Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Моделирование процессов первичного радиационного повреждения циркония и циркониевых сплавов методом молекулярной динамики Капустин Павел Евгеньевич

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Капустин Павел Евгеньевич. Моделирование процессов первичного радиационного повреждения циркония и циркониевых сплавов методом молекулярной динамики: диссертация ... кандидата Физико-математических наук: 01.04.07 / Капустин Павел Евгеньевич;[Место защиты: ФГБОУ ВО Ульяновский государственный университет], 2017

Введение к работе

Актуальность настоящей диссертационной работы следует из необходимости решения перечисленных выше задач, суть которых состоит в получение детальной информации о процессах, проходящих в цирконии и цирконий-ниобиевых сплавах при первичном радиационном повреждении. Таким образом, можно не только расширить информационно-статистические данные по данным материалам, но и использовать полученные результаты как исходные для последующего моделирования другими методами (метод Монте-Карло, метод конечных элементов, JMAK, Phase-Field method) на больших временных интервалах и пространственных размерах.

Цель работы

Получение качественных и количественных оценок, характеризующих первичное радиационное повреждение циркония и цирконий-ниобиевых сплавов с учетом влияния его внутренней структуры (наличие границ зерен, преципитатов), а также в деформированном состоянии.

Основные задачи

1. Определение энергии формирования точечных дефектов, пороговой энергии
смещения в гексагональном плотноупакованном (ГПУ) цирконии. Влияние энергии
первично выбитого атома (ПВА) и температуры кристаллита на эволюцию каскада
атомных смещений, дефектную структуру, кластеризацию точечных дефектов.

2. Выявление особенностей протекания каскадных процессов вблизи симметрично-
наклонных границ зерен в ГПУ-цирконии. Влияние границы зерна на дефектную
структуру материала, кластеризацию точечных дефектов.

  1. Исследование влияния деформации модельного кристаллита на протекания каскадных процессов. Анализ посткаскадных областей на предмет кластеризации точечных дефектов.

  2. Исследование бинарных сплавов Zr-Nb с различным содержанием атомов ниобия. Определение энергии связи атома ниобия с атомом циркония в междоузельных конфигурациях в бинарном сплаве, моделирование каскадов атомных смещений в бинарном сплаве, вблизи бинарного преципитата Zr-Nb с ОЦК решеткой, расположенного в структуре ГПУ-циркония. Анализ посткаскадных областей на предмет кластеризации точечных дефектов.

Научная новизна работы

  1. Установлено, что среднее число выживших пар Френкеля в инициально бездефектном ГПУ-цирконии уменьшается с ростом температуры модельного кристаллита. В посткаскадной области преимущественно формируются одиночные точечные дефекты. Кластеры точечных дефектов большого размера формируются в основном вакансиями, имеют вытянутую форму вдоль направления .

  2. Удельная энергия межзеренных симметрично наклонных границ в ГПУ-цирконии, а также соответствующих им свободных границ не зависит от температуры модельного кристаллита, ее величина определяется типом границы зерна. Ширина межзеренной области составляет порядка 13 и слабо зависит от температуры. После прохождения каскада атомных смещений наблюдается аккумуляция точечных дефектов в межезеренной области, причем собственные междоузельные атомы (СМА) более склонны к миграции в сторону границы зерна, чем вакансии.

3. Деформирование модельного кристаллита ГПУ-циркония приводит к линейному
изменению энергии формирования точечных дефектов относительно объема модельного
кристаллита: энергия формирования вакансий увеличивается, СМА и пар Френкеля
уменьшается с увеличением объема модельного кристаллита. Деформация не оказывает
значительного влияния на число выживших пар Френкеля после прохождения каскада.

Наличие деформации (как сжатия, так и растяжения) способствует формированию кластеров точечных дефектов большего размера, по сравнению с недеформированным ГПУ-цирконием.

4. Установлено, что после прохождения каскада атомных смещений в бинарном сплаве Zr-(1; 2)%Nb доля атомов ниобия в междоузлиях существенно превышает атомарную долю ниобия в бинарном сплаве, что связано с высокой положительной энергией связи атома ниобия с атомом циркония в междоузельных конфигурациях. Ниобий в большей степени формирует одиночные точечные дефекты, в меньшей степени димеры и кластеры, размер которых не менее 3 междоузлий.

