辐照环境空位流导致的非平衡态晶界力学行为研究

To enhance the ability of irradiation resistance of the materials in the aerospace and nuclear power equipment, it is vital to reduce the concentration of point defects produced from irradiations. The current proposed project will target the Cu GBs with <110> and <100> tilt axis. Using the molecular dynamics (MD) simulation approach, the characteristic properties of GBs upon a continuous vacancy flux loading, such as GB energy, GB excess volume, evolvement of structure and minimum vacancy formation energy in GB, will be systematically analyzed to reveal the correlation between these characteristic properties .Furthermore, the tensile and shearing mechanical properties of a series of equilibrated and non-equilibrated GBs produced from the vacancy flux loading history will be thoroughly studied at the room temperature. The analysis will be focused on not only the variation trend of the initial yield stresses, deformation mechanisms and changes of shear-coupling mode for a GB at different states, but the their correlations with GB characteristics. The research not only possesses high academic significance for the deep analysis of vacancy sink efficiency of <110> and <100> tilt Cu GBs, but also has an engineering significance for designing and improving preformation of the material with irradiation resistance. Moreover, the mechanical behavior analysis of equilibrated and non-equilibrated GBs is significant and instructive for investigating the properties of GBs in the materials suffering from severe plastic deformation (SPD).

提高辐照环境(如太空和核动力装备等)中材料的耐辐射性能，关键在于考虑如何降低材料内部受辐照产生的缺陷浓度。本项目拟以<110> 和<100>倾斜轴倾斜Cu晶界为研究对象，借助分子动力学模拟手段，系统地分析空位流作用下晶界的特征参量，包括晶界能量、体积、结构演化和空位形成能等，并揭示参量彼此间的关联性。进一步探究空位流加载中生成的一系列平衡态与非平衡态晶界，在室温下受拉伸和简单剪切载荷作用下的力学响应。阐明不同状态晶界的初始屈服应力、变形机理和耦合剪切迁移模式等的变化趋势，分析这些变化趋势与晶界特征参量之间的关系，探求其中的规律性和特殊性。本项目通过揭示Cu倾斜晶界对空位的吸收效率和机理，对耐辐照材料的设计和改性具有良好的工程意义，此外，平衡态和非平衡态晶界力学行为分析对剧烈塑性变形材料中晶界性质的研究也具有指导意义。

改善和提高材料的耐辐射性能，对于核工程中的结构设计和延寿具有重要意义。晶界和界面作为一类材料内常见的面缺陷，可以吸收辐照点缺陷，从而有效降低材料内部的缺陷浓度。因此，研究界面、晶界-点缺陷的相互作用机理及其对材料力学行为的影响，可以为耐辐照材料的微结构设计提供理论参考。本项目借助微尺度模拟手段，按计划完成了平衡态、非平衡态晶界、界面与点缺陷的相互作用机理分析、界面和晶界结构的表征，并分析了点缺陷加载对界面和晶界基本性质的影响。按计划完成了辐照损伤对晶界力学性质的影响，分析了层错四面体与共格孪晶相互作用机理，建立了非共格孪晶界的超弹性行为理论模型，明确了超弹性驱动力根源和硬化机理。研究发现：非平衡态晶界具有较强吸收点缺陷的能力，且吸收能力与晶界内最小空位形成能呈正相关关系，此外，点缺陷加载会改变界面的界面能、界面电荷转移和粘附能等结合性质；层错四面体-共格孪晶界相互作用过程中，层错四面体底面位错发生分解降低孪晶界屈服应力，由于位错湮灭导致层错四面体附近产生显著的应力梯度，致使原子定向扩散的发生，最终诱发层错四面体发生坍塌或者构型翻转；非共格孪晶界的超弹性驱动力为两相之间的能量差，而相界的交叠混合位错结构致使相界较难运动，这是晶界出现硬化现象的本质原因。本项目的研究成果不仅对揭示耐辐射材料的微缺陷演化机理和微象力学分析模型的建立具有理论意义，还对耐辐照材料微结构的设计和改性具有良好的工程意义。