Расчет пороговых энергий смещения в коррозионностойких аустенитных сталях

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Методом молекулярной динамики (МД) смоделировано первичное дефектообразование в ГЦК-модельном сплаве на основе Fe–Cr–Ni, химический состав которого совпадает с концентрацией трех основных компонентов в коррозионностойких аустенитных сталях типа Х18Н10. Сгенерированная выборка, включающая в себя 12 960 событий образования радиационных дефектов, инициированных первично-выбитыми атомами (ПВА) Fe, Cr и Ni с энергиями 100 эВ ≤EPKA≤ 5 кэВ вдоль пятнадцати неэквивалентных кристаллографических направлений, использована для расчета средних пороговых энергий смещения. Показано, что в исследуемом материале средние пороговые энергии смещения атомов Fe, Cr и Ni совпадают и равны ⟨Ed⟩=28±1 эВ. Полученные данные МД-моделирования использованы для построения зависимости Ed от EPKA, которая распадается на два линейных фрагмента, определяемых механизмом дефектообразования. Определили значение Ecc≈0.8 кэВ, при котором образование изолированных точечных дефектов при низких энергиях ПВА  EPKA≤Ecc сменяется дефектообразованием в каскадах столкновений, инициируемых ПВА с энергиями EPKA≥Ecc. На основании полученных результатов МД-моделирования модифицировали каскадную функцию в модели Кинчина–Пиза, чтобы учесть зависимость пороговых энергий смещения Ed от энергии EPKA.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Р. Е. Воскобойников

Национальный исследовательский ядерный университет “МИФИ”; Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”

Автор, ответственный за переписку.
Email: roman.voskoboynikov@gmail.com
Россия, Москва, 115409; Москва, 123182

