中子辐照对钒合金强度和塑性的影响及其温度效应

一、中子辐照对钒合金强塑性的影响及其温度效应（论文文献综述）

谢若泽,胡文军,潘晓霞,丰杰,张方举,黄西成,陈刚^[1]（2018）在《电子束熔炼钒合金动态压缩实验及细观分析》文中研究说明本文利用霍普金森压杆（SHPB）进行了动态压缩实验,获得了电子束熔炼钒合金V-5Cr-5Ti的动态压缩应力应变曲线。采用应变冻结的方法,对材料进行不同变形量的动态加载,并对加载后的试件进行观察,研究不同变形范围下材料的细观变形机制,考察变形量对变形机制的影响,并与电弧熔炼钒合金的细观变形机制进行了比较。结果表明:当动态压缩应变率为3600s-1时,电子束熔炼钒合金的流变应力约为700MPa;该材料在常温下的塑性变形机制为位错滑移。

李淑娟（Shujuan Lee）^[2]（2017）在《微量合金元素对钒基合金性能影响的理论模拟》文中进行了进一步梳理钒基合金因其低活化性、高热导率、优于其他材料的力学性能和抗辐照性能,而被认为是聚变反应堆中第一壁的首选结构材料,也因此引发了对钒基合金研究的热潮。本文分别采用第一性原理和分子动力学方法,从原子层面、微观结构角度探究合金元素原子在钒基合金中的分布及其对性能的影响,重点针对实验中观察到的富Ti析出相进行详细研究,并从微观角度分析富Ti析出相对钒基合金性能影响。通过第一性原理及分子动力学方法模拟表明,在钒基合金中,Cr原子在钒基合金中任意位置均可稳定存在,当Cr原子位于晶界处时,可有效强化钒基合金的晶界强度。而Ti原子易于晶粒内部偏析,并在晶粒内部形成一定的富Ti区,且Ti原子的存在,削弱了钒基合金的弹性变形能力,使得钒基合金的韧性减小。第一性原理模拟表示,Y的添加可通过钉扎晶界而细化晶粒,通过弥散强化作用改善钒基合金的力学性能。根据实验测定结果构建富Ti析出相的微观结构Ti（CNO）和Ti O,并对其进行一系列基本参数计算,从热力学、力学角度证明所构建富Ti析出相的微观结构可以稳定存在。又计算其基本力学参数,判断所构建富Ti相属于硬脆相,其硬度远高于纯V,且体现脆性材料特征。所得基本力学性质符合实验测试结果,这就进一步证明所建结构的准确性,同时也从微观角度解释了实验制备所得的钒基合金,因脆硬性富Ti析出相的存在大大降低了钒基合金的力学性能。对富Ti析出相与基体相所构成的界面进行研究发现,与纯钒界面相比,亚稳态下的富Ti析出相Ti O与基体之间界面强度增加,但是析出相自身晶粒内原子之间键合削弱。而稳态下的富Ti析出相Ti（CNO）与基体相之间界面上的O原子的存在,会明显削弱界面凝聚力,使其比纯钒界面更易发生断裂,显着降低其力学性能;但若界面上没有O原子而以C、N原子截止时,界面强度显着增加,因此,钒基合金中添加Y元素以吸O来改善由于富Ti析出相而降低的力学性能。综上所述:钒基合金中的Cr原子偏析于晶界时可视为晶界强化元素;Ti原子偏析于晶粒内部,易与杂质原子形成富Ti相析出,析出相的硬脆性及与基体界面上O的存在,使得钒基合金的力学性能下降;添加Y原子,一方面可吸收合金中渗入的O,改善由于富Ti相析出而降低的力学性能,另一方面,通过弥散强化作用细化晶粒以提高钒基合金的力学性能。

