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位错动力学方法在辐照损伤力学中的应用

固体力学学报 2020年第6期41卷 513-531页

作者：嵇长秋崔一南柳占立庄茁清华大学航天航空学院应用力学教育部重点实验室北京100084

核能是人类最理想的清洁能源之一,在世界能源结构中发挥着巨大作用.核裂变或核聚变导致的辐照环境会引起材料的辐照损伤,进而显著影响材料的力学性能,造成辐照硬化、脆化、蠕变、肿胀等现象.无论是预测辐照材料的服役寿命,还是设计新型... 详细信息

核能是人类最理想的清洁能源之一,在世界能源结构中发挥着巨大作用.核裂变或核聚变导致的辐照环境会引起材料的辐照损伤,进而显著影响材料的力学性能,造成辐照硬化、脆化、蠕变、肿胀等现象.无论是预测辐照材料的服役寿命,还是设计新型的抗辐照材料,都迫切需要建立强辐照环境下的塑性力学和损伤力学理论.位错动力学方法是联系纳米力学与连续介质力学的桥梁,是揭示大量微结构的累积相互作用机理,建立基于物理机制的塑性力学和损伤力学理论的强有力手段.位错动力学方法起源于上个世纪八十年代,起初主要用于研究位错间的短程和长程相互作用、计算位错运动引起的塑性变形、硬化、软化、变形局部化等.论文将展示三种耦合位错动力学和辐照损伤场的方法,并系统地综述研究者近年来使用该方法在理解辐照硬化、塑性变形局部化、晶界效应、温度效应、和发展多尺度耦合方法等方面取得的进展.

关键词：辐照损伤位错动力学微观机理塑性力学理论

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辐照硬化位错动力学模拟的研究进展

原子能科学技术 2021年第1期55卷 94-107页

作者：吴恺慆史佳庆刘桂森沈耀上海交通大学材料科学与工程学院上海200240

辐照硬化是金属材料的辐照效应之一,开展辐照硬化机理研究有助于设计可靠的反应堆结构材料。辐照产生的缺陷会对位错运动造成阻碍,被认为是辐照硬化的主要原因。近年来快速发展的位错动力学模拟方法为材料的微观组织变化和宏观力学性能... 详细信息

辐照硬化是金属材料的辐照效应之一,开展辐照硬化机理研究有助于设计可靠的反应堆结构材料。辐照产生的缺陷会对位错运动造成阻碍,被认为是辐照硬化的主要原因。近年来快速发展的位错动力学模拟方法为材料的微观组织变化和宏观力学性能之间建立起了桥梁,被广泛用于辐照硬化机理研究。对于一些辐照缺陷如位错环和层错四面体,位错动力学软件已能模拟它们对位错网络演化以及宏观力学响应的影响,使辐照硬化的定量预测成为可能。本文从位错动力学模型、不同类型辐照缺陷硬化效应的位错动力学模拟以及辐照硬化理论模型发展三个方面,综述了辐照硬化位错动力学模拟的研究进展,并展望该研究领域的主要科学问题。

关键词：金属材料辐照硬化辐照缺陷位错动力学

FeCu模型合金中Cu析出物导致硬化的位错动力学研究

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原子能科学技术 2021年第7期55卷 1153-1162页

作者：滕明航贺新福豆艳坤王东杰贾丽霞中国原子能科学研究院反应堆工程技术研究所北京102413

压水反应堆压力容器(RPV)钢服役过程经高能中子辐照产生的溶质-缺陷团簇,导致辐照硬化和脆化,是影响其服役寿命的关键因素。利用位错动力学方法结合分子动力学和分子静力学计算获得的缺陷钉扎力,研究了FeCu模型合金中Cu析出物导致硬化... 详细信息

压水反应堆压力容器(RPV)钢服役过程经高能中子辐照产生的溶质-缺陷团簇,导致辐照硬化和脆化,是影响其服役寿命的关键因素。利用位错动力学方法结合分子动力学和分子静力学计算获得的缺陷钉扎力,研究了FeCu模型合金中Cu析出物导致硬化的机理,分析了钉扎力、脱钉临界角等因素对计算结果的影响,并对计算结果的置信度进行了分析。结果表明:半径小于1 nm析出物的脱钉判据主要为力判据,需精确计算缺陷对位错的钉扎力;半径大于1 nm析出物的脱钉判据主要为临界角判据,对于Cu析出物,其临界角约为130°。本研究结果对于深入研究RPV钢辐照硬化机理以及预测辐照脆化趋势具有重要意义。

关键词： FeCu模型合金辐照硬化 Cu析出物位错动力学分子动力学分子静力学

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二维离散位错动力学的优化算法

二维离散位错动力学的优化算法

作者：黄运通武汉大学

学位级别：硕士

晶体材料在现代社会中的广泛存在使得其成为了材料科学领域的研究重点。其塑性变形无疑是该领域研究中的一大热点。现在一般认为晶体的塑性变形与晶体材料中的线缺陷即位错关系密切,人们尝试利用位错的运动解释晶体复杂的塑性变形行为,... 详细信息

