金属学报(中文版)  2019 , 55 (2): 274-280 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2018.00190

Orginal Article

不同温度对含与不含位错α-Fe中He原子行为的影响

王瑾, 余黎明, 李冲, 黄远, 李会军, 刘永长

天津大学材料科学与工程学院水利安全与仿真国家重点实验室 天津 300354

Effect of Different Temperatures on He Atoms Behavior inα-Fe with and without Dislocations

WANG Jin, YU Liming, LI Chong, HUANG Yuan, LI Huijun, LIU Yongchang

State Key Lab of Hydraulic Engineering Simulation and Safety, School of Materials Science and Engineering,Tianjin University, Tianjin 300354, China

中图分类号:  TG111.91

文章编号:  0412-1961(2019)02-0274-07

通讯作者:  通讯作者 刘永长,ycliu@tju.edu.cn,主要从事金属结构材料研究

收稿日期: 2018-05-14

网络出版日期:  2019-01-31

版权声明:  2019 《金属学报》编辑部 《金属学报》编辑部

基金资助:  资助项目 国家自然科学基金项目Nos.51474156、U1660201和国家磁约束核聚变能源研究专项课题No.2015GB119001

作者简介:

作者简介 王 瑾,女,1989年生,博士

展开

摘要

采用分子动力学模拟了不同温度下0.1%He (原子分数)浓度下含与不含位错α-Fe中He原子偏聚行为和拉伸变形行为。结果表明,当温度为300 K时,预置的位错影响较弱,含与不含位错α-Fe模型中He原子均容易发生自吞噬形成He团簇,He团簇分布弥散且尺寸较小,位错环数目较少;当温度为600 K时,He原子热扩散行为加剧,较多的He原子偏聚到位错,He团簇分布离散且尺寸较大,位错环数目增加。在拉伸变形过程中,位错的存在能够加速He团簇演变成He泡,降低了模型的屈服应力和应变。在低温300 K时,弥散分布的小He团簇容易合并,发生脆性断裂,整个变形过程位错密度较低;在高温600 K时,离散分布的大He泡展现出较好的延展性,发生塑性断裂,整个变形过程中位错大量增殖,塑性较好。

关键词: α-Fe; ; 位错 ; 温度 ; He ; 分子动力学

Abstract

The requirement of meeting rapidly growing demand for energy while maintaining environmentally friendly has been motivating the hot research on thermonuclear fusion. One of the key issues in future fusion reactors is that structural materials, especially fusion device first wall material, will suffer from He cumulative effects and atomic displacements from radiation cascades. Such harsh service conditions lead to the formation of He bubbles, which are responsible for severe degradation of the structural materials (e.g., swelling, embrittlement, loss of ductility etc.). It is thus essential to further understand the formation of He bubbles and hardening characteristics for the development of future nuclear materials. In this work, the behaviors of He segregation and tensile deformation have been investigated by molecular dynamics (MD) simulations in α-Fe with and without dislocations (dislocation densities are 0 and 3.36×1011 cm-2, respectively ) and at the annealing temperatures of 300 and 600 K with 0.1%He (atomic fraction) injection. The results show that during the process of 300 K annealing, the effect of dislocation is rather weak, and He atoms are easier to form small He clusters by self-trapping. The size of He clusters and the number of dislocation loops are lower. Furthermore, higher temperature can notably intensify He diffusion, and the size of He clusters and the number of dislocation loops both increase at 600 K. In the process of tensile deformation, dislocations can notably accelerate small He clusters to develop into larger He bubbles, which leads to lower yield stress and strain. In addition, at 300 K, the model mainly occurs to brittle fracture and the dislocations density is lower. At 600 K, larger He bubble can promote dislocation multiply and enhance the deformability. Therefore, there exhibits a better plasticity in the model.

