本文選題：結(jié)構(gòu)鋼 + 氦效應(yīng)�。� 參考：《中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：目前在設(shè)計(jì)或?qū)嶒?yàn)階段的新型反應(yīng)堆有一個共同的特點(diǎn):反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料服役環(huán)境中,中子的能量遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)商用熱中子反應(yīng)堆。鑒于目前反應(yīng)堆建造和設(shè)計(jì)中,結(jié)構(gòu)材料以合金,主要是鐵基合金(鋼)為主,在高能中子輻照條件下,中子通過與鐵及合金元素的(n,α)嬗變反應(yīng),會在結(jié)構(gòu)鋼中引入大量的氦原子。由于氦在鋼中的溶解度極低,而且遷移勢壘也很低,很容易通過間隙位遷移。在遷移過程中容易與中子輻照產(chǎn)生的空位結(jié)合,形成氦空位團(tuán)簇,小的氦空位團(tuán)簇在高溫條件下可以遷移聚集成大的氦泡,大的氦空位團(tuán)簇傾向于通過間隙原子踢出機(jī)制成長。實(shí)際的結(jié)構(gòu)鋼中都存在一些本征缺陷(位錯、晶界、沉淀等),氦泡容易在材料中額外空間大的缺陷處成核生長。結(jié)構(gòu)鋼中引入的氦泡會很大程度上降低結(jié)構(gòu)鋼的機(jī)械性能,這種由氦引起的結(jié)構(gòu)鋼機(jī)械性能的改變稱之為結(jié)構(gòu)鋼的輻照氦效應(yīng)。大量的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明了氦泡會引起結(jié)構(gòu)鋼的硬化,脆化以及腫脹效應(yīng),但是目前對這些現(xiàn)象的微觀尺度機(jī)制還不是十分清晰。很多微觀尺度的現(xiàn)象無法通過實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行研究,需要借助原子尺度的模擬技術(shù)來進(jìn)行研究。本論文使用分子動力學(xué),分子靜力學(xué)等原子尺度模擬技術(shù)分別從以下幾個方面研究了與輻照氦效應(yīng)相關(guān)的微觀尺度機(jī)制。(1)研究了氦泡成核和生長中的氦泡平衡問題,闡明了兩種不同的平衡氦泡形成機(jī)制,回答了關(guān)于平衡氦泡的氦/空位比率的爭論,為進(jìn)一步研究氦泡誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)鋼硬化和脆化做了鋪墊,研究結(jié)果表明氦泡在成核和生長過程中存在兩種不同定義的平衡狀態(tài):一種是基于能量最低的平衡狀態(tài);一種是基于機(jī)械平衡的平衡狀態(tài)。氦泡在成核和生長中,當(dāng)氦泡中氦/空位比率達(dá)到0.38-0.55時,氦泡率先達(dá)到機(jī)械平衡狀態(tài),這個比率隨著氦泡的長大會有一定程度上升,然后當(dāng)氦泡中氦/空位比率達(dá)到1.0-2.6(隨氦泡尺寸增加而增加)之間時,氦泡達(dá)到能量最低的平衡狀態(tài)。此外,當(dāng)氦泡中氦/空位比率達(dá)到3.4-5.0(隨氦泡尺寸增加而減少)之間時,氦泡會通過間隙型位錯環(huán)踢出機(jī)制獲得生長能力的大幅提升。(2)研究了氦泡誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)鋼硬化的微觀機(jī)理,通過研究1/2111{110}型刃位錯與不同氦/空位比率的氦泡的相互作用,分析了氦泡誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)鋼屈服強(qiáng)度上升的微觀機(jī)制,探究了通過控制氦泡中氦/空位比率改善結(jié)構(gòu)鋼硬化程度的可行性,研究結(jié)果表明氦泡誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)鋼硬化的微觀機(jī)制是氦泡阻礙位錯滑移,提高位錯滑移的臨界剪切應(yīng)力,進(jìn)而提高材料的屈服強(qiáng)度。1/2111{100}型刃位錯的臨界剪切應(yīng)力隨著氦泡中氦/空位比率的變化而存在顯著變化,在氦/空位比率為2.0時,臨界剪切應(yīng)力值達(dá)到最低,繼而在更高氦/空位比率條件下大幅提高,這主要是由氦泡與位錯作用機(jī)制的改變所引起,位錯在與高氦/空位比率的氦泡發(fā)生作用時,未與氦泡直接作用,而是與氦泡周圍踢出的位錯環(huán)相互作用,進(jìn)一步提高了位錯滑移的臨界剪切應(yīng)力。(3)最后研究了氦泡誘導(dǎo)晶界脆化的機(jī)制,通過一系列對稱傾斜晶界的拉伸測試,根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)的變化,研究了不同類型晶界的變形機(jī)制。通過在晶界中引入不同大小和氦/空位比率的氦泡,研究了晶界在拉伸變形中與氦泡的相互作用,揭示了氦泡誘導(dǎo)晶界強(qiáng)度和延伸率降低的原子尺度機(jī)制,研究結(jié)果表明:所研究的晶界被分為兩類,其一是應(yīng)力-應(yīng)變曲線中存在常應(yīng)力段的晶界,對應(yīng)的微觀機(jī)制是拉伸過程中晶界的滑移,該類晶界的錯配角一般小于90°,包括所有具有100傾斜軸的晶界和具有110傾斜軸的晶界中錯配角小于90°的晶界;其二是應(yīng)力-應(yīng)變曲線在晶界斷裂前無常應(yīng)力段存在的晶界,該類晶界的錯配角一般大于90°,包括110傾斜對稱晶界中錯配角大于90°的晶界。Bain path應(yīng)變相變是誘導(dǎo)晶界滑移的微觀尺度機(jī)制,晶界附近的原子通過Bain path相變由BCC結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為了 FCC結(jié)構(gòu),進(jìn)而在整個晶體中形成了由三個晶粒組成的晶界,隨著拉伸應(yīng)變的增加,Bainpath相變的區(qū)域變大,引起晶界的滑移。氦泡誘導(dǎo)晶界延伸率降低的根本原因是阻礙了 Bain path相變機(jī)制,抑制了晶界的滑移。晶界的強(qiáng)度和延伸率隨著氦泡尺寸的增加而降低,同樣隨著氦泡中氦/空位比率的增加而降低,但是氦/空位比率的影響要小于氦泡尺寸的影響。本論文的所有研究結(jié)論有望為如何有效地控制結(jié)構(gòu)鋼的硬化和脆化提供有價值的參考。