晶体材料在现代社会中的广泛存在使得其成为了材料科学领域的研究重点。其塑性变形无疑是该领域研究中的一大热点。现在一般认为晶体的塑性变形与晶体材料中的线缺陷即位错关系密切,人们尝试利用位错的运动解释晶体复杂的塑性变形行为,于是发展出位错动力学这一数值模拟工具以揭示塑性变形的介观机制。位错动力学已经被广泛地应用于晶体研究的诸多方面,例如相变、断裂和孪晶等问题。不过遗憾的是位错动力学这一复杂的非线性问题即使在进行了大量简化后计算难度依旧很大,计算成本仍然高昂,而这大大地限制位错动力学模拟的实验规模和实验尺度。求解位错动力学问题的一般使用龙格库塔算法等经典的常微分方程组数值算法,但这些算法并没有针对位错动力学问题本身的特点进行优化,例如位错间的相互作用能一直被忽略。所以本文尝试从位错运动的热力学角度,为其引入了一些新的数值算法,包括能量分裂算法和非线性共轭梯度算法等,为加快数值实验速度,扩大实验规模奠定了算法基础。首先,本文重点考察了位错动力学中位错相互作用能,并基于此提出了不同边界条件下的位错系统的总能量。但是经典的位错动力学是从位错的应力场理论出发得到的,而该理论基于连续弹性介质假设,所以不能应用于高畸变的位错中心区域。于是由经典的位错相互作用能导出的能量极小化问题是不可解的。本文通过引入位错中心区域宽度这一参数对位错的应力场理论进行了去奇异化,得到了非奇异的位错系统总能量。由此本文成功获得了不同边界条件下与位错动力学问题等价的可解能量极小化问题。位错动力学模型的能量极小化问题是一个高度非线性、非凸的复杂优化问题,一般的优化算法很难处理该问题。本文为其引入了一种基于近似点算法的能量分裂算法,并且分析了该算法的收敛性,发现该算法处理能量极小化问题时生成解序列存在收敛子序列。这一结论为能量分裂算法求解位错动力学问题提供了一定的理论支撑。本文还为位错动力学引入了非线性共轭梯度算法,这是一种广泛应用于非线性优化问题的高效数值算法,它在处理很多实际的复杂优化问题时展现出令人满意的收敛速度。为了更好地评价新引入位错动力学的优化算法,本文简要地介绍了应用于位错动力学问题的自适应龙格库塔算法,并以之为标准分析新算法的优劣势。针对三种不同边界条件下的位错动力学模型,本文分别用自适应龙格库塔算法、能量分裂算法和非线性共轭梯度算法进行求解,分析数值结果发现非线性共轭梯度算法在搜索位错系统的稳定构型这一问题上有极大的优势,比其它两种算法更快收敛。能量分裂算法和自适应龙格库塔算法的收敛速度接近,不过当位错系统构型或边界条件比较复杂时能量分裂算法能够更为高效地求解问题。分析三种算法得到的应力应变响应曲线都有一定差异,但从数值计算角度难以评价不同应力响应曲线的优劣。

关键词：位错动力学优化方法奇异性非线性共轭梯度法能量分裂方法

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磁致塑性效应下的位错动力学机制

物理学报 2015年第14期64卷 337-346页

作者：李桂荣王宏明李沛思高雷章彭琮翔郑瑞江苏大学材料科学与工程学院镇江212013

基于磁致塑性效应探讨了磁场作用下位错受力和运动机制,对磁场下的位错动力学机制进行了定性和定量分析.选择氧化铝纳米颗粒强化铝基复合材料为实验对象,在不同磁感应强度下(0—3 T范围)对试样进行磁场处理.结果表明,随着磁感应强度增加... 详细信息

基于磁致塑性效应探讨了磁场作用下位错受力和运动机制,对磁场下的位错动力学机制进行了定性和定量分析.选择氧化铝纳米颗粒强化铝基复合材料为实验对象,在不同磁感应强度下(0—3 T范围)对试样进行磁场处理.结果表明,随着磁感应强度增加,位错密度提高,表现出塑性变形特征.分析认为,磁场力不足以驱动位错运动,位错增殖诱因在于磁致塑性效应,即磁场改变了顺磁性位错芯与障碍间自由基对中的电子自旋状态,促使自由基对从强键结合单线态向弱键结合三重态转化,位错穿越障碍时所需能量减小,退钉扎趋势明显;位错运动中的限速环节是位错在障碍处的停留,磁场诱发的电子激发和原子重排速度很快,表现出磁场作用的高效性.磁场起作用的临界磁感应强度约为3 T,低于3 T时磁场作用随磁场强度增加而变得明显,高于3 T后磁场效果会减小.计算得到3 T时位错运动速度是10 3m/s,位错线长度比未加磁场时增加两个数量级,位移与磁感应强度平方和磁场作用时间成正比.实验和理论研究表明磁场具有改善材料塑性变形能力的显著作用.