Keywords: α-Fe; ; dislocation ; temperature ; He ; molecular dynamics

0

PDF (5267KB) 元数据 多维度评价 相关文章 收藏文章

本文引用格式 导出 EndNote Ris Bibtex

王瑾, 余黎明, 李冲, 黄远, 李会军, 刘永长. 不同温度对含与不含位错α-Fe中He原子行为的影响[J]. 金属学报(中文版), 2019, 55(2): 274-280 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2018.00190

WANG Jin, YU Liming, LI Chong, HUANG Yuan, LI Huijun, LIU Yongchang. Effect of Different Temperatures on He Atoms Behavior inα-Fe with and without Dislocations[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2019, 55(2): 274-280 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2018.00190

热核聚变作为理想的清洁能源已成为当今研究热点,聚变堆的第一壁材料遭受极其恶劣的服役环境(如高温、高压和高通量的中子辐照)而产生级联碰撞和He辐照损伤,对反应堆的安全及稳定的运行起着决定性的作用[1,2,3,4,5]。He不溶于材料基体,容易与材料中其它缺陷(空位、位错和晶界)发生相互作用,形成He泡,导致材料的肿胀和脆化[5,6,7,8,9]。因此,He在材料中的行为在核材料科学与核技术中长期备受关注。目前,针对He原子对材料的辐照损伤行为已有大量的实验研究[10,11,12,13,14,15,16,17]和原子模拟[18,19,20,21]。如,Morishita等[22]和Fu等[23]研究发现He原子具有很低的固溶能和迁移能,能够快速偏聚形成He团簇,Stewart等[24]发现当He团簇中He原子达到一定数目时,He团簇可以释放一个自间隙Fe原子,生成He-V团簇。进一步的研究表明,He团簇的形成和扩散行为与温度[25,26]和Cr原子浓度[27]密切相关,He团簇扩散和可移动性会随着温度降低和Cr浓度的增加而降低。另外,由于晶体中存在大量的晶体缺陷,He与位错的研究也获得了人们的普遍关注[29,30,31,32]。位错作为He原子的快速扩散管道,He偏聚行为导致He团簇的生成[8,28],反过来,He团簇也能作为障碍物,阻碍位错的滑移运动,从而导致材料的硬化和脆化[20,29]

上述研究工作主要聚焦在He团簇的形成和扩散行为以及He团簇与单根位错的相互作用,而对注He材料的拉伸变形行为研究却很少。本工作采用分子动力学方法研究了不同温度下含与不含位错α-Fe中He原子的偏聚行为和拉伸变形行为,从微观原子尺度详细展现He泡的变形过程与位错演化过程,这是通过实验手段很难看到的,从而为进一步理解He泡的变形机理提供理论指导。

1 原子模型与方法

为了研究α-Fe中He原子行为的影响机制,选取如图1所示的2种初始构型进行研究。图1a是α-Fe基体模型(A模型),图1b为含刃型位错α-Fe模型(B模型),相对应的位错密度为3.36×1011 cm-2。这2个模型中xyz轴取向分别为:x[111]、y[ 1̅01]、z[ 12̅1]。刃型位错的位错线方向沿z轴,滑移面法向沿y轴,Burgers矢量方向沿x轴。图1b中2个刃型位错的距离d=3.5 nm。在这2个模型中分别加入0.1% (原子分数)的间隙He原子,He原子随机分布在α-Fe基体中,经过能量最小化处理得到稳定构型,随后进行模拟。具体尺寸参数如表1所示。

图1   A模型与B模型局部断面视图

Fig.1   Cross sections of models A (a) and B (b) (Atoms are colored according to their common neighbor analysis (CNA). The bcc atoms are colored in blue, and the distorted structure atoms (for example dislocations) are colored in white)

表1   A和B模型的几何尺寸

Table 1   Geometrical dimensions of models A and B

Modelx / nmy / nmz / nmNumber of dislocationsNumber of atoms
A19.832.44.650256000
B19.832.44.652255720

