初始溫度對(duì)fcc—Cu輻照缺陷數(shù)量的影響

張沛

摘 要：輻照損傷產(chǎn)生位移級(jí)聯(lián)從而導(dǎo)致材料內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生，這種缺陷在宏觀上能夠影響材料的性能，本文利用基于LAMMPS程序的分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，研究不同初始溫度對(duì)fcc-Cu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；本文研究了擁有1000ev能量的初級(jí)碰撞原子，在輻照過程中初始溫度為300K，500K，700K時(shí)的缺陷數(shù)目。初始溫度對(duì)最大缺陷數(shù)產(chǎn)生一定的影響，初始溫度為300K時(shí)，最大缺陷數(shù)（間隙原子數(shù)目=空位數(shù)目）為64個(gè)；初始溫度為500K時(shí)，最大缺陷數(shù)（間隙原子數(shù)目=空位數(shù)目）為80個(gè)；初始溫度為700K時(shí)，最大缺陷數(shù)（間隙原子數(shù)目=空位數(shù)目）為108個(gè)。隨著初始溫度的升高，最大缺陷數(shù)目隨之增加，但初始溫度對(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)；fcc-Cu；初級(jí)碰撞原子；缺陷

中圖分類號(hào)：TG111.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）20-0206-02

當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展與能源的合理利用有著密切的關(guān)系，隨著科技的進(jìn)步以及對(duì)能源的需求量越來越大，雖然新型能源得到了利用，如太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艿?。但是由于轉(zhuǎn)化率的問題，這些能源的利用率并不高。一直以來，化石能源的開采與利用廣泛，但是對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的危害是不可估量的，因此開發(fā)新能源以及有效利用新能源顯得尤為重要。核能既清潔又不污染環(huán)境，且能夠釋放出大量的能量[1]。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決定了聚變堆的使用壽命。

核能主要是指核裂變和核聚變。裂變是指一些原子序數(shù)大的原子（鈾、钚等）在經(jīng)過中子碰撞后發(fā)生裂變，形成序數(shù)較小的原子的過程，同時(shí)會(huì)生成新的中子，且釋放出巨大的能量。

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[2]。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。黃鶴飛[3]等人研究了316奧氏體不銹鋼離子輻照損傷中的溫度效應(yīng)。羅等人[4]研究了不同輻照粒子下鎢及鎢合金輻照損傷行為。

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)fcc-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。

1 輻照損傷簡(jiǎn)介

點(diǎn)陣原子在受到具有能量的粒子撞擊時(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)[1]。在粒子撞擊材料到材料達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的過程中[5]，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)稱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。

輻照中的級(jí)聯(lián)過程是一個(gè)很復(fù)雜的過程。它主要有兩個(gè)特點(diǎn)。第一，級(jí)聯(lián)經(jīng)歷很短的時(shí)間。通過一系列研究，當(dāng)幾十個(gè)甚至幾百個(gè)keV的入射粒子撞擊材料時(shí)，會(huì)發(fā)生皮秒時(shí)間單位的級(jí)聯(lián)過程，這個(gè)時(shí)間與晶格震動(dòng)周期相近。研究表明，入射離子的能量在幾十乃至幾百時(shí)，其級(jí)聯(lián)過程的持續(xù)時(shí)間一般都在皮秒的幾分之一，這個(gè)時(shí)間可以與晶格原子的振動(dòng)周期相比。第二，在碰撞級(jí)聯(lián)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的空位和間隙原子，而這種空位和填隙原子的分布區(qū)域相互分離的現(xiàn)象稱為“離位峰”。當(dāng)運(yùn)動(dòng)中的原子停下來吧能量傳遞給晶格，使點(diǎn)陣振動(dòng)，這樣會(huì)使材料局部溫度升高。

2 模型及模擬方法

分子動(dòng)力學(xué)是利用牛頓定律求解粒子的微觀運(yùn)動(dòng)，從而得到粒子的軌跡。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的研究人員采用分子動(dòng)力學(xué)方法研究材料的輻照損傷。

