初級(jí)碰撞原子能量對(duì)bcc

1、初級(jí)碰撞原子能量對(duì)bcc-Fe輻照損傷缺陷數(shù)的影響摘要：材料處于輻照條件下會(huì)產(chǎn)生缺陷，這些微觀缺陷積累會(huì)在宏觀上有所體 現(xiàn)。本文選用不同能量的原子向bcc-Fe表面進(jìn)行碰撞，會(huì)產(chǎn)生位移級(jí)聯(lián)現(xiàn)象。本 文利用基于LAMMPS程序的分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，研究不同能量的初級(jí)碰撞原子 對(duì)bcc-Fe缺陷數(shù)量的影響。結(jié)果表明，輻照損傷會(huì)對(duì)材料產(chǎn)生一定的缺陷；本文 主要研究了在輻照損傷過程中，初級(jí)碰撞原子能量分別為700ev、1Kev、2Kev對(duì) 材料缺陷數(shù)量的影響。初級(jí)碰撞原子能量對(duì)最大缺陷數(shù)目產(chǎn)生了一定的影響，當(dāng) 初級(jí)碰撞原子能量為700ev時(shí)，最大缺陷數(shù)目（間隙原子數(shù)目=空位數(shù)目）為45 個(gè)；初級(jí)碰撞原

2、子能量為1Kev時(shí)，最大缺陷數(shù)目（間隙原子數(shù)目=空位數(shù)目）為 75個(gè)；當(dāng)初級(jí)碰撞原子能量為2Kev時(shí)，最大缺陷數(shù)目（間隙原子數(shù)目=空位數(shù)目） 為155個(gè)；隨著初級(jí)碰撞原子能量的增加，缺陷數(shù)量隨之增加，但初級(jí)碰撞原子 能量對(duì)體系達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的缺陷數(shù)目影響不大。關(guān)鍵詞：分子動(dòng)力學(xué)、bcc-Fe、初級(jí)碰撞原子、缺陷引言隨著社會(huì)的飛速發(fā)展，能源的需求量逐漸增加，但地球上的能源已經(jīng)出現(xiàn)了 短缺現(xiàn)象，以及生態(tài)破壞、環(huán)境污染等問題的出現(xiàn)，開發(fā)新能源已成為新的發(fā)展 趨勢(shì)，而新能源高利用率尤為重要。核能的開發(fā)以及利用已經(jīng)引起了世界各國(guó)專 家的關(guān)注，尤其是處在惡劣環(huán)境下的材料所受到的影響，所以材料的抗輻照性能

3、決定了聚變堆的使用壽命。在高溫高壓等惡劣的輻照環(huán)境下，選用抗輻照、使用壽命長(zhǎng)的材料尤為重要， A508-III是國(guó)產(chǎn)反應(yīng)堆容器用鋼，具有抗脆化性1。輻照脆化能夠減少材料的使 用壽命，影響脆化程度的因素有很多，如溫度、材料中參雜雜質(zhì)等。近年來，對(duì) 于輻照材料的研究得到了廣泛地發(fā)展。王2等人研究了空位濃度對(duì)bcc-Fe輻照損 傷的影響；馬3等人用分子動(dòng)力學(xué)模擬了 3C-SiC輻照誘發(fā)缺陷的演化。本文利用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，基于LAMMPS軟件進(jìn)行模擬，研究了不同能 量的初級(jí)碰撞原子對(duì)bcc-Fe材料缺陷數(shù)量的影響，從而得到初級(jí)碰撞原子能量與 缺陷數(shù)量之間的關(guān)系。輻照損傷簡(jiǎn)介點(diǎn)陣原子在受到具有能量的

4、粒子撞擊時(shí)，核反應(yīng)將產(chǎn)生嬗變?cè)?，所產(chǎn)生的 缺陷和嬗變?cè)貢?huì)引起材料宏觀物理性質(zhì)的變化，這種改變叫做輻照效應(yīng)。輻照 效應(yīng)包括兩個(gè)方面，輻照損傷和輻照改性。輻照損傷是粒子撞擊材料產(chǎn)生的缺陷 使材料性能發(fā)生改變。在粒子撞擊材料到材料達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的過程中，可分為兩 個(gè)階段：1.初級(jí)過程：具有能量的粒子撞擊材料時(shí)，入射原子會(huì)與材料原子產(chǎn)生 彈性碰撞，入射原子會(huì)把其中一部分能量傳遞給被撞擊的材料原子。這些被撞擊 的材料原子叫做初級(jí)碰撞原子，簡(jiǎn)PKA（primary knock-on atom）。如圖1所示。如 果材料原子被帶有能量的入射粒子擊出，則被擊出的材料原子叫做初級(jí)離位原子。 2.次級(jí)過程：帶有能

