[發(fā)明專利]一種輻照缺陷和納米相協(xié)同演化的相場(chǎng)模擬方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010599137.9
• 申請(qǐng)日: 2020-06-28
• 公開（公告）號(hào): CN111899819B
• 公開（公告）日: 2022-09-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李永勝;嚴(yán)正偉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G16C60/00
• 分類號(hào): G16C60/00;G06F30/20;G06F17/11;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 南京理工大學(xué)專利中心 32203
• 代理人: 趙毅

本發(fā)明為一種輻照缺陷和納米相協(xié)同演化的相場(chǎng)模擬方法。通過合金熱力學(xué)自由能來表征系統(tǒng)的演變；建立輻照缺陷–合金體系的總自由能；創(chuàng)建輻照缺陷和納米相共同演化的相場(chǎng)方程，實(shí)現(xiàn)輻照下合金缺陷和納米相演化的模擬與表征；分析輻照溫度和缺陷濃度變化條件下的缺陷和納米相微觀組織形貌的變化，得出輻照下缺陷和納米析出相的演變規(guī)律；同時(shí)分析缺陷和納米相的體積分?jǐn)?shù)變化，得出不同輻照溫度和缺陷濃度對(duì)缺陷和納米相的形成及演化動(dòng)力學(xué)的影響規(guī)律；本發(fā)明提供了一種輻照缺陷和納米相協(xié)同演化的相場(chǎng)模擬方法，能夠獲得輻照下缺陷和相分解之間的相互作用關(guān)系，為輻照下合金材料的設(shè)計(jì)和服役安全提供指導(dǎo)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及金屬材料輻照下微觀組織控制技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種輻照缺陷和納米相協(xié)同演化的相場(chǎng)模擬方法。

背景技術(shù)

在核領(lǐng)域，核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料在高溫和輻照下，合金中的原子將會(huì)離開原來晶格位置而形成空位和間隙原子，缺陷的存在促進(jìn)了納米相的析出，阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起合金脆硬性的增加，導(dǎo)致材料的使用壽命降低。因此研究輻照下缺陷和納米相的演化對(duì)合金的安全使用尤為重要。

從目前的研究中可以看出輻照對(duì)合金相轉(zhuǎn)變的影響因素主要有輻照溫度和輻照劑量，輻照溫度的升高使缺陷的遷移作用加強(qiáng)，原子擴(kuò)散作用增強(qiáng)，繼而促進(jìn)了納米相轉(zhuǎn)變。輻照劑量的增加促使級(jí)聯(lián)作用增強(qiáng)，缺陷數(shù)量的增加為原子擴(kuò)散提供通道，加速原子擴(kuò)散，使相分解加快。由此可知，輻照劑量和輻照溫度都是通過加強(qiáng)缺陷作用來促進(jìn)相分解，但是對(duì)于輻照下缺陷對(duì)納米相演化的動(dòng)力學(xué)影響規(guī)律確還不清楚。

目前較多的模擬研究都只針對(duì)輻照下缺陷或者納米相單個(gè)的演變，對(duì)于輻照下缺陷和納米相的協(xié)同演化的研究目前還很缺少，在相場(chǎng)法模擬中可以將缺陷簡(jiǎn)化成同等的元素變量，來模擬缺陷和納米相的協(xié)同演變。同時(shí)利用相場(chǎng)法研究還可以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)，耗費(fèi)成本大，研究對(duì)象單一和不易實(shí)時(shí)觀測(cè)的不足。因此，利用相場(chǎng)模擬手段研究輻照下缺陷和納米相協(xié)同演化是非常有優(yōu)勢(shì)且有必要的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所解決的技術(shù)問題在于提供一種輻照缺陷和納米相協(xié)同演化的相場(chǎng)模擬方法，解決現(xiàn)有研究方法無法同時(shí)研究缺陷和納米相的問題。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的提供技術(shù)方案如下：

一種輻照缺陷和納米相協(xié)同演化的相場(chǎng)模擬方法：

(1)利用合金熱力學(xué)自由能進(jìn)行缺陷和納米相系統(tǒng)的熱力學(xué)描述；

(2)根據(jù)熱力學(xué)描述，求解輻照下缺陷和納米相系統(tǒng)的化學(xué)自由能和彈性能；

(3)基于Chan-Hilliard擴(kuò)散方程，建立輻照下缺陷和納米相演變的相場(chǎng)動(dòng)力學(xué)方程；

(4)根據(jù)輸入變量來模擬不同輻照條件下缺陷和納米相的組織形貌以及成分演變，分析不同輻照條件下缺陷對(duì)相分解動(dòng)力學(xué)規(guī)律的影響。

具體內(nèi)容如下：

根據(jù)合金熱力學(xué)特征對(duì)(1)中的熱力學(xué)進(jìn)行描述，主要包括：系統(tǒng)的化學(xué)自由能、彈性能、梯度能，具體如下：

其中F為系統(tǒng)總的自由能，f_chem為合金的化學(xué)自由能，V_m為合金的摩爾體積，i代表合金元素，c_i為元素i的原子分?jǐn)?shù)，c_V和c_I分為空位和間隙原子的原子分?jǐn)?shù)，k_j(j＝i,V,I)為梯度能系數(shù)，f_elas為彈性能密度。

在本發(fā)明中將缺陷的形成能及其濃度耦合到系統(tǒng)的化學(xué)自由能中，將(2)中的化學(xué)自由能表示為：

其中和分別為空位和間隙原子形成能，為元素i的吉布斯自由能，k代表合金元素，c_k為元素k的原子分?jǐn)?shù)，L_ik為原子間相互作用參數(shù)。