谢若泽,胡文军,黄西成,张方举^[3]（2016）在《纯钒的动态压缩力学性能实验研究》文中认为为研究纯钒在常温下的动态压缩力学性能,采用霍普金森压杆（SHPB）对其进行应变率效应实验并采用应变冻结法对其进行应变累积实验,给出纯钒在常温下的动态压缩应力应变曲线,研究应变历史对材料性能的影响,并与电弧熔炼钒合金进行比较,结果表明:在应变率为4 430 s-1时,纯钒的流变应力为564 MPa,比应变率810 s-1时的437 MPa提高29%,纯钒具有明显的应变率效应;应变历史虽然对纯钒有影响,但其影响并不强烈;电弧熔炼钒合金的强度远高于纯钒。

李瑞环^[4]（2016）在《聚变堆结构材料中氦原子等杂质效应的第一性原理研究》文中提出核聚变能因为清洁无污染,反应可控,原料储量丰富等优点被认为是解决人类未来能源危机问题的终极方案。在聚变反应堆的极端环境下,第一壁结构材料需要长期承受高温、以及高通量的高能（14 MeV）中子辐照。特殊的工作环境要求结构材料必须具有优良的热力学性能、低活化特性、抗中子辐照等。中子辐照使得结构材料内产生大量的空位缺陷以及杂质氢、氦原子。空位缺陷与杂质原子相结合,随着时间的推移长大形成氢泡、氦泡,导致结构材料的肿胀和脆化,使得材料的机械性能明显降低。本论文采用基于密度泛函理论和平面波赝势法的第一性原理计算方法,在原子尺度上研究了三种聚变堆候选结构材料（低活化钢、钒合金和碳化硅复合材料）中氦原子等杂质的行为,例如空位对氦原子的捕获机制以及合金元素效应等,希望所获得的理论结果能为理解辐照初期杂质原子的影响提供一些有效的帮助。碳化硅（Sic）复合材料由于具有良好的高温强度、耐腐蚀等特性而被考虑作为聚变堆结构材料的候选材料之一。为了研究6H-SiC晶体中氦-空位团簇（HenVm）的稳定性以及氦泡形成的微观机制,本论文计算了缺陷-缺陷之间的结合能,分别考察了HenVm团簇与杂质氦原子、单空位之间的相互作用。发现HenVm团簇与杂质氦原子和单空位之间均存在吸引作用,与氦原子相比,HenVm团簇与空位的吸引作用更强。同时研究了Hen/Vm率变化时对HenVm团簇与氦原子、空位结合能的影响。为了研究6H-SiC晶体中的空位缺陷对氦原子的捕获能力,分别计算了不同数量的氦原子被7原子小空洞捕获时的捕获能,发现7原子小空洞最多可以捕获13个氦原子。同时,为了考察捕获大量的氦原子后导致结构材料内内压的变化,我们提取了捕获不能数量氦原子时结构材料的内压,发现捕获13个氦原子后,6H-SiC晶体内的内压高达2.5 GPa,与实验值0.8 GPa相当。钒合金具有优良的高温强度、低中子辐照活化、抗辐照肿胀和抗高温蠕变等特性,被认为是未来聚变反应堆第一壁结构材料的主要候选材料之一。目前,大量的研究工作主要关注氦原子与小尺寸空位缺陷之间的相互作用,而在真实的材料中,空位缺陷的直径达纳米量级。为了研究不同尺寸空位缺陷对氦原子的捕获能力,采用原子尺度模拟方法,考察了中子辐照初期,钒固体中单空位和纳米尺寸空洞对氦原子的捕获行为。研究发现：单空位和9原子小空洞（直径约0.6 nm）分别可以捕获18和66个氦原子,相应的内压分别高达7.5和19.3 GPa。说明小空洞对氦原子的捕获能力强于单空位；大量的氦原子被空位缺陷捕获之后引起空位空间膨胀导致很高的内压。为了考察由于晶格钒原子的限制,导致被限制在有限空间内氦原子之间距离的变化,分别比较了空位缺陷内Hen团簇与“气相”Hen团簇中氦原子的结构构型与平均距离分布,径向函数分布与不同环境中He。团簇构型图给出了同样的结论。低活化铁素体/马氏体（RAFM）钢在辐照环境下具有优良的机械性能和抗肿胀特性,被认为是聚变反应堆结构材料的主要候选材料之一。RAFM钢的主要成分为Fe-Cr-W三元合金。大量的实验表明合金元素铬（Cr）和钨（w）对低活化钢的力学性能、抗辐照能力具有重要影响。因此,我们首先研究了体心立方结构铁基合金中,合金元素铬和钨的存在对氦原子稳定占据位以及扩散性能的影响。通过不同数量的铬、钨原子置换间隙氦原子周围的铁原子,发现氦原子的稳定占据位仍为四面体间隙位,不受铬原子浓度变化的影响。为了解释氦原子总是倾向于远离钨原子的原因,分别考察了两种合金元素与氦原子之间的相互作用。同时,为了阐明辐照初期合金元素对氦原子自捕获的影响,分别研究了氦-氦杂质对靠近铬、钨原子时结合能的变化,发现铬有利于氦原子自捕获,而钨原子阻碍氦原子自捕获。为了研究合金元素对空位捕获氦原子的影响,考察了铬、钨存在时空位捕获氦原子时捕获能的变化,发现铬、钨存在均降低了空位对氦原子的捕获能力。以上的工作主要研究了杂质氦原子在三种结构材料中的行为,及其与空位缺陷之间的相互作用,但是,结构材料内一些微量溶质元素对结构材料性能的影响也不容忽略。因此,本论文最后一部分研究内容主要关注钒固体中微量溶质元素氧、氮、碳原子的基本行为。首先研究了三种杂质原子的稳定占据位,均为八面体间隙位。为了研究同种杂质原子之间是否存在偏聚作用,基于以上结论,进一步研究了同种杂质原子对之间的相互作用,杂质对之间的相互作用距离大约为3A。最后,为了研究三种杂质原子扩散能力的强弱,利用搜索过渡态的NEB方法研究了三种杂质原子的迁移能垒,以及扩散系数。根据Arrhenius扩散方程,预测了氧、氮、碳原子在不同温度下的扩散系数。