5、量的初級(jí)離位原子可以使其他材料原子離位，從而形成耳機(jī) 碰撞原子，而帶有能量的耳機(jī)碰撞原子又可以使三級(jí)離位原子擊出，如此延續(xù)， 就形成了級(jí)聯(lián)碰撞過程。模型及模擬方法本文利用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬bcc-Fe在不同初級(jí)能量原子的碰撞下產(chǎn)生位移 級(jí)聯(lián)過程，并運(yùn)用可視化軟件OVITO4直接觀察其演化過程。本文采用F-S勢(shì)函 數(shù)5，對(duì)bcc-Fe在三維方向上進(jìn)行堆垛，能量為700ev和1Kev模擬空間為 25a0 x25a0 x25a0, 2Kev 模擬空間為 40a0 x40a0 x40a0 其中 a0=0.287nm 為晶格常數(shù)， 初級(jí)碰撞原子向Z軸負(fù)方向進(jìn)行碰撞，采用周期性邊界條件，模擬體系溫度為 3

6、00k，時(shí)間步長(zhǎng)選取1fs，初級(jí)碰撞原子能量分別選為700eV，1KeV，2KeV，分 別對(duì)三個(gè)模型進(jìn)行模擬，采用npt系綜對(duì)體系進(jìn)行弛豫，使得體系達(dá)到平衡狀態(tài)。模擬結(jié)果與討論3.1初級(jí)碰撞原子能量為700eV在體系模型已經(jīng)建立完全之后，對(duì)體系進(jìn)行能量最小化弛豫，使體系達(dá)到穩(wěn) 定狀態(tài)，圖2和圖3分別表示當(dāng)初始碰撞原子能量為700ev時(shí)，體系溫度為300k 時(shí)初始平衡狀態(tài)，各個(gè)原子會(huì)在其平衡位置振動(dòng)，不會(huì)脫離其平衡位置。當(dāng)給定 初級(jí)碰撞原子700ev能量時(shí)，體系會(huì)發(fā)生位移級(jí)聯(lián)現(xiàn)象而產(chǎn)生間隙原子和空位， 圖4表示體系在整個(gè)位移級(jí)聯(lián)過程中，產(chǎn)生最大的空位和間隙原子時(shí)的狀態(tài)，從 圖中可以看出存在許多間

7、隙原子，通過可視化軟件OVITO中W-S缺陷分析的到最 大缺陷數(shù)目為45個(gè)；隨著時(shí)間的推移，體系在退火過程中缺陷數(shù)量減小，逐漸 趨于穩(wěn)定狀態(tài)，圖5表示體系退火過程中最終所達(dá)到的穩(wěn)定狀態(tài)，其空位數(shù)和間 隙原子數(shù)均為3個(gè)。最終狀態(tài)的缺陷數(shù)目要比最大缺陷數(shù)目小得多。圖3初級(jí)碰撞原子能量為700ev，初始平衡狀態(tài)三維立體圖圖5初級(jí)碰撞原子能量為700ev，體系趨于穩(wěn)定時(shí)x-y平面圖3.2初級(jí)碰撞原子能量為1KeV當(dāng)給定初級(jí)碰撞原子1Kev能量時(shí)，體系會(huì)發(fā)生位移級(jí)聯(lián)現(xiàn)象而產(chǎn)生間隙原子 和空位，圖6表示體系在整個(gè)位移級(jí)聯(lián)過程中，產(chǎn)生最大的空位和間隙原子時(shí)的 狀態(tài)，從圖中可以看出存在許多間隙原子，通過可視化

8、軟件OVITO中W-S缺陷分 析的到最大缺陷數(shù)目為75個(gè)；隨著時(shí)間的推移，體系在退火過程中缺陷數(shù)量減 小，逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，圖7表示體系退火過程中最終所達(dá)到的穩(wěn)定狀態(tài)，其空 位數(shù)和間隙原子數(shù)均為5個(gè)。最終狀態(tài)的缺陷數(shù)目要比最大缺陷數(shù)目小得多。通 過比較初級(jí)碰撞原子能量為700ev和1Kev時(shí)，產(chǎn)生最大缺陷數(shù)目相差較大，說 明初級(jí)碰撞原子能量對(duì)其影響較大，比較最終狀態(tài)缺陷數(shù)目，說明初級(jí)碰撞原子 能量對(duì)其影響不大。圖6初級(jí)碰撞原子能量為1Kev，缺陷最大時(shí)x-y平面圖圖7初級(jí)碰撞原子能量為1000ev，體系趨于穩(wěn)定時(shí)x-y平面圖3.3初級(jí)碰撞原子能量為2Kev由于初級(jí)碰撞原子能量較大，此模型采用4

