度隨著晶粒尺寸的減小(增大)而增大(減小),不受點缺陷產(chǎn)生率的影響:而晶界空洞貧乏區(qū)寬度隨點缺陷產(chǎn)生率的增加(減小)而變窄(變寬),不受晶粒尺寸變化的影響。點缺陷吸收強度與貧乏區(qū)寬度均隨著晶界角度的增加而增大,并且在計算范圍內(nèi)這二者隨著晶界角度的增加呈現(xiàn)出一種同比例增加的現(xiàn)象。
【圖文】：

以滿足氣體狀態(tài)方程。這個模型一方面可以研究氣體原子以及空位與位錯和晶界之間的逡逑彈性交互作用對氣泡形核和生長的影響，另一方面也可以認識氣體原子和空位的熱力學逡逑和動力學性質(zhì)對氣泡演化的影響。圖１．２給出了采用此模型獲得的氣泡形核生長過程典逡逑型特征的模擬結(jié)果。逡逑■■W逡逑ｍｍｍ逡逑圖１．２多晶中氣泡的形核和生長［７６］逡逑９逡逑

運動的障礙，會導致材料的硬化。逡逑研究人員開發(fā)了描述輻照材料時效和輻照過程中間隙子環(huán)生長動力學的相場模型，逡逑模型考慮了間隙子環(huán)和基體兩相。圖１．３描述了間隙子環(huán)的演化過程，在間隙子逡逑環(huán)生長的過程中，厚度不發(fā)生變化，模型通過采用各向異性的界面能正確的描述了圓盤逡逑狀間隙子環(huán)的形態(tài)。缺陷濃度、缺陷產(chǎn)生／湮滅、吸收阱的強度以及彈性交互作用對間隙逡逑子環(huán)生長動力學的影響均可通過模型進行研宄，間隙子環(huán)和單個間隙子之間的彈性交逡逑互作用會加速間隙子環(huán)的生長［８６￣｜（）４］。逡逑ｌ＊＝７６邐ｔ＊＝６Ｓ４逡逑ｔ＊＝Ｉ３６Ｓ邐ｔ＊＝２０５２逡逑圖１．３間隙子型位錯環(huán)長大逡逑v嶂詡ぃ蚍冢匡捌浜轄鶚嗆朔從Χ閻兄匾慕峁共牧�，具有良好的力学袨�(zāi)�、臑沉x細蔥院偷偷鬧兇游戰(zhàn)孛媯秋鄖餿淳哂瀉芮康那綴托裕崠臃芻肪持形藉義锨�，当氢祬权秴s锏揭歡ㄋ街�，，会在锆及其狠狕栃芯暭嗋芯壞锆氢化五K帕�。随着辶x峽帕Ｎ锏納ぃ牧夏誆炕嶁緯梢桓齜薔鵲撓αΤ�，接蠀未会蒂Z攣⒘鹽頻男魏撕屠╁義險梗傭現(xiàn)賾跋觳牧系牧ρ閱�。相场方法通过考聣q院退芐員湫危直鴇揮糜諮繡義暇吭謨形奕畢荽嬖詰奶跫

本文編號：2670264