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α锆中螺形位错与空位盘的相互作用模拟

作　者: 刘健
导　师: 刘向力
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: α-锆临界坍塌应变空位盘螺形位错
分类号: TL341
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 25次
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内容摘要

金属锆及其合金是一种重要的核工业材料,由于其较小的中子吸收截面,常被用于制作燃料包壳管。因此,这种材料在辐射条件下的稳定性对核反应堆的正常安全运转起到至关重要的作用,研究锆在辐射作用下金属内部缺陷的产生与变化方式具有重要意义。近来随着材料科学与计算机技术的发展,分子设计和分子模拟技术得到了迅速发展,其应用前景广泛,己受到很多研究者特别是材料研究者的重视。基于位错和缺陷簇理论的计算机模拟缺陷间的相互影响是当今较流行的材料研究课题。本文使用了修正共轭梯度法和修正格林方程自由边界条件研究α-锆中双层盘状空位簇的临界坍塌压应变与空位盘尺寸和螺形位错之间的关系。模拟过程中通过改变空位盘半径大小,改变引入的螺形位错与空位盘心间的距离,得出不同情况下的临界坍塌压应变值,并对坍塌的原子晶体结构进行分析。计算结果显示:空位盘尺寸越大,所需的临界坍塌压应变越大。螺形位错的存在会显著减小临界坍塌压应变值,使得空位盘更易坍塌,这种影响在小尺寸空位盘中表现更明显。坍塌结构中出现了正弗兰克不全位错环和负弗兰克全位错环,但没有出现堆垛层错。螺形位错致使中间层位错环发生伯氏矢量为[0001]的错位,形成不闭合的位错环,而且这种错位会随空位盘尺寸增大而在外层原子结构中表现出来。空位盘的坍塌对金属的宏观塑性变形具有深远影响,因此金属的机械性能在很大程度上取决于这种微观结构的改变,本实验对锆金属的工作寿命和机械性能变化预估有重要参考作用。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-7
ACKNOWLEDGEMENTS  7-10
Nomenclature  10-11
List of tables  11-12
List of figures  12-16
1. Introduction  16-26
  1.1 Background  17-22
    1.1.1 Computer simulation  17-21
    1.1.2 Application of zirconium  21-22
  1.2 Literature and review  22-25
  1.3 Objective and contents of the study  25-26
2. Defecs and dislocations  26-44
  2.1 Defects of metals  26-30
    2.1.1 Generation of point defects  27-28
    2.1.2 Generation of clusters  28-30
  2.2 Partial dislocation  30-37
    2.2.1 Frank partial dislocation and faulted loops  31-34
    2.2.2 Slip system of hcp  34-37
  2.3 Effect of dislocation  37-42
    2.3.1 Stress field of a screw dislocation  37-39
    2.3.2 Interactions among dislocations, defects, and clusters  39-42
  2.4 Summary  42-44
3. Methodology  44-63
  3.1 Molecular dynamics method  44-47
    3.1.1 Equations of motions  45
    3.1.2 Integration algorithms  45-47
  3.2 Interatomic potentials  47-50
  3.3 Energy minimization methods  50-57
    3.3.1 Steepest descent method  50-51
    3.3.2 Conjugate gradient (CG) method  51-54
    3.3.3 Modified conjugate gradient method  54-57
  3.4 Boundary conditions  57-61
  3.5 Summary  61-63
4. Model construction and results discussion  63-85
  4.1 Modelling and calculation details  63-65
  4.2 Visualization method  65-66
  4.3 Critical collapse strain  66-71
    4.3.1 Influence of cluster size  66-68
    4.3.2 Combined influence of d and r on critical strain  68-71
  4.4 Configuration analysis  71-84
    4.4.1 Collapse mechanism  71-75
    4.4.2 Influence of screw dislocation on configurations  75-80
    4.4.3 Influence of cluster size on configurations  80-82
    4.4.4 Influence of d on configurations  82-84
  4.5 Summary  84-85
5. Conclusion  85-88
  5.1 Conclusion  85-87
  5.2 Future work  87-88
References  88-93

α锆中螺形位错与空位盘的相互作用模拟

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