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Electronic effects on radiation damage inα-iron:A molecular dynamics study

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Chinese Physics B 2024年第3期33卷 521-529页

作者：江林李敏付宝勤崔节超侯氢 Key Laboratory for Radiation Physics and Technology Institute of Nuclear Science and TechnologySichuan UniversityChengdu 610064China

Iron(Fe)-based alloys,which have been widely used as structural materials in nuclear reactors,can significantly change their microstructure properties and macroscopic properties under high flux neutron irradiation during operation,thus,the problems associated with the safe operation of nuclear reactors have been put forward naturally.In this work,a molecular dynamics simulation approach combined with electronic effects is developed for investigating the primary radiation damage process inα-Fe.Specifically,the influence of electronic effects on the collision cascade in Fe is systematically evaluated based on two commonly used interatomic potentials for Fe.The simulation results reveal that both electronic stopping(ES)and electron-phonon coupling(EPC)can contribute to the decrease of the number of defects in the thermal spike phase.The application of ES reduces the number of residual defects after the cascade evolution,whereas EPC has a reverse effect.The introduction of electronic effects promotes the formation of the dispersive subcascade:ES significantly changes the geometry of the damaged region in the thermal spike phase,whereas EPC mainly reduces the extent of the damaged region.Furthermore,the incorporation of electronic effects effectively mitigates discrepancies in simulation outcomes when using different interatomic potentials.

关键词： radiation damage electronic effects molecular dynamics simulation α-iron

碳化硅中点缺陷对热传导性能影响的分子动力学研究

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物理学报 2022年第3期71卷 243-249页

作者：王甫周毅高士鑫段振刚孙志鹏汪俊邹宇付宝勤四川大学原子核科学技术研究所辐射物理及技术教育部重点实验室成都610064 中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室成都610200

碳化硅(SiC)由于性能优异,已广泛应用于核技术领域.在辐照环境下,载能入射粒子可使材料中的原子偏离晶体格点位置,进而产生过饱和的空位、间隙原子、错位原子等点缺陷,这些缺陷将改变材料的热物性能,劣化材料的服役性能.因此,本文利用... 详细信息

碳化硅(SiC)由于性能优异,已广泛应用于核技术领域.在辐照环境下,载能入射粒子可使材料中的原子偏离晶体格点位置,进而产生过饱和的空位、间隙原子、错位原子等点缺陷,这些缺陷将改变材料的热物性能,劣化材料的服役性能.因此,本文利用平衡分子动力学方法(Green-Kubo方法)采用Tersoff型势函数研究了点缺陷对立方碳化硅(β-SiC或3C-SiC)热传导性能的影响规律.研究过程中考虑的点缺陷包括:Si间隙原子(Si_(I))、Si空位(Si_(V))、Si错位原子(Si_(C))、C间隙原子(C_(I))、C空位(C_(V))和C错位原子(C_(Si)).研究结果表明,热导率(λ)随点缺陷浓度(c)的增加而减小.在研究的点缺陷浓度范围(点缺陷与格点的比例范围为0.2%-1.6%),额外热阻率(ΔR=R_(defect)–R_(perfect),R=1/λ,R_(defect)为含缺陷材料的热阻率,R_(perfect)为不含缺陷材料的热阻率)与点缺陷的浓度呈线性关系,其斜率为热阻率系数.研究表明:空位和间隙原子的热阻率系数高于错位原子的热阻率系数;高温下点缺陷的热阻率系数高于低温下点缺陷的热阻率系数;Si空位和Si间隙原子的热阻率系数高于C空位和C间隙原子的热阻率系数.这些结果有助于预测及调控辐照条件下碳化硅的热传导性能.

关键词：碳化硅热导率分子动力学点缺陷

多向压缩中AZ31镁合金变形行为的EBSD跟踪研究

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金属学报 2013年第8期49卷 932-938页

作者：黄洪涛 Godfrey Andrew 刘伟付宝勤刘庆清华大学材料学院先进材料教育部重点实验室北京100084 重庆大学材料科学与工程学院重庆400044

利用显微硬度点法结合电子背散射衍射(EBSD)技术,跟踪研究了多向压缩路径下AZ31镁合金的变形行为.采用先沿板材横向(TD)压缩然后沿板材法向(ND)进行压缩的应变路径.结果表明,绝大多数晶粒TD压缩变形中主要以{1012}拉伸孪生为主,ND压缩... 详细信息