冯先富^[5]（2014）在《极端材料的分子动力学模拟》文中研究表明采用分子动力学模拟方法,模拟了托卡马克装置中,处于极端的等离子体环境条件下的第一壁材料的行为,揭示了在等离子体杂质的作用下,入射粒子的角度对钨表面的刻蚀行为的影响,以及钨表面气泡的形成,生长,破裂,对钨表面微观构型的改变。本文模拟了等离子体杂质CH2基团,在150eV的能量下,以不同角度入射到钨表面的微观过程。结果表明,CH2基团的不同的入射角度与辐照后的物表面的形貌变化存在非常紧密的关系。当入射角度超过一定阈值时,入射粒子的动能远大于其与钨的成键结合能,CH2复合粒子大部分被反射了出去。当角度小于这一阈值时,W-C键的结合非常有效,以至于形成约0.5nm厚的W-C薄层,并且在这层W-C薄膜之上沉积了一层较厚的碳氢薄膜。然而几乎在任何入射角度下,碳原子相对于氢原子而言,更易于与样品中的钨结合成键,保持在样品当中。本文还模拟了在聚变反应产物氦原子以相当于60eV的入射能量作用下,钨表面起泡的微观过程。结果表明,在温度为1200K的晶体钨表面下方,氦泡的形成,生长,及破裂,会改变钨表面的构型,导致样品表面变得粗糙,疏松,尺寸变厚。氦泡沿着Z轴方向向上生长；氦泡周围的移位原子会沿着晶体的<111>方向滑移,并在该方向的表面形成吸附原子,使得表面粗化；氦泡正上方的钨原子层,会随着氦泡的长大而变薄,最终在过大的氦泡压力作用下破裂。

杨彪,王丽阁,王恩泽^[6]（2014）在《聚变用V-Cr-Ti合金的研究进展》文中提出V-Cr-Ti合金与其他合金相比具有很多优良的性能,是重要的聚变反应堆候选结构材料。介绍了VCr-Ti合金的力学性能、高温性能、中子辐照的影响等,并阐述了氢对V-Cr-Ti合金力学性能的影响和产生氢脆的原因以及其他微量元素对V-Cr-Ti合金性能的影响。最后指出了目前V-Cr-Ti合金的研究热点和应用中存在的问题,并对今后V-Cr-Ti合金的研究重点进行了分析。

