辐照诱发氦缺陷对金属力学行为的影响

The agglomerate of the irradiation caused Helium defects produces Helium bubbles and clusters in the metal material, which not only degrade material properties such as swelling and hardening etc. This greatly shortens service life of materials. To better understand the mechanical behaviors of metal material with Helium defects enriched, it is vital to study the thermodynamics properties of Helium defects and evolution mechanism of other complex defects. In this proposal, considering the formation location dependence of Helium defects and interactions between defects of different types, we attempts to obtain the main factors effecting the sink efficiency of grain boundary with regard to Helium clusters, and find out the nucleation and growth properties of Helium bubbles in grain boundaries. Then, we develop a quantitative description method of thermodynamics properties of Helium defects that is dependent of multi-factors. Finally, the evolution mechanisms of Helium defects and other defects will be revealed, and the correlation between complex defects and material properties will be given. The research findings of this projects may not only shed lights on the design of radiation resistant metal material based on the grain boundary engineering, but also provide useful information for the development of plastic deformation theory of metals containing defects caused by irradiations.

核辐照诱发的嬗变产物氦杂质原子会在金属材料内部大量聚集生成各类氦缺陷体，致使材料出现肿胀、硬化等性能劣化现象，这极大地缩短了金属材料服役寿命。因此，研究金属材料内氦缺陷体的热力学性质与复杂缺陷演化机制，是掌握含氦缺陷体金属材料力学行为的关键。本项目针对氦缺陷体在金属材料内形成位置的多变性和材料内部缺陷相互作用的复杂性，发展依赖多因素的氦缺陷体热力学基本性质数据分析方法与含氦气泡金属力学行为的位错动力学模拟方法，寻求晶界吸收氦团簇效率差异的主要影响因素，查清晶界内氦气泡的形核、成形性质，给出依赖于复杂多因素的氦缺陷体热力学性质定量描述方法；揭示氦缺陷体及其它复杂缺陷演化机理，建立复杂缺陷与材料性能间的关联。本项目的研究成果，不仅可以为基于晶界工程的耐辐照金属材料设计提供新思想，也可为发展含辐照损伤金属材料的塑性变形理论提供理论基础。

核辐照诱发的氦杂质原子会在金属材料内部大量聚集生成各类氦缺陷体，致使材料出现肿胀、硬化等性能劣化现象。因此，研究金属材料内氦缺陷体的热力学性质与复杂缺陷演化机制，是掌握含氦缺陷体金属材料力学行为的关键。项目开展过程中按照项目书预定研究计划，开展了大量铜和合金的辐照损伤以及氦气泡诱发的金属力学行为变化方面的理论和数值模拟方面研究工作，并在这些方面取得了一系列辐照损伤缺陷理论以及含氦气泡金属材料性能和力学行为等方面的研究成果。揭示了含氦气泡单晶位错发射机理，发现氦气泡内压诱发的位错萌生趋势会降低材料拉伸强度，晶界内氦缺陷会向晶界特征结构单元体附近偏析，且会改变晶界的变形机理和剪切强度。揭示了类层错四面体的形成机理，类层错四面体附近最小空位形成能随着类层错四面体尺寸变化而变化，且变化趋势与类层错四面体构型在稳态、亚稳态和非稳态之间过渡相关，稳态无尖端类层错四面体的最小空位形成能变化趋势表现出明显的尺寸效应。剪切会导致含类层错四面体铜单晶体产生两类层错四面体位错开动模式。含类层错四面体单晶的剪切屈服应力，在两个剪切加载方向随着类层错四面体尺寸的增加表现出尺寸效应，且逐渐减小。由梯形团簇生成的类层错四面体对应的屈服应力基本不变，而平行四边形空位团簇对应的单晶屈服应力呈现先增大后减小的趋势。发展了综合径向分布函数平均值和标准差的晶界结构描述子，发现将主成分特征值与模型倾斜角多项式回归拟合，再进行多元线性回归，对模型具有降低误差的作用。对比主成分分析方法和循环神经网络方法，后者相对预测误差较低。发展了依赖于晶界位置的晶界能算法，基于热力学原理给出了依赖于晶界位置晶界能的偏析物生成的吉布斯能量表达式，发现析出物生成的吉布斯能量依赖于晶界局部结构特征。本项目的研究成果，不仅可以为基于晶界工程的耐辐照金属材料设计提供新思想，也可为发展含辐照损伤金属材料的塑性变形理论提供理论基础。