富氧纳米团簇弥散强化的ODS钢合金化设计和第一性原理模拟

传统的高强结构钢不能有效地抵抗核聚变反应堆内极强的破坏性核辐射，因为产生的大量不溶He原子在钢中聚集并形成气泡长大和膨胀，导致脆性断裂和强度退化。新近发展的富氧纳米团簇弥散强化的ODS钢表现出优越的抵抗核辐射的能力，阻止He气泡长大和膨胀，从而改善其在核聚变反应堆内的使役行为。然而，这类钢有效抵抗核辐射的机制和富氧纳米团簇稳定及合金化的机理还不清楚。本项目拟通过联合第一性原理计算、蒙特卡罗模拟和实验，对ODS钢中富氧纳米团簇稳定和合金化原理、富氧纳米团簇尺寸效应、以及抵抗核辐射机理展开深入研究。聚焦于通过缺陷调控研究高性能富氧纳米团簇弥散强化ODS钢形成的物理机制，特别是研究富氧纳米团簇对其结构和物理属性的改变和演化的微观机理，从而为设计和开发新的高性能富氧纳米团簇弥散强化铁素体钢提供设计依据，进一步开发性能更加优越的ODS钢。

本项目通过第一性原理计算，对ODS 钢中富氧纳米团簇稳定和合金化原理、富氧纳米团簇尺寸效应、以及抵抗核辐射机理展开深入研究，聚焦于通过缺陷调控研究高性能富氧纳米团簇弥散强化ODS 钢形成的物理机制。尤其是以下四个方面取得系列重要进展：1）在以氧-空位对为核心稳定富氧纳米团簇的物理机制和合金化设计原理探索；2）以氧-空位对为核心稳定富氧纳米团簇与氢(H)元素的相互作用及调节机制进行分析；3）揭示氢在金属中总是优先占位在电荷密度高的间隙位置，建立氢原子占位-间隙电荷密度分布-应力之间的关系；4）揭示了氢与金属中空位缺陷相互作用，理解氢围绕金属空位形成团簇的现象，提出电荷转移激发的应力失稳的普遍性机制，并且找出了氧空位对与空位捕获氢原子差异的根本原因，验证了电荷转移激发的应力失稳机制的一般化。其中，我们研究围绕高品质ODS结构钢设计中在有核辐照条件下氢损伤机制，通过第一原理计算模拟发现氢围绕辐照产生的空位形核生长的一般化物理机理。结果发现，氢之所以能够形核是因为缺陷周围的金属提供电荷，导致金属中氢原子带一定负电。随着氢围绕空位团簇生长，所需要获得的电荷越来越多，导致缺陷周围能够供给的电荷出现匮乏，这样就必须需要更长程电荷转移满足更大氢团簇生长的电荷需求，因此从本质上导致应力激增使氢团簇失稳。这个工作表明，金属中（钢中）普遍存在的氢行为实际上与缺陷周围的间隙电荷分布密切相关。通过应力、合金化、缺陷（空位、晶界、位错等）控制等手段改变局域间隙电荷分布情况在本质上调控金属中氢原子的行为。这对设计和开发新型抗辐照结构材料有重要意义。