本文利用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬fcc-Cu在不同初始溫度下產(chǎn)生位移級(jí)聯(lián)過程，并運(yùn)用可視化軟件OVITO[6]直接觀察其演化過程。本文采用eam勢(shì)函數(shù)，對(duì)fcc-Cu在三維方向上進(jìn)行堆垛，a0=3.62nm為晶格常數(shù)，在材料表面選取一個(gè)原子給其1000ev的能量，產(chǎn)生沿Z軸負(fù)方向的速度，采用周期性邊界條件，模擬體系溫度分別設(shè)為300k，500k，700k。時(shí)間步長(zhǎng)選取1fs，分別對(duì)三個(gè)模型進(jìn)行模擬，采用npt系綜進(jìn)行弛豫，使得體系達(dá)到平衡狀態(tài)。

3 模擬結(jié)果與討論

3.1 初始溫度為300k

在體系模型已經(jīng)建立完成之后，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)。體系在初始溫度為300K時(shí)，各個(gè)原子在會(huì)在其平衡位置振動(dòng)，不會(huì)脫離其平衡位置，弛豫過程中會(huì)使體系能量達(dá)到最小而使體系處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)賦給被選定原子1000ev能量時(shí)，體系會(huì)發(fā)生位移級(jí)聯(lián)現(xiàn)象而產(chǎn)生間隙原子及空位，如圖2所示為體系存在最大缺陷數(shù)時(shí)的狀態(tài)圖，從圖中可以明顯看出存在許多間隙原子，通過可視化軟件OVITO中W-S缺陷分析得到最大缺陷數(shù)為64個(gè)，即間隙原子與空位數(shù)都是64。隨著時(shí)間的推移，體系在退火過程中缺陷數(shù)減小，逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，分析得出其缺陷數(shù)為5。最終狀態(tài)的缺陷數(shù)要比最大缺陷數(shù)小得多。

3.2 初始溫度為500k

當(dāng)賦給被選定原子1000ev能量時(shí)，體系會(huì)發(fā)生位移級(jí)聯(lián)現(xiàn)象而產(chǎn)生間隙原子及空位，如圖3所示為體系初始溫度為500K時(shí)，存在最大缺陷數(shù)時(shí)的狀態(tài)圖，從圖3中可以明顯看出存在許多間隙原子。與圖2相比較，初始溫度為500K時(shí)最大缺陷數(shù)較大，通過可視化軟件OVITO中W-S缺陷分析得到最大缺陷數(shù)為80個(gè)，即間隙原子與空位數(shù)都是80個(gè)，比初始溫度為300K時(shí)缺陷數(shù)目多了24個(gè)。隨著時(shí)間的推移，體系在退火過程中缺陷數(shù)減小，逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)體系達(dá)到的最終狀態(tài)，分析得出其缺陷數(shù)為6。通過比較初始溫度為300K與500K時(shí)的最終狀態(tài)缺陷數(shù)目，溫度對(duì)其影響不大。

3.3 初始溫度為700k

當(dāng)賦予選定原子1000eV的能量時(shí)，體系會(huì)發(fā)生位移級(jí)聯(lián)現(xiàn)象而產(chǎn)生間隙原子及空位，如圖4所示為體系初始溫度為700K時(shí)，存在最大缺陷時(shí)的狀態(tài)圖，可以看出其存在的缺陷數(shù)比初始溫度為500K時(shí)的還要高，通過可視化軟件OVITO的W-S缺陷分析可知最大缺陷數(shù)為108個(gè)，比初始溫度為500K時(shí)最大缺陷數(shù)多了28個(gè)。隨后，體系在退火過程中，缺陷數(shù)逐漸減小并趨于穩(wěn)定。經(jīng)分析得出穩(wěn)定狀況的缺陷數(shù)為7個(gè)。通過比較初始溫度300k、500K、700K時(shí)的最終狀態(tài)的缺陷數(shù)目，溫度對(duì)其影響不大。

4 結(jié)語

本文利用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬fcc-Cu在不同初始溫度下產(chǎn)生位移級(jí)聯(lián)過程，并運(yùn)用可視化軟件OVITO[6]直接觀察其演化過程，得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)選定原子被賦予的能量相同，體系溫度越高時(shí)，體系的最大缺陷數(shù)越大。

（2）當(dāng)選定原子被賦予的能量相同，溫度對(duì)體系達(dá)到最終穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的缺陷數(shù)影響不大。

參考文獻(xiàn)

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