董平,李鱼飞,杨江荣^[7]（2013）在《钒合金加载变形和损伤演化的数值模拟》文中提出钒合金具有良好的高温强度、低辐照活化和抗辐照肿胀等特性,使其成为核工程中的一种重要结构材料。为评估V-5Cr-5Ti合金应力作用下的变形和损伤演化特征,开展了光滑和有缺口两种形状合金试样拉伸加载过程的试验和数值模拟研究,并对断口形貌进行了扫描电镜（SEM）观察。根据拉伸试验拟合钒合金的材料本构参数,数值模拟获得试样加载过程的应力-应变分布和颈缩区的损伤演化,将数值模拟获得的载荷-位移曲线与试验测试对比,结果表明二者在弹性和塑性阶段的变形曲线均非常一致,扫描电镜观察获得了两种形状试样的静态拉伸断裂机制。

张朋波^[8]（2012）在《聚变堆材料钒合金和铍固体辐照效应的模拟研究》文中认为相比传统能源,核聚变能具有原料储量丰富、反应可控和清洁无污染等优点,被认为是解决人类未来能源的终极方案。为了在聚变装置中成功实现核聚变能,聚变堆面向等离子体材料和结构材料必须能在长期高温和14MeV中子辐照下保持高的热机械稳定性、低的中子活化特性、优良的热力学性能,特别是抗中子辐照性能。微观上,中子与材料的作用包括弹性碰撞造成的离位损伤和核嬗变反应产生氢、氦杂质；宏观上则表现为材料的肿胀、蠕变、起泡、硬化和脆化。这就成为物理学、材料科学、化学等多个学科的研究热点。虽然国内外对聚变堆关键材料已经开展了大量的研究,积累了丰富的实验数据,但对于中子辐照损伤效应的微观机理仍存在许多亟待深入研究的问题。因此澄清聚变环境下中子辐照材料引起的各种物理过程和微观机理,并加以有效地控制,是未来核聚变能实现的重要环节之一。目前,低活化钒合金和低原子序数铍分别被作为聚变堆候选结构材料和面向等离子体材料,对它们的深入研究有助于揭示材料从微观行为到宏观性能的演变规律,为高性能聚变材料的设计和改进提供科学依据。本论文主要选取聚变堆关键材料——体心立方钒和钒合金固体,密排六方铍固体作为研究对象,采用基于密度泛函理论的计算机模拟研究了在原子尺度下H、He、O和C杂质的滞留、扩散和偏聚行为；H/He杂质与空位缺陷的相互作用、氢-空位/氦-空位复合物的团簇化和解离机制；氢泡和氦泡形成的物理起源和微观机理。最后采用有限元方法宏观模拟了聚变堆第一壁材料服役行为。对于结构材料钒合金,聚变环境下材料体内有大量的嬗变产物H和He杂质形成,对材料的性能和稳定性产生严重的影响。首先采用随机固溶体模型和第一性原理方法研究了聚变堆结构材料钒、V-4Cr-4Ti和V-5Cr-5Ti中点缺陷（H、He、自缺陷和空位）的优先占位和扩散行为,以及H-H、He-He、He-空位和自缺陷-自缺陷相互作用。He-空位存在很强的吸引作用,我们认为空位为H和He杂质聚集提供了场所。合金元素Ti和Cr对V-Cr-Ti合会中H和He的扩散起到抑制作用。其次,为了解释He-空位作用与氦泡形成之间的关系,采用第一性原理方法考察了He和空位的扩散行为,He、空位和He-空位团簇的稳定性。He的高扩散速率和He在空位处的低形成能解释了He杂质向空位聚集的根源。基于第一性原理结果,采用经验方法评估了He的扩散率。最后,为理解钒空位对H杂质的捕获行为,采用第一性原理方法研究了钒固体中H-空位和H-H的相互作用、H-空位团簇的结构和稳定性,给出了每捕获一个H对应H-空位复合团簇的稳定结构。空位处存在更低的电子密度解释了为什么H更容易被空位捕获。进而讨论了为什么空位能够捕获多个H杂质和氢泡形成的成核机理。对于面向等离子体材料铍,聚变环境下H和He杂质将通过反应等离子体的直接轰击和核嬗变反应而引入,严重影响了材料的性能和稳定性。为了理解H/He与金属铍的相互作用和解释氢泡或氦泡形成的物理起源,通过第一性原理计算考察了密排六方铍中四种杂质（H、He、O和C）的热力学稳定性和动力学扩散行为、H-空位和He-空位相互作用和空位对H/He的捕获行为。能量热力学上,O原子的固溶是一个放热过程,而H、He和C的固溶都是吸热过程。我们发现空位的存在明显降低了氢或氦杂质的固溶能,为H和He聚集提供了场所,铍单空位最多能捕获5个H原子或12个He原子,这就为实验上观测到气泡通常会在空位型缺陷附近形成提供合理的解释。当前结果也为进一步理解这些杂质的聚集和辐照损伤过程中早期的气泡行为提供了初步的物理图像。最后,为了评估正常国际热核聚变堆（ITER）运行下第一壁材料的宏观热力学行为,我们考虑到第一壁材料的热沉积来自等离子体面加热和中子体加热,采用有限元方法对等离子体和中子共同热负载下第一壁材料的响应进行了宏观模拟,通过温度场和应力场分析对第一壁材料的热力学性能进行了评估。模拟结果显示较高热应力存在于Be层与CuCrZr层的界面处,是导致材料失效的主要原因之一,我们建议在这两层之间加入一个有效过渡层,以降低热应力产生