9、0a0 x40a0 x40a0，在體系模型已經(jīng) 建立完全之后，對(duì)體系進(jìn)行能量最小化弛豫，使體系達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，圖8和圖9 分別表示當(dāng)初始碰撞原子能量為2Kev時(shí)，體系溫度為300k時(shí)初始平衡狀態(tài)，此 時(shí)，各個(gè)原子會(huì)在其平衡位置振動(dòng)，不會(huì)脫離其平衡位置。當(dāng)給定初級(jí)碰撞原子 1Kev能量時(shí)，體系會(huì)發(fā)生位移級(jí)聯(lián)現(xiàn)象而產(chǎn)生間隙原子和空位，圖10表示體系 在整個(gè)位移級(jí)聯(lián)過程中，產(chǎn)生最大的空位和間隙原子時(shí)的狀態(tài)，從圖中可以看出 存在許多間隙原子，通過可視化軟件OVITO中W-S缺陷分析的到最大缺陷數(shù)目為 155 個(gè)；隨著時(shí)間的推移，體系在退火過程中缺陷數(shù)量減小，逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)， 圖11表示體系退火過程中最

10、終所達(dá)到的穩(wěn)定狀態(tài)，其空位數(shù)和間隙原子數(shù)均為9 個(gè)。最終狀態(tài)的缺陷數(shù)目要比最大缺陷數(shù)目小得多。通過比較初級(jí)碰撞原子能量 為700ev、1Kev、2Kev時(shí)，產(chǎn)生最大缺陷數(shù)目相差較大，說明初級(jí)碰撞原子能量 對(duì)其影響較大，比較最終狀態(tài)缺陷數(shù)目，說明初級(jí)碰撞原子能量對(duì)其影響不大。圖9初級(jí)碰撞原子能量為2kev，初始平衡狀態(tài)三維立體圖圖11初級(jí)碰撞原子能量為2kev，體系趨于穩(wěn)定時(shí)x-y平面圖結(jié)論bcc-fe在受到輻照損傷時(shí)，能夠產(chǎn)生位移級(jí)聯(lián)從而使體系產(chǎn)生缺陷(空位、間 隙原子)。用過對(duì)體系進(jìn)行模擬研究，在溫度為300k，初級(jí)碰撞原子能量為 700ev時(shí)，利用W-S缺陷分析法得到最大缺陷數(shù)目為45個(gè)，

11、最終缺陷數(shù)目為3 個(gè)。初級(jí)碰撞原子能量為1Kev時(shí)，利用W-S缺陷分析法得到最大缺陷數(shù)目為75 個(gè)，最終缺陷數(shù)目為5個(gè)。初級(jí)碰撞原子能量為2Kev時(shí)，利用W-S缺陷分析法 得到最大缺陷數(shù)目為155個(gè)，最終缺陷數(shù)目為9個(gè)。通過比較以上數(shù)據(jù)得出，最 大缺陷數(shù)目相差較大，說明初級(jí)碰撞原子能量對(duì)其影響較大，且隨著初級(jí)碰撞原 子能量的增加，最大缺陷數(shù)目逐漸增大；比較最終狀態(tài)缺陷數(shù)目，說明初級(jí)碰撞 原子能量對(duì)其影響不大。參考文獻(xiàn)李承亮，張明乾.壓水堆核電站反應(yīng)堆壓力容器材料概述J.材料導(dǎo)報(bào),2008,22(9):65-68.王建偉，尚新春，呂國(guó)才.bcc-Fe空位濃度對(duì)輻照損傷影響的分子動(dòng)力學(xué)模擬J.材 料工程,2011(10):15-18.馬小強(qiáng)，袁大慶,夏海鴻，等.3C-SiC輻照誘發(fā)缺陷演化及溫度效應(yīng)分子動(dòng)力學(xué)模擬 J.原子能科學(xué)技術(shù),2016,50(2) :219-226.Stukowski A. Visualization and analysis of atomisticsimulation data with OVITO- the Open Visualization ToolJ