利用显微硬度点法结合电子背散射衍射(EBSD)技术,跟踪研究了多向压缩路径下AZ31镁合金的变形行为.采用先沿板材横向(TD)压缩然后沿板材法向(ND)进行压缩的应变路径.结果表明,绝大多数晶粒TD压缩变形中主要以{1012}拉伸孪生为主,ND压缩变形过程中主要以退孪生为主,少数晶粒变形行为不同的原因是由于其初始取向偏离基面织构太大.在ND压缩变形中发生退孪生行为的晶粒内,没有发现新的孪生变体出现,表明退孪生比激活一个新的孪生变体要容易.剩余孪晶面积分数减少到0时,ND压缩变形中的局部区域应变小于TD压缩变形.表明完全退孪生所需应变比孪生小.

关键词： AZ31镁合金拉伸孪生退孪生局部区域应变 EBSD跟踪研究

基于固体与分子经验电子理论的表面能分析及计算

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基于固体与分子经验电子理论的表面能分析及计算

作者：付宝勤北京化工大学

学位级别：硕士

表面科学在固体科学中占有重要的地位。表面能是表面科学中最基本的物理量之一,其对许多物理过程和化学过程有重要的影响。然而固体的表面能在实验上是较难测定的,并且目前一些基于第一原理或半经验方法的表面能理论模拟方法还有待进一... 详细信息

表面科学在固体科学中占有重要的地位。表面能是表面科学中最基本的物理量之一,其对许多物理过程和化学过程有重要的影响。然而固体的表面能在实验上是较难测定的,并且目前一些基于第一原理或半经验方法的表面能理论模拟方法还有待进一步的改进。本文基于固体与分子经验电子理论(EET)和表面科学的基本原理,提出了经验电子表面模型(EESM)。该模型主要内容包括以下五点：(1)用于分析共价电子对表面能贡献的断键分析法(DBAM);(2)用于分析晶格电子对表面能贡献的Zp值法;(3)对不同指数表面的表面能有较大影响的断键共价电子密度;(4)描述表面区域原子杂化状态的表面价电子结构(SVES);和(5)计算SVES的镜面键距差法(MBLD)。本文根据EESM计算了12种密排六方(hcp)金属、13种体心立方(bcc)金属、12种面心立方(fcc)金属、4种金刚石型晶体和19种闪锌矿型化合物相关表面的表面能。在一级近似下,本文的计算值与文献中相应的模拟值或实验值符合得很好,用同一方法在诸多场合下都取得了令人满意的结果,表明本文的方法有较高的可信度,其结果可作为实验分析与理论分析的参照。通过对碱金属和碱土金属表面能的计算分析,给出了分析晶格电子对表面能贡献的方法。对于hcp.bcc和fcc结构,晶格电子对表面能的贡献与相应区域原子的晶格电子对结合能贡献之比(Zp)已计算出,这些数据可以直接用于同种结构不同晶体的表面能分析计算中。本文还分析了这些结构表面能的各向异性。对于hcp金属,表面能的大小次序与晶胞参数比(a/c)有关,且随着a/c的增大,(001)晶面的表面能逐渐降低,因而易成为稳定的自由外表面。对于bcc金属,原子密排(110)晶面的表面能最低,而fcc金属中最密排面是(111)晶面,其表面能也是最低的。对于金刚石型晶体和闪锌矿型化合物,低指数表面能的大小次序为(001)、(110)、(111),因而最可能的自由外表面常是(111)晶面。另外还对这两类结构中高指数(hk0)型和(hhl)型晶面的表面能的各向异性进行了分析讨论。本文还计算了一些晶面的断键共价电子密度,发现其对各晶面的表面能及其各向异性有重要的影响。另外本文分析发现晶格电子对表面能各向异性也有重要的影响。因而共价电子和晶格电子共同决定了各晶面表面能的大小次序。本文通过MBLD对银的SVES进行分析计算,发现表面价电子结构可能成为该模型对表面弛豫甚至表面重构进行分析的有效工具。这也是该模型改进和发展的方向。

关键词：表面能经验电子理论断键分析各向异性晶格电子表面价电子结构

钨中溶质原子铬与空位的相互作用的第一性原理计算研究

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稀有金属材料与工程 2020年第8期49卷 2691-2696页