胡文军,潘晓霞,陈勇梅,牛伟,王彤伟^[9]（2011）在《温度对V-5Cr-5Ti合金拉伸性能及组织结构的影响》文中指出对真空自耗重熔制备的V-5Cr-5Ti合金进行了室温到1150℃温度范围的拉伸性能测试,获得了不同温度下的拉伸应力应变曲线,用SEM和光学显微镜对断口形貌和金相组织进行了观察,分析了温度对断口形貌和组织的影响。结果表明:V-5Cr-5Ti合金的屈服强度和极限强度总体上随温度升高而降低,但在300℃到700℃之间出现应变失效效应,断裂伸长率随温度升高而降低,断面收缩率随温度升高先增大再而降低,在400℃时断面收缩率最大;温度较低时塑性变形以滑移为主,温度较高时以晶界开裂为主,并伴随有晶界熔化的现象,高温断口表现为韧性断裂为主,具有韧性与脆性共存的现象。

谢若泽,胡文军,陈成军,潘晓霞,何鹏,张方举,陈杰^[10]（2010）在《V-5Cr-5Ti的常温动态压缩力学性能》文中认为采用分离式霍普金森压杆（SHPB）装置,在常温下对V-5Cr-5Ti合金分别进行了应变率效应试验、限制应变试验和应变累积的动态压缩试验;分析了应变率、应变累积对V-5Cr-5Ti合金动态压缩性能的影响;并对压缩试验后的试件进行了金相分析。结果表明,V-5Cr-5Ti合金具有明显的应变率和应变历史效应,而应变历史对材料的动态压缩性能的影响更明显。在高应变率下,应变低于0.20时,出现孪晶组织;而应变高于0.20时,孪晶组织急剧减少甚至消失。

二、中子辐照对钒合金强塑性的影响及其温度效应（论文开题报告）

（1）论文研究背景及目的

此处内容要求：

首先简单简介论文所研究问题的基本概念和背景，再而简单明了地指出论文所要研究解决的具体问题，并提出你的论文准备的观点或解决方法。

写法范例：

本文主要提出一款精简64位RISC处理器存储管理单元结构并详细分析其设计过程。在该MMU结构中,TLB采用叁个分离的TLB,TLB采用基于内容查找的相联存储器并行查找,支持粗粒度为64KB和细粒度为4KB两种页面大小,采用多级分层页表结构映射地址空间,并详细论述了四级页表转换过程,TLB结构组织等。该MMU结构将作为该处理器存储系统实现的一个重要组成部分。

