辐照弥散氧化物增强钢塑性变形和断裂的细观机理及多尺度模拟

Since the introduction of the dispersed nano Y/Ti oxide with speical NaCl-type atom structure and the induced complex interactions beween nano oxides,dislocations and irradiated defects, the nano-oxide dispersion strengthened steels (i.e. ODS steel) have a much better irradiation resistance than traditional steels. For this, ODS steels are considered as candidate materials for the future nuclear fission reactors, as well as potential fusion reactors. In this project, we focus on the problems of plastic responses,deformation localization and crack-tip damamge evolution for the nano ODS steels under different-dose irradiation and high/morderate temperatures, trying to clear the relations between irradiated point defects (i.e. vacancy and self-interstitial atom), irridated prismatic dislocation loops, gliding dislocations, nano-oxide paticles/their interfaces, and the plastic response/crack-tip damage evolution of Nano ODS steels. A new crystal plasticity constitutive relation including the multi-dimensional models of point defects, prismatic loops, dislocation density and void damage will be builtd for the nano-ODS steel. By the molecular dynamics simulation, discrete dislocation simulation and the finite element analysis basing on the above crystal plasticity theory, the irradiated plastic reponse, deformation localization, crack-tip damage evolution and their intrinsic dislocation and defect mechanisms are simulated and analyzed carefully in a multiscale way under different irradiation doses, various termperatures and different loading conditions for the nano-ODS steels. All these works tend to provide the scientific and technical supports for the mechanical analysis and further material design of nano-ODS steels.

纳米弥散氧化物增强钢（ODS钢）是新一代先进堆和未来聚变反应堆候选材料；该材料优良的抗辐照力学性能源于内嵌Y、Ti、O纳米氧化物独特的NaCl式稳定原子结构以及“纳米氧化物”-“位错”-“辐照缺陷”复杂的交互作用。本项目拟以辐照和中高温条件下纳米ODS钢塑性响应、变形局部化、裂尖损伤演化及其内在机理为核心问题；以“点缺陷（空位和间隙原子）”-“棱柱位错环”-“滑动位错”-“纳米氧化物颗粒与界面”-“塑性局部化与裂尖变形损伤”相互关联为切入点；以分子动力学、离散位错动力学和晶体塑性有限元多尺度模拟结合细观实验（如纳米压痕和微柱压缩）验证为手段，建立描述“辐照缺陷-位错-纳米氧化物及其界面”多维缺陷作用和演化的晶体塑性本构关系；分析不同辐照剂量、温度和加载条件下该材料的塑性响应和裂尖变形损伤。从多尺度深入了解纳米ODS钢辐照力学行为及内在机理，为其结构分析、安全评定和优化提供理论和技术支持。

纳米氧化物增强钢（ODS）具有丰富的两相界面，显著地改变多维多尺度辐照缺陷的演化，使其具有优良的抗辐照力学性能退化的能力。目前，其已成为新一代先进裂变堆和未来聚变反应堆候选材料之一。本项目通过理论建模和数值计算相结合的方法，较为系统地研究了辐照条件下金属材料特别是纳米氧化物增强钢材料塑性性能退化和断裂损伤破坏行为及其内在位错机理。主要开展了以下内容的研究：基于理论分析，建立了辐照环境下位错运动的Pierels-Nabarro 模型；采用分子动力学模拟，分析了位错与辐照点缺陷—辐照氢复合体—氦缀饰棱柱位错环—空洞等多尺度多维缺陷的交互作用，揭示了纳米氧化物表面和其它两相界面对抑制材料辐照性能退化的突出贡献，分析了多维辐照缺陷对位错演化以及辐照力学性能退化的影响；开发了针对富含相界面（如氧化物颗粒界面）、晶界以及自由表面等材料力学行为的三维离散位错动力学算法和程序一套；开发了基于扩展有限元—位错动力学模拟2D和3D算法和程序一套，可方便地嵌入辐照缺陷模拟金属材料力学性能退化和断裂破坏行为；采用所开发的程序，对富含界面和初始缺陷（包含辐照缺陷、位错网络和裂纹等）的材料力学行为及其内在位错机理进行了深入地探讨，探讨了利用辐照引入缺陷增韧金属材料的方案；在以上研究的基础上，发展了以位错密度为内变量、可以考虑位错和缺陷（包括辐照缺陷）交互作用以及核高温环境的晶体塑性本构关系一套，并应用到更大规模材料的强化、软化和复杂环境下力学行为的研究当中，为深入认识纳米氧化物增强钢辐照损伤和力学行为机理分析提供了一系列理论模型和多尺度分析软件。相关成果在固体力学影响因子最高期刊《International Journal of Plasticity》（3篇）以及核科学专业旗舰权威期刊《Journal of Nuclear Materials》和《Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B》上（2篇）等上发表（共10篇）。依托本项目，负责人获得优秀青年基金资助，共培养博士研究生5名（1名已毕业，2名即将毕业），培养硕士研究生4名（2名已毕业），毕业生前往研究院所继续开展核材料力学行为相关研究，为相关领域输送了有生力量。