Fe-Cr合金晶界辐照损伤机理与自愈机制的多尺度模拟研究

The segregation of Cr and the presence of nanoscale Cr-rich precipitates in the grain boundary region leads to the embrittlement of high-Cr ferritic-martensitic steels which are the most attractive fusion reactor structural materials. The segregation conditions and spatial size distribution of Cr-rich phase at grain boundaries during the irradiation process and the radiation damage and self-healing mechanism of the system are not clear. This project proposes an idea of developing the multi-scale modeling code to understand and quantify the kinetics and mechanisms of microstructure and property evolution at grain boundaries in Fe-Cr alloy under irradiation environment. The main researches are as follows : (1) Develop or improve an interatomic potential for molecular dynamics (MD) and Monte Carlo (MC) codes by combining the conjugate gradient least-squares minimization algorithm and MD method. (2) Develop and optimize the MD and MC simulation codes, which was aimed at modeling the kinetics and mechanisms of microstructure and property evolution at grain boundaries in Fe-Cr alloy under irradiation environment. (3) Investigate the radiation damage and self-healing mechanism and the processes of the defects and Cr under the prolong displacement cascades using the combination of first-principles method, molecular dynamics method and Monte Carlo method. The research will propose a new integrated simulation platform to understand and quantify the kinetics and mechanisms of microstructure and property evolution at grain boundaries in Fe-Cr alloy under irradiation environment. Therefore, provide theoretical guide line of designing radiation-tolerant materials for fusion reactor application.

晶界区域Cr的偏析和纳米级富Cr沉淀相的出现，会导致聚变堆结构材料高Cr马氏体钢的脆化。中子辐照过程中，晶界处富Cr相的析出条件和空间尺寸分布情况，以及辐照损伤机理和自愈机制及其多因素影响规律尚不明确。针对该系列问题，本项目拟开发能准确预测Fe-Cr晶界聚变堆服役性能的第一性原理、分子动力学和蒙特卡洛集成的多尺度模拟平台。首先，以第一性原理计算数据和实验数据为参考，结合最小二乘法和分子动力学方法，构建显著改进的适用于Fe-Cr晶界辐照损伤模拟的势函数。然后，开发以研究辐照损伤为目标的分子动力学和蒙特卡洛集成的模拟平台。最后，采用该多尺度模拟平台，研究持续级联碰撞下体系结构、缺陷和Cr的动力学演化过程，再结合第一性原理计算结果，分析获得其辐照损伤机理、自愈机制及其多因素耦合影响规律。本项目的研究成果，将有效预测Fe-Cr晶界在聚变堆服役过程中的性能演变规律，为聚变堆结构材料设计奠定理论基础。

晶界区域Cr的偏析和纳米级富Cr沉淀相的出现，会导致聚变堆结构材料高Cr马氏体钢的脆化。中子辐照过程中，晶界处富Cr相的析出条件和空间尺寸分布情况，以及辐照损伤机理和自愈机制及其多因素影响规律尚不明确。针对该问题，本项目开发了能准确模拟Fe-Cr晶界体系结构及性质的分子动力学程序，通过直接引入空位的方式模拟辐照引发的空位缺陷，探讨了Fe-Cr的Σ3 <110> {112}晶界中，Cr浓度、温度和空位浓度对结构、缺陷和Cr的动力学演化过程的影响关系，以及晶界、空位机制和多因素耦合作用对Cr偏析及Cr沉淀形成机制的影响规律。通过研究揭示了Cr向晶界平面的迁移、偏析和富集随着Cr浓度、温度和空位浓度的增加而得到促进。但当超过一定的Cr浓度时，Cr向晶界平面的偏析被抑制，且无空位时，未发现Cr向晶界平面的偏析。早期晶界对空位和Cr粒子的吸收作用其主导作用，在空位机制和晶界双重作用下Cr快速迁移到晶界平面附近原子层中。但空位的迁移和聚集速度较Cr的迁移和聚集速度更快，因此大的空位团会在早期就聚集形成，而在早期Cr只会在空位团附近聚集成小的沉淀。当存在较大空位团时，晶界的作用暂时受到抑制Cr会先向大的空位团迁移聚集，消耗掉空位团中一定数量的空位，达到抑制空位团膨胀的效果。当Cr富集到大的空位团中后，晶界再一次对Cr的偏析和富集起主导作用，在剩余空位促进下Cr继续向晶界平面附近偏析聚集。因而在Fe中加入适量的Cr能有效提升材料的抗辐照损伤性能。本项目的研究，获得了Fe-CrΣ3 <110> {112}晶界空位引发的辐照损伤机理、自愈机制及其多因素耦合影响规律。模拟结果将用以解释和指导实验研究，为预测Fe-Cr晶界在聚变堆服役过程中的性能演变规律，为应用晶界工程设计聚变堆结构材料奠定理论基础。