核辐射材料中无缺陷通道形成机理的多尺度研究

A typical character of irradiated materials is the very high density of irradiation-reduced defects. At the nano-scale, dislocations can absorb、destruct and shear defects, generating the defect-free channels. In the channels, plastic deformation is localized, leading to an overall loss in ductility and life of irradiated materials. It can be seen that, the mechanical behavior of irradiated materials is a typical multi-scale research topic and the channel is the bridge among three scales. This project aims to investigate the mechanical property of irradiated material (stainless steel) and the intrinsic mechanism using the coupling method of micro experiment and multi-scale simulation, with the emphasis focused on the relation among macro mechanical behavior, micro defect-free channel and dislocation-defect reaction at the nano scale. First, in the micro experiment and molecular dynamics, we observe and simulate the reactions between different dislocations and different defects, in order to reveal the dislocation mechanism. Then, the dislocation mechanism is incorporated into three dimensional discrete dislocation dynamics framework to explore the forming mechanism of defect-free channel. In addition, the influence of grain boundary on channel and the relation between channel distribution character and macro mechanical behavior are also discussed. This project will provide scientific support for the safety designment and life prediction of the irradiated materials.

核辐射材料的一个典型特征是高能粒子诱发的超高密度缺陷。在纳米尺度，位错能够吸收、破坏、剪切核辐射缺陷，在材料中形成微观尺度无缺陷通道；在通道中，塑性变形局部化，导致宏观材料的韧性与使用寿命严重降低。由此可知，核辐射材料力学性能是一个典型的多尺度研究对象，而通道正是连接这三个尺度的桥梁。本项目拟通过宏微观实验观测与多尺度计算相结合的研究方法，以"力学性能"-"无缺陷通道"-"位错-缺陷相互反应"及其相互关联为切入点，深入研究核反应堆常用材料不锈钢的力学性能及其物理机制。首先，在微观实验与分子动力学中，对不同缺陷与不同特征位错的相互反应进行观测与模拟，进而建立位错-缺陷相互反应的位错机制；再将此机制嵌入到离散位错动力学中，发展具有原子信息的微观模拟程序，用于探索通道的形成机理、通道与晶界的相互影响及通道分布特征与宏观力学性能之间的密切关联，为核辐射材料的安全设计与寿命评估提供理论支持。

受辐照金属材料的微结构与力学性能都会发生显著的改变，但学界对于位错与辐照缺陷的相互反应以及由此形成的无缺陷通道还缺乏深刻的认识。本项目揭示了辐照材料内部位错与辐照缺陷的相互反应，以及无缺陷通道的形成机理。具体研究内容分以下两个部分展开：.1）位错与辐照缺陷的相互反应.本项目运用分子动力学方法，首次揭示了螺形位错完全吸收层错四面体的过程与内在的位错机制。然后通过施加周期与自由边界，模拟了材料内部与表面附近的缺陷。结果显示，位错吸收内部四面体之后，变成了一条交割位错，不能再向前滑移。而在增加外加应力后，位错可摆脱交割向前滑动，由此释放的四面体在横向移动了5.1纳米。表面附近的位错却可把吸收的四面体带到表面，直接消除四面体。.2）无缺陷通道的形成机理.基于上述研究结果，本项目提出了形成无缺陷通道的三种方式：.1..位错吸收然后释放内部的四面体，但四面体能横向移动。如多条位错通过，则可把四面体移出，从而形成通道；.2..位错可吸收表面附近的四面体并带出表面，从而形成通道；.3..晶界附近的四面体可横向移动直至被晶界吸收，从而形成通道。.综上所述，本项目在位错与缺陷相互反应以及无缺陷通道的形成机制方面取得了预期的进展。