作者：何梓荐黄雪飞乐国敏付宝勤四川大学原子核科学技术研究所辐射物理及技术教育部重点实验室四川成都610064 四川大学材料科学与工程学院四川成都610065 中国工程物理研究院四川绵阳621908

基于第一性原理方法,对W-Cr合金的溶质原子Cr占位、Cr与空位的相互作用及Cr含量对其影响规律进行了计算研究。发现相比于间隙位置,原子Cr更易占据置换位置,W中溶质Cr有偏聚的趋势;在辐照环境下,空位和自间隙原子均易与溶质原子Cr相结合... 详细信息

基于第一性原理方法,对W-Cr合金的溶质原子Cr占位、Cr与空位的相互作用及Cr含量对其影响规律进行了计算研究。发现相比于间隙位置,原子Cr更易占据置换位置,W中溶质Cr有偏聚的趋势;在辐照环境下,空位和自间隙原子均易与溶质原子Cr相结合,易加速W中富Cr相的析出;随Cr含量的增加,体系的形成能线性增加,因而结构越不稳定。研究还发现超胞中单原子Cr的第2近邻空位的形成能最低,且低于W的本征空位形成能,因而溶质Cr与空位之间存在微弱的吸引;对于同一Cr含量,不同构型的空位形成能及空位和Cr的结合能均不同,且Cr含量越高,数值越分散;随着Cr含量的增加,平均空位形成能及空位与Cr的平均结合能均略有下降,因而溶质原子Cr附近空位更易形成,空位浓度更高,同样也表明溶质Cr与空位有微弱的吸引。这些结论将有助于深入理解W中溶质元素存在条件下辐照缺陷演化过程的微观物理机制。

关键词：第一性原理钨-铬合金空位缺陷

锆铌合金的特殊准随机结构模型的分子动力学研究

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物理学报 2021年第3期70卷 91-98页

作者：周明锦侯氢潘荣剑吴璐付宝勤四川大学原子核科学技术研究所辐射物理及技术教育部重点实验室成都610064 中国核动力研究设计院第一研究所成都610005

锆合金(如:锆铌(Zr-Nb)合金)的辐照损伤问题是裂变堆结构材料和燃料棒包壳材料设计的关键,而深入理解辐照损伤的物理机制,往往需借助于原子尺度的计算模拟,如:分子动力学和第一性原理等.针对随机置换固溶体合金的模拟,首先需构建能反映... 详细信息

锆合金(如:锆铌(Zr-Nb)合金)的辐照损伤问题是裂变堆结构材料和燃料棒包壳材料设计的关键,而深入理解辐照损伤的物理机制,往往需借助于原子尺度的计算模拟,如:分子动力学和第一性原理等.针对随机置换固溶体合金的模拟,首先需构建能反映合金元素随机分布特征的大尺寸超胞,然而第一性原理计算量大,不宜使用过大(如≥200原子)超胞.通常第一性原理计算使用的是特殊准随机(SQS)超胞,SQS超胞可部分反映合金元素的随机分布特性,但对于特定组分只对应一种构型,这种模型是否能反映真实随机置换固溶体中多种局域构型的统计平均还有待进一步研究验证.分子动力学可在更大的尺度上进行计算模拟,能够通过随机取代(RSS)模型研究更多的合金构型,因此,本文基于RSS超胞模型及SQS扩展超胞模型,运用分子动力学方法对Zr-Nb合金进行了研究.首先通过构型误差分析确定了能真实反映固溶体合金性能统计性的RSS超胞的临界尺寸;然后计算比较了Zr-Nb合金SQS扩展超胞和一系列RSS超胞的晶格常数、形成能和能量—体积关系.研究表明,利用SQS超胞模拟得到的固溶体的晶格常数、形成能和能量体积曲线与一系列RSS超胞的对应统计值接近,因而SQS超胞可用于研究随机置换固溶体合金.