关键词：磁致塑性位错动力学变形和塑性铝基复合材料

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位错动力学与系统的全局分叉

物理学报 2004年第6期53卷 1940-1945页

作者：罗诗裕邵明珠韦洛霞刘曾荣东莞理工学院东莞523106 上海大学数学系上海200436

在位错动力学的Seeger方程基础上 ,引入周期场作用 ,把位错运动方程化为具有硬弹簧特性的Duffing方程 ,并利用多尺度法分析了系统的动力学特征 ,利用Melnikov方法讨论了系统的全局分叉和系统进入混沌状态的可能途径 .结果表明 ,当δ α... 详细信息

在位错动力学的Seeger方程基础上 ,引入周期场作用 ,把位错运动方程化为具有硬弹簧特性的Duffing方程 ,并利用多尺度法分析了系统的动力学特征 ,利用Melnikov方法讨论了系统的全局分叉和系统进入混沌状态的可能途径 .结果表明 ,当δ α一定 ,Ω不断减小时 ,系统逐渐向临界状态接近。

关键词：位错动力学分叉非线性系统超晶格 Duffing方程混沌系统

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超声辅助微镦粗的位错动力学模拟研究

塑性工程学报 2017年第5期24卷 152-156页

作者：徐道俊姜传民申昱路腾腾上海交通大学模具CAD国家工程研究中心上海200030

超声振动会明显降低材料塑性变形过程中的流动应力,但是超声振动引起这一现象的原因还有待深入研究。在介观尺度下基于二维离散位错动力学,根据纯钛的塑性变形特点,对位错的运动进行了合理的简化,建立了纯钛TA1的离散二维位错动力学模型... 详细信息

超声振动会明显降低材料塑性变形过程中的流动应力,但是超声振动引起这一现象的原因还有待深入研究。在介观尺度下基于二维离散位错动力学,根据纯钛的塑性变形特点,对位错的运动进行了合理的简化,建立了纯钛TA1的离散二维位错动力学模型,对超声辅助微镦粗进行了模拟研究。同时,利用所建模型研究了介观尺度下超声振动对于位错密度的影响,结果表明,在介观尺度下该二维位错动力学模型可较为客观地描述超声振动对材料塑性变形的影响;在介观尺度下超声振动会降低材料在塑性变形过程中的位错密度。

关键词：超声振动位错动力学位错密度微镦粗

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十次对称二维准晶材料的位错动力学问题

固体力学学报 2017年第2期38卷 165-169页

作者：张超华李联和云国宏内蒙古师范大学数学科学学院呼和浩特010022 内蒙古自治区纳米材料与技术重点实验室呼和浩特010021

论文采用Bak准晶弹性动力学模型研究了十次对称二维准晶材料的位错动力学问题.将Stroh公式推广到了准晶材料动力学问题的研究中,给出了位移和应力一般解的表达式.讨论了位错移动速度、声子场和相位子场耦合弹性常数R对声子场、相位子场... 详细信息

论文采用Bak准晶弹性动力学模型研究了十次对称二维准晶材料的位错动力学问题.将Stroh公式推广到了准晶材料动力学问题的研究中,给出了位移和应力一般解的表达式.讨论了位错移动速度、声子场和相位子场耦合弹性常数R对声子场、相位子场位移和应力的影响.

关键词：准晶位错动力学 Stroh公式声子场相位子场

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基于二维离散位错动力学的镍基合金沉淀强化

塑性工程学报 2016年第6期23卷 194-200页

作者：孙君超刘娟崔振山上海交通大学模具CAD国家工程研究中心上海200030

根据位错在含沉淀相金属中的运动规律,建立了一个含沉淀相的二维离散位错动力学模型以模拟沉淀相体积分数在镍基合金中的影响。通过计算位错受到的力,包括外力、位错间的长程弹性应力、位错运动时受到的固溶摩擦力及反相畴界力等,得到... 详细信息

根据位错在含沉淀相金属中的运动规律,建立了一个含沉淀相的二维离散位错动力学模型以模拟沉淀相体积分数在镍基合金中的影响。通过计算位错受到的力,包括外力、位错间的长程弹性应力、位错运动时受到的固溶摩擦力及反相畴界力等,得到位错的运动状态,然后应用Orowan公式得到相应的应力应变曲线。模型考虑了位错的增殖、湮灭以及超位错切割沉淀相的机制。模拟中,沉淀相用直径相同的圆表示,沉淀相体积分数分别为30%,40%和50%。模拟结果表明增大沉淀相体积分数可使镍基合金变形抗力增大,且随着沉淀相体积分数增高,沉淀相体积分数对合金变形抗力的影响变大。

关键词：位错动力学反向畴界能镍基合金沉淀相二维离散