Бинарный преципитат Zr-Nb является препятствием на пути распространения каскада атомных смещений в ГПУ-цирконии. При достижении поверхности преципитата, каскадный процесс развивается вдоль его поверхности, практически не “заходя” в глубину преципитата.

Практическая значимость результатов работы

Полученные в диссертационном исследовании результаты могут быть применены
для последующей разработки научной базы для создания конструкционных материалов,
расширения информационной базы об особенностях процессов первичного

радиационного повреждения циркония и цирконий-ниобиевых сплавов при различных температурах и энергиях ПВА.

Полученные в ходе моделирования результаты могут быть использованы как исходные данные для моделирования микроструктурных изменения материала (формирование вакансионных и дислокационных петель, их миграция, эволюция преципитатов в матрице и т.д.) в рамках концепции многомасштабного моделирования.

Положения, выносимые на защиту

1. Увеличение температуры модельного кристаллита ГПУ-циркония способствует
снижению среднего числа выживших пар Френкеля. Дефектная область представлена
преимущественно одиночными точечными дефектами обоих типов. Кластеры точечных
дефектов большого размера сформированы преимущественно вакансиями, СМА менее
склонны к формированию таких кластеров.

2. Изменение температуры модельного кристаллита практически не влияет на
значения удельной энергии свободной и межзеренной границы, ширины межзеренных
областей. Выжившие после каскада атомных смещений точечные дефекты активно
аккумулируются в межзеренной области, причем СМА активнее мигрируют в
межзеренную область. Структура дефектной области аналогична случаю ГПУ-циркония
без границ зерен.

3. Энергия формирования вакансии, СМА, пары Френкеля линейно зависит от
изменения объема кристаллита при его деформировании. Однако число выживших в
каскадном процессе пар Френкеля не зависит от изменения объема кристаллита.
Деформация способствует формированию кластеров точечных дефектов большего
размера, чем в недеформированном ГПУ-цирконии.

4. При прохождении каскада ниобий активно переходит в междоузельные
конфигурации, преимущественно в одиночные междоузлия. Рост температуры
кристаллита приводит к изменению доли ниобия в димерах и междоузельных кластерах и
практически не влияет на его долю в одиночных междоузлиях.

5. Шаровой бинарный Zr-Nb преципитат, имеющий ОЦК решетку, препятствует
распространению каскадного процесса, практически не проникающего в структуру
преципитата. Точечные дефекты формируются преимущественно на поверхности
преципитата, наблюдается частичный выход ниобия из преципитата в матрицу.

Достоверность научных положений, результатов и выводов

При проведении вычислительных экспериментов использовался хорошо зарекомендовавший себя метод молекулярной динамики, использующийся для моделирования процессов радиационного повреждения не только циркония, но и других материалов. Используемые потенциалы межатомного взаимодействия дают хорошее согласие с первопринципными расчетами, с экспериментальными данными.

Личный вклад автора

Личный вклад соискателя заключается в постановке задач, частью лично и частью в соавторстве в моделировании процессов первичного радиационного повреждения различных конфигураций циркония и цирконий-ниобиевого сплава с последующим анализом полученных данных.

Апробация работы

Основные положения и результаты работы доложены на Всероссийской
конференции “Научная сессия НИЯУ МИФИ–2014” (г. Москва, 2014), на Международных
конференциях: “Новые материалы для инновационного развития атомной энергетики” (г.
Димитровград, 2014), “Одиннадцатый Международный Уральский Семинар

“Радиационная физика металлов и сплавов” (г. Кыштым, 2015), на Отраслевом научном семинаре “Физика радиационных повреждений материалов атомной техники” (г. Обнинск, 19-21 апреля 2016).

Публикации

По тематике диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 4 статьи в рекомендуемых ВАК РФ рецензируемых журналах и 2 статьи в зарубежных журналах, входящих в международную базу цитирования Scopus.

Структура и объем диссертации