关键词：锆铌合金分子动力学 SQS模型临界超胞

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钨空位捕获氢及其解离过程的分子动力学

物理学报 2019年第24期68卷 38-45页

作者：付宝勤侯氢汪俊丘明杰崔节超四川大学原子核科学技术研究所辐射物理及技术教育部重点实验室

氢(H)同位素滞留问题是聚变堆第一壁材料设计的关键,而深入理解H在缺陷(如空位)处的非均匀形核长大过程有助于揭示H起泡及滞留的机制.针对第一壁材料钨(W)中空位捕获H及其解离的动力学过程开展研究,通过耦合捕获和解离两过程,构建新物... 详细信息

氢(H)同位素滞留问题是聚变堆第一壁材料设计的关键,而深入理解H在缺陷(如空位)处的非均匀形核长大过程有助于揭示H起泡及滞留的机制.针对第一壁材料钨(W)中空位捕获H及其解离的动力学过程开展研究,通过耦合捕获和解离两过程,构建新物理模型,避免了原单一过程的物理模型需准确记录相应事件首次发生时间的不足,另外新模型可同时提取解离系数和有效捕获半径等动力学参数.通过分子动力学模拟发现新模型能较好地描述W中空位-H复合体对H捕获和解离的动力学过程,根据空位-H复合体随时间的演化曲线,提取了有效捕获半径和解离系数等动力学参数.一方面能为动力学蒙特卡罗和速率理论等长时空尺度方法提供输入参数,另一方面促进了分子动力学的发展,进而实现了以较低计算资源获得更可靠的计算结果.

关键词：捕获半径解离系数分子动力学空位

Temperature dependence of migration features of self-interstitials in zirconium

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Chinese Physics B 2017年第12期26卷 94-101页

作者：钟睿侯氢马超琼付宝勤汪俊 Key Laboratory for Radiation Physics and Technology Ministry of Education Institute of Nuclear Science and Technology Sichuan University Chengdu 610064 China

Molecular dynamics simulations are conducted to study self-interstitial migration in zirconium. By defining crystal lattice points where more than one atom is present in corresponding Wigner-Seitz cells, as the locations of self-interstitial atoms （LSIAs）, three types of events are identified as LSIA migrations：the jump remaining in one 〈1120〉 direction （ILJ）, the jump from one 〈1120〉 to another 〈1120〉 direction in the same basal plane （OLJ）, and the jump from one basal plane to an adjacent basal plane （OPJ）. The occurrence frequencies of the three types are calculated. ILJ is found to be a dominant event in a temperature range from 300 K to 1200 K, but the occurrence frequencies of OLJ and OPJ increase with temperature increasing. The total occurrence frequency of all jump types has a good linear dependence on temperature. Moreover, the migration trajectories of LSIAs in the hcp basal-plane is not what is observed if only conventional one-or two-dimensional migrations exists; rather, they exhibit the feature that we call fraction-dimensional. Using Monte Carlo simulations, the potential kinetic effects of fraction-dimensional migration, which is measured by the average number of lattice sites visited per jump event （denoted by nSPE）, are analysed. The significant differences between the nSPE value of the fraction-dimensional migration and those of conventional one-and two-dimensional migrations suggest that the conventional diffusion coefficient cannot give an accurate description of the underlying kinetics of SIAs in Zr. This conclusion could be generally meaningful for the cases where the low-dimensional migration of defects are observed.

关键词： molecular dynamics self-interstitial of zirconium anisotropic migration multiscale simulations

Study of lattice thermal conductivity of alpha-zirconium by molecular dynamics simulation

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Chinese Physics B 2013年第7期22卷 400-405页

作者：武天宇赖文生付宝勤 Laboratory of Advanced Materials Department of Material Science and EngineeringTsinghua University

The non-equilibrium molecular dynamics method is adapted to calculate the phonon thermal conductivity of alphazirconium. By exchanging velocities of atoms in different regions, the stable heat flux and the temperature gradient are established to calculate the thermal conductivity. The phonon thermal conductivities under different conditions, such as different heat exchange frequencies, different temperatures, different crystallographic orientations, and crossing grain boundary （GB）, are studied in detail with considering the finite size effect. It turns out that the phonon thermal conductivity decreases with the increase of temperature, and displays anisotropies along different crystallographic orientations. The phonon thermal conductivity in [0001] direction （close-packed plane） is largest, while the values in other two directions of [2īī0] and [01ī0] are relatively close. In the region near GB, there is a sharp temperature drop, and the phonon thermal conductivity is about one-tenth of that of the single crystal at 550 K, suggesting that the GB may act as a thermal barrier in the crystal.

关键词： alpha-zirconium lattice thermal conductivity molecular dynamics simulation