Статья 8316

Название статьи

МОДЕЛИРОВАНИЕ КАСКАДОВ АТОМНЫХ СМЕЩЕНИЙ В ДЕФОРМИРОВАННОЙ МОДЕЛИ ГПУ-ЦИРКОНИЯ МЕТОДОМ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИ. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ДЕФОРМАЦИИ НА ДЕФЕКТНУЮ СТРУКТУРУ

Авторы

Капустин Павел Евгеньевич, аспирант, Научно-исследовательский технологический институт имени С. П. Капицы, Ульяновский государственный университет (Россия, г. Ульяновск, ул. Льва Толстого 42). kapustinpe91@gmail.com
Светухин Вячеслав Викторович, доктор физико-математических наук,профессор, ведущий научный сотрудник, Научно-исследовательский технологический институт имени С. П. Капицы, Ульяновский государственный университет (Россия, г. Ульяновск, ул. Льва Толстого 42), slava@sv.uven.ru
Тихончев Михаил Юрьевич, кандидат физико-математических наук, начальник лаборатории компьютерного моделирования неорганических материалов, Научно-исследовательский технологический институт имени С. П. Капицы, Ульяновский государственный университет (Россия, г. Ульяновск, ул. Льва Толстого 42), tikhonchev@sv.ulsu.ru

Индекс УДК

544.022.342, 544.022.344.2

DOI 

10.21685/2072-3040-2016-3-8

Аннотация

Актуальность и цели. В настоящей работе рассматривается влияние гидростатической и одноосной деформации модельного кристаллита ГПУ-циркония на его дефектную структуру, сформированную в результате прохождения каскада атомных смещений с энергией первично выбитого атома (ПВА) 10 кэВ. Для одноосного деформирования были выбраны следующие направления: [23462327], [1213], [4510] и [2130]. Степень деформирования модельного кристаллита составляла 0,1, 0,5 и 1 % обоих знаков.
Материалы и методы. В работе рассматривается гидростатическая и одноосная деформация кристаллита ГПУ-циркония. Компьютерное моделирование осуществлялось с помощью метода молекулярной динамики с применением многотельного потенциала межатомного взаимодействия.
Результаты. Получены численные значения энергии формирования точечных дефектов при температуре 0 К. Зависимость числа выживших пар Френкеля от степени деформации модельного кристаллита не была установлена. Анализ кластеризации дефектов показал, что преимущественно формируются одиночные дефекты. Кластеры большого размера (>20 дефектов на кластер) представлены преимущественно вакансиями.
Выводы. Выявлена линейная зависимость энергии формирования от степени деформации модельного кристаллита. Наибольшие размеры кластеров дефектов были получены в деформированном состоянии, таким образом, деформирование модельного кристаллита способствует увеличению размеров формируемых кластеров. Установлено, что доля кластеризованных вакансий превышает долю собственных междоузельных атомов (СМА), а средний размер вакансионного кластера превышает средний размер СМА кластера.

Ключевые слова

цирконий, деформация, энергия формирования, каскады атомных смещений, кластеризация дефектов.

