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