新窗口打开

本次模拟采用分子动力学Lammps编码[30],Fe-He原子间相互作用势函数选自文献[9]。在整个模拟过程中,yz方向采用周期性边界条件,x方向采用固定边界条件。模拟步骤如下:首先,对构型分别在温度为300和600 K时进行5 ns弛豫,使得He原子向位错处的扩散偏聚达到稳定状态;然后采用恒温恒体积(NVT)系综对弛豫后的构型沿x方向进行均匀拉伸,加载应变率为1×109 s-1,时间步长为1×10-15 s。

在模拟分析中采用开放性可视化工具(open visualization tool) OVITO[31],用公共近邻分析法(common neighbor analysis,CNA)分析原子结构的转变,泰森多边形法(Voronoi clusters,VCs)分析He团簇的尺寸和分布,位错提取算法(dislocation extraction algorithm,DXA)分析不同Burgers矢量的位错。Fe原子用蓝色球形原子表示,He原子用白色球形原子表示,1/2<111>和<100>位错分别用绿色和红色线条表示[32]

2 模拟结果与讨论

2.1 低温300 K

2.1.1 He原子偏聚行为 图2a和b分别为A和B模型在300 K下经过5 ns退火弛豫后He原子偏聚平衡构型图。图中仅仅显示He原子和位错。可以看出,对于A模型,当温度为300 K时,He间隙原子由于较低的溶解度和移动能[22,23],发生扩散和聚集成团,如图2a所示。同时,可发现He团簇释放出2个新间隙位错环,位错环的类型均为1/2<111>[33],这与以往实验观察结果一致[15,34]。对于B模型,由于含有预置位错,一些He原子会偏聚到位错处[8,28,35],但仍有大量He团簇存在于基体中,未发现新生成的位错环,如图2b所示。图2c为2个模型中He团簇尺寸分布条形图。其中,单个He团簇内He原子数目代表He团簇的尺寸,单个He团簇中He原子数目越多,代表He团簇尺寸越大。A模型中He团簇尺寸变化为1~21,B模型中He团簇尺寸变化为1~16。从图2c可见,A模型中He团簇最大尺寸比B模型大,这主要是由于B模型中位错的存在,He原子优先偏聚到位错处,降低了基体中形成大尺寸He团簇的概率。尽管存在He原子向位错的偏聚,但偏聚的He原子数目较少,A和B模型中大部分He原子均以He团簇弥散分布在基体中,且尺寸较小。

图2   300 K下A和B模型中He原子偏聚平衡构型图和He团簇尺寸分布条形图

Fig.2   Exemplary snapshots of He clusters distributions at 300 K for model A (a) and model B (b), and the size distribution histogram in these two models (c)

2.1.2 拉伸变形中应力和位错演化行为 图3a和b分别给出了A和B模型在拉伸应变过程中的应力-应变曲线和位错密度-应变曲线。如图3a所示,当温度为300 K时,2种模型均先经历弹性变形,达到应力最大值,之后发生脆性断裂,几乎无塑性变形阶段。对于A模型,当应变ε=0.105,最大应力值σ=17.58 GPa;对于B模型,当ε=0.08,最大应力值σ=14.55 GPa;可见,A模型的临界应力应变值均大于B模型。与之相对应,如图3b所示,2种模型的位错密度值先增加后降低,对于A模型,当ε=0.11,达到最大位错密度值28.37×1011 cm-2;对于B模型,当ε=0.105,最大位错密度值为22.02×1011 cm-2。可见,在整个变形过程中,A和B模型的位错密度值均较低。

图3   300 K下2种模型的应力-应变曲线和位错密度-应变曲线

Fig.3   Stress-strain (σ-ε) curves (a) and dislocation density-strain curves (b) of models A and B at 300 K

为了详细解释这一现象,图4a~c和d~f分别给出了A和B模型在应变过程中的结构演变图。

对于A模型,当ε=0.095时,如图4a所示,1/2<111>位错环已经开始进行滑移扩展[36],同时可以看到<100>位错片段的出现,这主要归因于<111>位错之间的位错反应,已经被Marian等[37]所证实。随后当ε=0.105时,如图4b所示,1/2<111>位错环α已经滑移离开原来的He团簇,且较大的He团簇开始演变为空洞,这时空洞的扩展长大促进了位错的增殖。最后到ε=0.17时,如图4c所示,多个He团簇演变成空洞,空洞发生融合,导致快速断裂。