[Abstract]:A new type of reactor at the present stage of design or experiment has a common feature: the energy of the reactor is much higher than the traditional commercial thermal neutron reactor in the service environment of the reactor structure. In view of the current construction and design of the reactor, the structure material is mainly alloy, mainly iron based gold (steel), and neutrons under high energy neutron irradiation conditions. A large number of helium atoms are introduced into the structural steel by the transmutation reaction with the iron and alloy elements (n, alpha). Because the solubility of the helium in the steel is very low and the migration barrier is very low, it is very easy to migrate through the gap position. The large helium space clusters tend to kick out through the interstitial atoms. There are some intrinsic defects (dislocation, grain boundary, precipitation, etc.) in the actual structural steel. Helium bubbles are easy to nucleate in the large defects in the material. The helium bubbles introduced in structural steel will be greatly reduced. The mechanical properties of low structural steels, such as the changes in mechanical properties of structural steels caused by helium, are called irradiated helium effects of structural steels. A large number of experiments have proved that helium bubbles will cause hardening, embrittlement and swelling effects of structural steels, but the micro scale mechanism of these phenomena is not very clear at present. In this paper, the microscopic scale mechanism related to the irradiated helium effect is studied by atomic scale simulation techniques such as molecular dynamics and molecular statics. (1) the helium bubble level in helium bubble nucleation and growth is studied in this paper. Two different equilibrium helium bubble formation mechanisms are clarified. The argument about the helium / vacancy ratio of the equilibrium helium bubble is answered. It is a paving for further study of the hardening and embrittlement of the helium induced structural steel. The results show that there are two different definitions of equilibrium state in the process of nucleation and growth of helium bubbles: one is based on the most energy. A low equilibrium state; a equilibrium state based on mechanical equilibrium. Helium bubbles are in nucleation and growth. When the helium / vacancy ratio reaches 0.38-0.55 in helium bubbles, the helium bubble first reaches the state of mechanical equilibrium. The ratio increases with the growth of the helium bubble, and then the helium / vacancy ratio reaches 1.0-2.6 in the helium bubble (with the size of the helium bubble increasing. In addition, the helium bubble reaches the lowest energy equilibrium state. In addition, when the helium / vacancy ratio reaches 3.4-5.0 (with the increase in the helium bubble size) in the helium bubble, the helium bubble will be greatly enhanced by kicking out the gap dislocation ring mechanism. (2) the microscopic mechanism of the hardening of the helium bubble induced structural steel has been studied. The interaction between 1/2111{110} type edge dislocations and helium bubbles with different helium / vacancy ratios is used to analyze the micromechanism of the rise of yield strength of helium bubbles induced by helium bubbles. The feasibility of improving the hardening degree of structural steel by controlling helium / vacancy ratio in helium bubbles is explored. The results show that the micromechanism of helium induced structural steel hardening is helium bubble