Скачать статью в формате PDF
Список литературы

1. Holt, R. A. In-reactor deformation of cold-worked Zr-2.5Nb pressure tubes / R. A. Holt // Journal of Nuclear Materials. – 2008. – Vol. 372, № 2-3. – P. 182–214.
2. Field, G. J. Analysis of the Pressure Tube Failure at Pickering NGS “A” Unit 2 Nuclear Systems Department / G. J. Field, J. T. Dunn, B. A. Cheadle // Canadian Metallurgical Quarterly. – 1985. – Vol. 24, № 3. – P. 181–188.
3. Bates, J. F. Experimental evidence for stress enhanced swelling / J. F. Bates, E. R. Gilbert // Journal of Nuclear Materials. – 1976. – Vol. 59, № 2. – P. 95–102.
4. Bates, J. F. Effects of stress on swelling in 316 stainless steel / J. F. Bates, E. R. Gilbert // Journal of Nuclear Materials. – 1978. – Vol. 71, № 2. – P. 286–291.
5. Неу строев, В. С. Влияние растягивающих напряжений на эволюцию вакансионной пористости в стали Fe-18%Cr-10%Ni-Ti, облученной в реакторе БОР-60 / В. С. Неустроев, С. В. Белозеров, Е. И. Макаров, А. В. Обухов // Физика металлов и металловедение. – 2014. – Т. 115, № 10. – С. 1070–1074.
6. Марголин, Б. З. Влияние напряжений на радиационное распухание аустенитных сталей / Б. З. Марголин, А. И. Мурашова, В. С. Неустроев // Вопросы материаловедения. – 2011. – Т. 68, № 4. – С. 124–139.
7. Zhang, J. M. Energy Calculation for Symmetrical Tilt Grain Boundaries in Iron / J. M. Zhang, Y. H. Huang, X. J. Wu, K. W. Xu // Applied Surface Science. – 2006. – Vol. 252, № 14. – P. 4936–4942.
8. Pérez, F. J. P. Modelling Radiation Effects at Grain Boundaries in BCC Iron / F. J. P. Pérez, R. Smith // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. – 1999. – Vol. 153, № 1-4. – P. 136–141.
9. Pérez F. J. P. Preferential Damage at Symmetrical Tilt Grain Boundaries in BCC Iron / F. J. P. Pérez, R. Smith // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. – 2001. – Vol. 180, № 1-4. – P. 322–328.
10. Martino, S. F. D. Modelling Radiation Damage Effects on a bcc Iron Lattice Containing Phosphorous Impurity Atoms Near Symmetrical Tilt Boundaries / S. F. Di Martino, R. G. Faulkner, R. Smith // Journal of Nuclear Materials. – 2011. – Vol. 417, № 1-3. – P. 1058–1062.
11. Evolution of Atomic Collision Cascades in Vanadium Crystal with Internal Structure / S. G. Psakhie, K. P. Zolnikov, D. S. Kryzhevich, A. V. Zheleznyakov, V. M. Chernov // Crystallography Reports. – 2009. – Vol. 54. – P. 1002–1010.
12. Wachowicz, E. Cohesive and Magnetic Properties of Grain Boundaries in bcc Fe with Cr Additions / E. Wachowicz, T. Ossowski, A. Kiejna // Physical Review B. – 2010. – Vol. 81. – P. 094104.
13. Terentyev, D. Segregation of Cr at Tilt Grain Boundaries in Fe–Cr Alloys: A Metropolis Monte Carlo Study / D. Terentyev, X. He, E. Zhurkin, A. Bakaev // Journal of Nuclear Materials. – 2011.–Vol.408,№2.–P.161–170.
14. Dependence on Grain Boundary Structure of Radiation Induced Segregation in a 9 wt. % Cr Model Ferritic/Martensitic Steel / K. G. Field, L. M. Barnard, C. M. Parish, J. T. Busby, D. Morgan, T. R. Allen // Journal of Nuclear Materials. – 2013. – Vol. 435, № 1-3. – P. 172–180.
15. Tikhonchev, M. MD simulation of atomic displacement cascades in random Fe- 9at.%Cr binary alloy with twin grain boundaries / M. Tikhonchev, A. Muralev, V. Svetukhin // Fusion Science and Technology. – 2014. – Vol. 66, № 1. – P. 91–99.
16. Heavy ion irradiation induced dislocation loops in AREVA’s M5® alloy / R. M. Hengstler-Eger, P. M. Baldo, L. Beck, J. Dorner, K. Ertl, P. B. Hoffman, C. Hugenschmidt, M. A. Kirk, W. Petry, P. Pilkart, A. Rempel // Journal of Nuclear Materials. – 2012. – Vol. 423, № 1-3. – P. 170–182.
17. Idrees, Y. In situ study of defect accumulation in zirconium under heavy ion irradiation / Y. Idrees, Z. Gao, M. A. Kirk, M. R. Daymond // Journal of Nuclear Materials. – 2013. – Vol. 433, № 1-3. – P. 95–107.
18. A molecular dynamics study of high-energy displacement cascades in α-zirconium / S. J. Wooding, L. M. Howe, F. Gao, A. F. Calder, D. J. Bacon // Journal of Nuclear Materials. – 1998. – Vol.254,№2-3.–P.191–204.
19. Gao, F. Temperature-dependence of defect creation and clustering by displacement cascades in α-zirconium / F. Gao, D. J. Bacon, L. M. Howe, C. B. So // Journal of Nuclear Materials. – 2001.–Vol.294,№3.–P.288–298.
20. Voskoboinikov, R. E. Identification and morphology of point defect clusters created in displacement cascades in alpha-zirconium / R. E. Voskoboinikov, Y. N. Osetsky, D. J. Bacon // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. – 2006. – Vol. 243, № 1-2. – P. 530–533.
21. Mendelev, M. I. Development of an interatomic potential for the simulation of phase transformation in zirconium / M. I. Mendelev, G. J. Ackland // Philosophical Magazine Letters. – 2007. – Vol.87,№5.–P.349–359.
22. Капу стин, П. Е. Моделирование ГПУ-циркония методом молекулярной динамики / П. Е. Капустин // Известия Самарского научного центра РАН. – 2013. – № 4. – С. 1131–1136.
23. Капу стин, П. Е. Каскады атомных смещений вблизи симметрично наклонных границ зерна в гексагональной плотноупакованной структуре Zr: моделирование методом молекулярной динамики / П. Е. Капустин, М. Ю. Тихончев, В. В. Светухин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки. – 2015. – № 2 (34). – C. 148–163.
24. Miyashiro, S. MD simulations to evaluate the influence of applied normal stress or deformation on defect production rate and size distribution of clusters in cascade process for pure Сu / S. Miyashiro, S. Fujita, T. Okita // Journal of Nuclear Materials. – 2011. – Vol. 415, № 1. – P. 1–4.
25. Моделирование зарождения пластической деформации в механически-нагруженных кристаллитах при радиационном воздействии / А. В. Корчуганов, К. П. Зольников, Д. С. Крыжевич, В. М. Чернов и С. Г. Псахье // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Термоядерный синтез.–2015.–Т.38,№1.–С.42–48.
26. Gao, F. The influence of strain on defect generation by displacement cascades in alphairon / F. Gao, D. Bacon, P. Flewitt, T. Lewis // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. – 2001. – Vol. 180, № 1-4. – P. 187–193.
27. Beelera, B. Effects of applied strain on radiation damage generation in bodycentered cubic iron / B. Beelera, M. Astab, P. Hosemannc, N. Grønbech-Jensen // Journal of Nuclear Materials. – 2015.–Vol.459.–P.159–165.
28. Miyashiro, S. MD simulations to evaluate effects of applied tensile strain on irradiation-induced defect production at various PKA energies / S. Miyashiro, S. Fujita, T. Okita, H. Okuda // Fusion Engineering and Design. – 2012. – Vol. 87. № 7–8. – P. 1352–1355.
29. Di, S. Molecular dynamics simulations of irradiation cascades in alpha-zirconium under macroscopic strain / S. Di, Z. Yao, M. Daymond, F. Gao // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. – 2013. – Vol. 303. – P. 95–99.

 

Дата создания: 28.11.2016 13:45
Дата обновления: 19.12.2016 10:42