图4   300 K下2种模型随应变增加的构型演变图

Fig.4   Evolutions of atomistic configurations for model A (a~c) and model B (d~f) with increasing strains at 300 K (a) ε=0.095 (b) ε=0.105 (c) ε=0.17 (d) ε=0.08 (e) ε=0.095 (f) ε=0.17

对于B模型,当ε=0.08时,如图4d所示,预置的位错促进He团簇演变成空洞[38],这比A模型的ε=0.105明显提前。当ε=0.095时,如图4e所示,2个空洞进一步扩展长大并发生融合,同时基体中又有新位错环的生成和滑移,位错密度增加(图3b)。最后到ε=0.17时,如图4f所示,其它的He团簇也演变成空洞,与之前空洞发生融合,并快速断裂。

可见,2种模型在拉伸应变过程中的断裂机制均为较大He团簇优先转变为空洞,多个空洞发生融合,导致快速脆性断裂。这主要是因为温度较低[16],He原子扩散较慢,基体中存在大量小尺寸且弥散分布的He团簇,这些小尺寸He团簇不容易变形和激发出位错环,故而在整个变形过程中,形成的位错较少,塑性差且强度高。

2.2 高温600 K

2.2.1 He原子偏聚行为 图5a和b分别为A和B模型在600 K下经过5 ns退火弛豫后He原子偏聚平衡构型图。可以看出,当温度为600 K时,He原子也发生扩散和聚集成He团簇,He团簇尺寸明显比300 K时大,这主要是由于温度升高引起He原子热扩散行为加剧[25,26]造成的。对于A模型,如图5a所示,基体中He团簇释放出4个新间隙位错环;对于B模型,如图5b所示,He团簇释放出3个间隙位错环。这均比300 K时生成的位错环数目增多,而且偏聚到预置位错的He原子也明显增加。从图5c可知,He原子偏聚达到稳定状态后,A模型中He团簇尺寸变化为1~24,B模型中He团簇尺寸变化为1~30。A和B模型的最大He团簇尺寸均比300 K时要大,而且B模型的增加更明显,这主要是随着温度升高,He原子更容易偏聚到位错处,因而形成了较大尺寸的He团簇。

结合图2和5,可以得出:低温300 K时,位错对He原子偏聚影响较弱,He原子大多自吞噬形成He团簇,尺寸较小,密度较大,在基体中弥散分布;高温600 K时,He原子活动性增加,容易扩散偏聚到位错处形成较大的He团簇,同时基体中He团簇尺寸也较大,密度较小。较大尺寸的He团簇容易激发释放出间隙位错环,因此600 K时A和B模型的位错环数目明显多于300 K。如上阐述的He团簇尺寸数目随温度的变化行为,可归结为:随温度升高,He原子活动性增强,极易形成较大尺寸的He团簇,分布相对离散;随温度升高,较多的He团簇引起较大的晶格畸变,释放出更多的自间隙位错环。

图5   600 K下A和B模型中He原子偏聚平衡构型图和He团簇尺寸分布条形图

Fig.5   Exemplary snapshots of He clusters distributions at 600 K for model A (a) and model B (b), and the size distribution histogram in these two models (c)

2.2.2 拉伸变形中应力和位错演化行为 图6a和b分别为A和B模型在拉伸应变过程中的应力-应变曲线和位错密度-应变曲线。可以看出,随着温度提高到600 K,2种模型均先经历弹性变形,达到应力最大值,然后进行塑性变形,最后断裂失效。如图6a所示,对于A模型,当ε=0.075时,最大应力值σ=13.27 GPa;对于B模型,当ε=0.07时,最大应力值σ=12.82 GPa;可见,A模型的临界应力应变值仍大于B模型,并且它们均低于300 K时的临界应力应变值。进一步观察图6a可以发现,B模型的应力应变曲线存在明显的屈服平台。另外,由图6b可知,2种模型的位错密度均较高,对于A模型,当ε=0.12时,位错密度达到最大值85.66×1011 cm-2;对于B模型,当ε=0.20时,最大位错密度值为116.7×1011 cm-2。这均与300 K时的应力-应变曲线和位错密度-应变曲线不同,可能与温度促进He团簇生成和提高位错的可移动性有关。