Список литературы

  1. Was G.S., Averback R.S. 6.07–Radiation Damage Using Ion Beams, in Konings R.J.M. Eds. Comprehensive Nuclear Materials. Elsevier. 2012. V. 6. P. 195–226.
  2. Allen T., Busby J., Meyer M., Petti D. Materials challenges for nuclear systems // Materials Today. 2010. V. 13. № 12. P. 14–23.
  3. Zinkle S.J., Was G.S. Materials challenges in nuclear energy // Acta Mater. 2013. V. 66. № 3. P. 735–758.
  4. Development of Radiation Resistant Reactor Core Structural Materials, IAEA Scientific Forum 2007 Global Challenges and the Development of Atomic Energy: The Next 25 Years. [Электронный ресурс] https://www.iaea.org/About/Policy/GC/GC51/GC51InfDocuments/English/gc51inf-3-att7_en.pdf (дата обращения: 25.02.2024).
  5. Cai W., Li J., Uberuaga B.P., Yip S. 1.18 – Molecular Dynamics, in Konings R.J.M. Eds. Comprehensive Nuclear Materials (Second Edition). Elsevier. 2020. V. 1. P. 573–594.
  6. Nordlund K. Historical review of computer simulation of radiation effects in materials // J. Nucl. Mater. 2019. V. 520. P. 273–295.
  7. Nordlund K., Zinkle S.J., Sand A.E., Granberg F., Averback R.S., Stoller R.E., Suzudo T., Malerba L., Banhart F., Weber W.J., Willaime F., Dudarev S.L., Simeone D. Primary radiation damage: A review of current understanding and models // J. Nucl. Mater. 2018. V. 512. P. 450–479.
  8. Ziegler J.F., Biersack J.P. The Stopping and Range of Ions in Matter / in: Bromley D.A. Eds Treatise on Heavy-Ion Science. 1985. Springer, Boston, MA. P. 93–129.
  9. Ziegler J.F., Biersack J., Littmark U. The Stopping and Range of Ions in Matter 1st ed. Pergamon Press. 1985. 321 p.
  10. Ziegler J.F. SRIM-2003 // Nucl. Inst. Meth. Phys. Res. B. 2004. V. 219–220. P. 1027–1036.
  11. Ziegler J.F., Biersack J.P., Ziegler M.D. SRIM–The Stopping Range of Ions in Matter // SRIM Co. 2008. 405 p.
  12. Ziegler J.F., Ziegler M.D., Biersack J.P. SRIM – The stopping and range of ions in matter // Nucl. Inst. Meth. Phys. Res. B. 2010. V. 268. P. 1818–1823.
  13. Дистрибутив SRIM-2013 [Электронный ресурс] http://www.srim.org/SRIM/SRIM-2013-Std.e (дата обращения: 25.02.2024).
  14. Norgett L.K., Robinson M.T., Torrens I.M. A proposed method for calculating displacement dose rates // Nucl. Eng. Design. 1975. V. 33. P. 50–54.
  15. Voskoboinikov R. Optimal sampling of MD simulations of primary damage formation in collision cascades // Nucl. Inst. Meth. Phys. Res. B. 2020. V. 479. P. 18–22.
  16. Vladimirov P.V., Borodin V.A. First-principles and classical molecular dynamics study of threshold displacement energy in beryllium // Nucl. Inst. Meth. Phys. Res. B. 2017. V. 393. P. 195–199.
  17. Stoller R.E., Tamm A., Béland L.K., Samolyuk G.D., Stocks G.M., Caro A., Slipchenko L.V., Osetsky Yu. N., Aabloo A., Klintenberg M., Wang Y. Impact of Short-Range Forces on Defect Production from High-Energy Collisions // J. Chem. Theory Comput. 2016. V. 12:6. P. 2871–2879.
  18. Daw M.S., Baskes M.I. Embedded-atom method: Derivation and application to impurities, surfaces, and other defects in metals // Phys. Rev. B. 1984. V. 29. P. 6443–6453.
  19. Allen M.P., Tildesley D.J. Computer Simulation of Liquids. Clarendon, Oxford. 1987. 408 p.
  20. Lindemann F.A. The calculation of molecular vibration frequencies // Zeitschrift für Physik. 1910. V. 16. P. 609–612.
  21. Nordlund K., Averback R.S. Point defect movement and annealing in collision cascades// Phys. Rev. B. 1997. V. 56. № 5. P. 2421–2436.
  22. Wigner-Seitz defect analysis [Электронный ресурс] https://www.ovito.org/docs/current/reference/pipelines/modifiers/wigner_seitz_analysis.html (дата обращения: 25.02.2024).
  23. Voskoboinikov R.E., Osetsky Yu.N., Bacon D.J. Computer simulation of primary damage creation in displacement cascades in copper. I. Defect creation and cluster statistics // J. Nucl. Mater. 2008. V. 377. P. 385–395.
  24. Kinchin G.H., Pease R.S. The Displacement of Atoms in Solids by Radiation // Rep. Prog. Phys. 1955. V. 18. P. 1–51.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Изменение температуры Максвелла T, шага интегрирования по времени τ, числа смещенных атомов NL и числа пар Френкеля NFP в процессе эволюции 2 кэВ каскада смещений, инициированного атомом Fe в трехкомпонентном модельном сплаве Fe–Cr–Ni с кристаллической структурой ГЦК.

Скачать (139KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Зависимость средней пороговой энергии смещения ⟨Ed⟩ от EPKA . 95%- доверительный интервал показан планками.

Скачать (112KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Каскад столкновений, инициированный атомом Fe с энергией EPKA = 4 кэВ. Слева показан момент, соответствующий максимальному числу смещенных атомов. Справа приведена окончательная конфигурация точечных дефектов и их кластеров после релаксации каскада столкновений. Черным и белым цветом обозначены соответственно вакансии и смещенные атомы.

Скачать (149KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Упругое рассеяние ПВА Fe c энергией, EPKA = 300 эВ на атомах трехкомпонентного неупорядоченного твердого раствора Fe–Ni–Cr. Слева показано образование цепочек последовательных замещающих столкновений. Справа показано окончательное расположение изолированных вакансий и междоузельных атомов после релаксации каскада столкновений. Черным и белым цветом обозначены соответственно вакансии и смещенные атомы.

Скачать (127KB)
Метаданные