hindering. The critical shear stress of the dislocation slip is increased by dislocation slip, and the critical shear stress of the.1/2111{100} blade dislocation is significantly changed with the helium / vacancy ratio in the helium bubble. When the helium / vacancy ratio is 2, the critical shear stress values are the lowest, and then the higher helium / vacancy ratio is larger. It is mainly caused by the change of the mechanism of the helium bubble and the dislocation mechanism. The dislocation is not directly acted with the helium bubble when it acts with the helium bubble with high helium / vacancy ratio, but is interacted with the dislocation ring kicked around the helium bubble, and further improves the critical shear stress of the dislocation slip. (3) finally, the grain boundary embrittlement induced by helium bubble is studied. The mechanism of the mechanism is to study the deformation mechanism of different types of grain boundary according to the variation of stress strain response. By introducing helium bubbles with different sizes and helium / vacancy ratios in the grain boundary, the interaction between the grain boundary and helium bubble in the tensile deformation is studied, and the intensity and delay of the helium bubble induced grain boundary are revealed. The study results show that the grain boundary is divided into two types, one is the grain boundary in the stress strain curve, and the corresponding micro mechanism is the slip of the grain boundary during the stretching process. The mismatching angle of this kind of grain boundary is generally less than 90 degrees, including all the grain boundary with 100 inclined axes and 110 tilt. The grain boundary in the grain boundary of the axis is less than 90 degrees; the second is the grain boundary of the stress strain curve at the abnormal stress section before the grain boundary fracture. The mismatching angle of the grain boundary is generally greater than 90 degrees, including the grain boundary.Bain path strain phase transition of the grain boundary in the 110 inclined symmetry grain boundary, which is more than 90 degrees, is the micro scale mechanism to induce the grain boundary slip, and the grain boundary is near the grain boundary. The atoms of the Bain path transition from the BCC structure to the FCC structure, and then form a grain boundary composed of three grains in the whole crystal. With the increase of the tensile strain, the region of the Bainpath phase change becomes larger and the grain boundary slips. The root cause of the decrease of the grain boundary elongation at the helium bubble is hindering the Bain path phase transition mechanism and inhibition. The grain boundary slips. The strength and elongation of grain boundary decreases with the increase of helium bubble size, and decreases with the increase of helium / vacancy ratio in helium bubbles, but the effect of helium / vacancy ratio is less than the effect of helium bubble size. All research conclusions of this paper are expected to provide effective control of hardening and embrittlement of structural steel. A reference to value.
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TL341

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本文編號：2067451