图6   600 K下A和B模型的应力-应变曲线和位错密度-应变曲线

Fig.6   Stress-strain curves (a) and dislocation density-strain curves (b) of models A and B at 600 K

究其原因,600 K下A和B模型随应变增加的构型演变图分别如图7a~c和d~f所示。当温度为600 K时,在未变形时,2种模型基体均存在较大的He团簇和较多的位错环(图5a和b)。当ε=0.08时,如图7a和d所示,A和B模型中已有的位错环迅速扩展长大,同时有更多的He团簇释放出新位错环。由于B模型中存在预置位错,He团簇演变为He泡。之后,随着ε的不断增加,对于A模型,当ε=0.11时,如图7b所示,较大的He团簇演变为空洞,空洞扩展长大并促进了位错的增殖;当ε=0.17时,如图7c所示,基体中其它的He团簇也演变成空洞,多个空洞融合导致断裂。对于B模型,当ε=0.11时,如图7e所示,2个He泡发生融合并进一步扩展长大,这时He泡展现了较好的延展性和可变形性[39],促发了位错的大量增殖,反过来,位错也影响He泡的长大行为[40]。从图7e中还可以看到位错网状结构的生成,这主要归因于大量位错的滑移和合并,正如文献[41,42]所述。由此导致了B模型稳定的塑性变形行为。最后到ε=0.30时,如图7f所示,基体中其它的He团簇演变成空洞,与之前He泡发生融合,导致断裂失效。

图7   600 K下A和B模型随应变增加的构型演变图

Fig.7   Evolutions of atomistic configurations of models A (a~c) and B (d~f) with increasing strains at 600 K (a) ε=0.08 (b) ε=0.11 (c) ε=0.17 (d) ε=0.08 (e) ε=0.11 (f) ε=0.30

2.3 不同温度下2种模型对比

低温300 K时,无位错的A模型和有位错的B模型,在拉伸应变过程中,随着应变量的增加,断裂机制均为较大He团簇演变为空洞,多个空洞相互合并,快速脆性断裂。临界应力应变值均较高,但是在整个变形过程中位错密度较低。

高温600 K时,由于温度升高,基体中He团簇尺寸进一步增大,生成的位错环数目也进一步增加。无位错的A模型和有位错的B模型,在拉伸应变过程中,随着应变量的增加,断裂机制为较大He团簇演变为大尺寸He泡/空洞,随后He泡/空洞在增长过程中会激发大量位错增殖,发生塑性断裂。临界应力应变值较低,但是整个变形过程中位错密度较高。这主要归因于位错和He泡尺寸这2方面的影响:一方面,在弹性变形过程中,位错的存在促进He团簇演化为He泡/空洞,因此临界应力应变值较低;另一方面,在塑性变形过程中,较大尺寸的He泡展现了较好的延展性和可变形性,促进了位错大量增殖,塑性变形能力提高。

3 结论

(1) 注入0.1%He时,低温300 K下位错对He扩散偏聚行为影响较小,He团簇主要弥散分布在基体中,尺寸较小。在拉伸变形过程中,He团簇较难转变为空洞,强度较高。之后,多空洞合并发生脆性断裂,塑性较差。

(2) 高温600 K时,位错对He扩散偏聚行为影响较大,He团簇尺寸较大。偏聚到位错处的He团簇极易合并长大成He泡,这些He泡展现了较好的延展性和可变形性,因此在拉伸变形过程中,强度较低但塑性较高。

The authors have declared that no competing interests exist.


参考文献

/