（2）本文研究方法

调查法：该方法是有目的、有系统的搜集有关研究对象的具体信息。

观察法：用自己的感官和辅助工具直接观察研究对象从而得到有关信息。

实验法：通过主支变革、控制研究对象来发现与确认事物间的因果关系。

文献研究法：通过调查文献来获得资料，从而全面的、正确的了解掌握研究方法。

实证研究法：依据现有的科学理论和实践的需要提出设计。

定性分析法：对研究对象进行“质”的方面的研究，这个方法需要计算的数据较少。

定量分析法：通过具体的数字，使人们对研究对象的认识进一步精确化。

跨学科研究法：运用多学科的理论、方法和成果从整体上对某一课题进行研究。

功能分析法：这是社会科学用来分析社会现象的一种方法，从某一功能出发研究多个方面的影响。

模拟法：通过创设一个与原型相似的模型来间接研究原型某种特性的一种形容方法。

三、中子辐照对钒合金强塑性的影响及其温度效应（论文提纲范文）

（1）电子束熔炼钒合金动态压缩实验及细观分析（论文提纲范文）

（2）微量合金元素对钒基合金性能影响的理论模拟（论文提纲范文）

（3）纯钒的动态压缩力学性能实验研究（论文提纲范文）

（4）聚变堆结构材料中氦原子等杂质效应的第一性原理研究（论文提纲范文）

（5）极端材料的分子动力学模拟（论文提纲范文）

（6）聚变用V-Cr-Ti合金的研究进展（论文提纲范文）

（7）钒合金加载变形和损伤演化的数值模拟（论文提纲范文）

（8）聚变堆材料钒合金和铍固体辐照效应的模拟研究（论文提纲范文）

（9）温度对V-5Cr-5Ti合金拉伸性能及组织结构的影响（论文提纲范文）

（10）V-5Cr-5Ti的常温动态压缩力学性能（论文提纲范文）

四、中子辐照对钒合金强塑性的影响及其温度效应（论文参考文献）

• [1]电子束熔炼钒合金动态压缩实验及细观分析[J]. 谢若泽,胡文军,潘晓霞,丰杰,张方举,黄西成,陈刚. 材料科学与工程学报, 2018(04)
• [2]微量合金元素对钒基合金性能影响的理论模拟[D]. 李淑娟（Shujuan Lee）. 西南科技大学, 2017(01)
• [3]纯钒的动态压缩力学性能实验研究[J]. 谢若泽,胡文军,黄西成,张方举. 中国测试, 2016(10)
• [4]聚变堆结构材料中氦原子等杂质效应的第一性原理研究[D]. 李瑞环. 大连理工大学, 2016(03)
• [5]极端材料的分子动力学模拟[D]. 冯先富. 西南交通大学, 2014(09)
• [6]聚变用V-Cr-Ti合金的研究进展[J]. 杨彪,王丽阁,王恩泽. 材料导报, 2014(05)
• [7]钒合金加载变形和损伤演化的数值模拟[J]. 董平,李鱼飞,杨江荣. 原子能科学技术, 2013(04)
• [8]聚变堆材料钒合金和铍固体辐照效应的模拟研究[D]. 张朋波. 大连理工大学, 2012(10)
• [9]温度对V-5Cr-5Ti合金拉伸性能及组织结构的影响[J]. 胡文军,潘晓霞,陈勇梅,牛伟,王彤伟. 材料科学与工程学报, 2011(04)
• [10]V-5Cr-5Ti的常温动态压缩力学性能[J]. 谢若泽,胡文军,陈成军,潘晓霞,何鹏,张方举,陈杰. 爆炸与冲击, 2010(06)

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