锆及锆合金中扩散机制以及缺陷对合金性能的影响研究

Zirconium and its alloys are often specified for engineering applications in the nuclear industry. The high quality Zirconium and its alloys are very important in the nuclear industry to overcome the shortage of energy. The failure of materials is associated with the procedure of atomic transportation such as diffusion. The firs-principles, embedded atom method and molecular dynamics will be used in the studies of configuration of point defects, the interaction between the solute elements and point defects, self-diffusion mechanism and self-diffusion coefficient, solute diffusion mechanism and diffusion coefficient. The embedded atom method potentials of Zr-X ( X = Nb, Fe, Sn, Cu, Ni, Al, B ) will be constructed from the fitting of experimental data and the results of first-principles. The diffusion mechanism for Zirconium and its alloys will be determined by using molecular force field of embedded atom method or first-principles. Then the atomic diffusion procedure is simulated by the molecular dynamics. The diffusion coefficient with temperature and pressure will also be calculated. The atomic transportation mechanism of complicated condensed matter will be determined. The effect of defect on the mechanical properties of Zr and Zr alloy will be stimulated by molecular dynamics. The investigations will be benefit to understand the mechanism of failure of materials, and to improve the properties and methods of annealing for Zirconium alloys.

锆合金是重要的核电站包壳材料，如何提高锆合金的性能以及对锆合金的失效机理的研究对提高核电站运行的可靠性和核电的安全性具有重大的现实意义，而材料的失效机理与材料中扩散的动力学过程密切相关。本项目拟采用第一性原理、嵌入原子理论结合分子动力学方法对锆及锆合金中点缺陷的构型、锆的自扩散机制及自扩散系数、锆合金中合金元素与点缺陷的相互作用、合金元素在锆中的扩散机制及扩散系数进行研究。用实验数据或第一原理计算结果建立精确的描述锆合金体系Zr-X(X= Nb、Fe、Sn、Cu、Ni、Al、B)的嵌入原子相互作用势，用分子静力学研究建立锆及锆合金的扩散机制，在此基础上用分子动力学模拟并确立锆及锆合金扩散机制及扩散动力学过程，计算其不同温度和压强下的扩散系数。从原子尺度上建立复杂结构凝聚态物质中原子的输运机制，为揭示锆合金的失效机理、改善锆合金的性能和处理工艺提供指导。

锆合金是重要的核电站包壳材料，如何提高锆合金的性能以及锆合金的失效机理的研究对解决人类目前面临的能源短缺的问题而大规模发展核电具有重大的现实意义。项目通过扩散偶方法对Zr-X(X=Cu, Ni, Nb, Al, Fe, Sn)、Al-Cu等二元系统的扩散动力学过程进行了研究，得到了互扩散系数等动力学参数，同时采用纳米压痕分析了扩散区域所形成的金属间化合物的力学性能。采用第一性原理方法计算了锆的缺陷性质、自扩散以及合金元素在锆中的溶化焓、合金元素与锆中点缺陷的相互作用、合金元素在锆中的扩散激活能等;同时计算了不同温度和压强Al-Cu体系各相的自由能及压强和温度的影响;计算了Zr5Sn3X(X=B, C, N, O, Al, Si, P, S, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Nb and Sn)稳定性和力学性能。建立了锆的嵌入原子相互作用势，并对锆中点缺陷及其相变过程进行了研究，用所建立的嵌入原子相互作用势研究了铝含量对FeAl和Fe3Al金属间化合物物理性能的影响，用分子动力学方法对锆的自扩散、Zr-Ni、Zr-Cu等体系的互扩散过程进行了模拟。所研究锆合金体系中有部分是易于非晶化的体系，采用经验的热力学理论和扩展模型，对Zr-Fe-Al等体系的非晶形成能力及晶粒尺寸的影响进行了研究，得到了与实验一致的结果。上述研究结果对锆合金中互扩散的机制进行了系统的分析，丰富了锆合金的动力学数据库，为深入理解合金元素在锆中的扩散提供了依据，也为锆合金成分与加工过程的确定提供参考，有利于高性能锆的设计和开发利用。