铁铜锰镍四元合金中空位和间隙原子缺陷的模拟方法技术

本发明专利技术具体是一种铁铜锰镍四元合金中空位和间隙原子缺陷的模拟方法，解决现有模拟方法不能模拟多组分四元合金缺陷对其演化影响的问题。铁铜锰镍四元合金中空位和间隙原子缺陷的模拟方法，所述方法包括如下步骤：S1：铁铜锰镍合金体系的化学自由能计算方程的建立；S2：铁铜锰镍合金体系的总自由能计算方程的建立；S3：建立铁铜锰镍合金体系辐照缺陷的动力学方程；S4：利用铁铜锰镍合金体系辐照缺陷的动力学方程模拟得到辐照条件下空位、间隙原子与析出相的组织形貌以及成分演变。本发明专利技术考虑了辐照条件下空位和间隙原子与析出相的相互作用对Fe

【技术实现步骤摘要】
铁铜锰镍四元合金中空位和间隙原子缺陷的模拟方法


[0001]本专利技术涉及辐照微结构演化
，具体是一种铁铜锰镍四元合金中空位和间隙原子缺陷的模拟方法。

技术介绍

[0002]反应堆中铁基服役环境恶劣，由于长时间承受高温、高压、高温度梯度和高能粒子辐照，产生高密度辐照组织损伤，材料的抗辐照、耐蚀性以及组织稳定性下降，最终导致材料失效。反应堆中材料受到高能粒子轰击，被轰击原子离开自身晶格点阵位置，产生由空位和间隙原子组成的Frenkel缺陷对。
[0003]对辐照材料微观组织研究仅通过实验方法存在很大的局限性，一方面实验周期长、成本高，实验环境极其苛刻，另一方面级联碰撞是非常复杂的过程，既包含传热、传质，又包含空位环和间隙原子环的形核与长大，仅依靠实验方法难以揭示其中的演化机制及规律。原子尺度的第一性原理、分子动力学和蒙特卡罗等方法在缺陷参数、空位和间隙原子等微观演化方面做出了突出贡献。然而，在更大的空间和时间尺度问题上，受制于计算成本，这些方法无能为力。介观尺度的连续相场法既携带合金缺陷等微观信息，又能从晶粒尺度描述组织演化，进而和实验数据对照。因而，采用相场法模拟预测铁基材料承受高温、高压、高温度梯度和高能粒子辐照时微观组织演化具有独特的优越性。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种铁铜锰镍四元合金中空位和间隙原子缺陷的模拟方法，能够模拟温度和浓度下的空位和间隙原子的微结构演化过程。
[0005]本专利技术是采用如下技术方案实现的：
[0006]一种铁铜锰镍四元合金中空位和间隙原子缺陷的模拟方法，所述方法包括如下步骤：
[0007]S1：铁铜锰镍合金体系的化学自由能计算方程的建立，所述化学自由能为耦合了空位和间隙原子缺陷的形成能及浓度的化学自由能；
[0008]S2：铁铜锰镍合金体系的总自由能计算方程的建立；
[0009]S3：基于Cahn
‑
Hilliard动力学演化方程，建立铁铜锰镍合金体系辐照缺陷的动力学方程；
[0010]S4：输入变量，利用铁铜锰镍合金体系辐照缺陷的动力学方程模拟得到辐照条件下空位、间隙原子与析出相的组织形貌以及成分演变，并分析空位、间隙原子和析出相的相互作用对铁铜锰镍合金体系形貌演化的影响；
[0011]其中，所述步骤S1中铁铜锰镍合金体系的化学自由能计算方程的建立，包括以下内容：
[0012]耦合了空位和间隙原子缺陷的形成能及浓度的化学自由能f
chem
的计算方程为：
[0013][0014]式中，c
i
为成分i的浓度，i＝1、2、3、4，分别代表Fe、Cu、Mn、Ni，c
V
为空位的浓度，c
I
分为间隙原子的浓度，成分i、空位和间隙原子的浓度满足c1＝1
‑
c2‑
c3‑
c4‑
c
V
‑
c
I
；和分别为空位的形成能和间隙原子的形成能，和分别代表α相和γ相的Gibbs自由能，和通过公式(3)计算得到，α相为BCC相，γ相为FCC相，h(η)＝η2(3
‑
2η)，是保证结构序参数的值在[0,1]之间的插值函数；g(η)＝η(1
‑
η)；Wg2(η)表示α相和γ相之间的相变势垒；YV
m
ε
02
(c
i
)是由于不同原子之间的晶格错配引起的弹性应变能，Y是平均刚度，V
m
是摩尔体积，ε0(c
i
)通过公式(2)计算得到；
[0015][0016]式中，为成分i晶格失配确定的常数，为成分i的初始浓度；c
i
(r，t)表示i成分在t时刻、特定空间位置r上的瞬时浓度；
[0017][0018]式中，相为α相或γ相，是纯元素i对应相的Gibbs自由能；为简单机械混合自由能；RT∑
i
c
i
lnc
i
为理想混合熵的自由能，R为气体常数，T为绝对温度；是超额自由能，通过公式(4)计算得到；
[0019][0020]式中，和分别为溶体相的二元和三元相互作用参数，c
i
、c
j
、c
k
为不同成分的浓度；
[0021]所述步骤S2中铁铜锰镍合金体系的总自由能计算方程的建立，包括以下内容：
[0022]总自由能F包括化学自由能与梯度自由能，其计算方程为：
[0023][0024]式中，和分别为由于界面成分不均匀以及结构序参数差异引起的梯度能项，用于表示体系界面能，k
c
和k
η
分别为成分梯度能系数、结构序参数梯度能系数；和分别代表空位和间隙原子的梯度自由能，k
v
和k
I
分别是空位和间隙原子的梯度能系数；
[0025]所述步骤S3中，Cahn
‑
Hilliard动力学演化方程如式(6)：
[0026][0027]式中，c
i
(r，t)表示i成分在t时刻、特定空间位置r上的瞬时浓度；ξ
ci
(r，t)为满足涨落耗散理论的热噪声项，加入方程产生微小成分起伏以促进相变过程发生；F为体系总自由能；
[0028]所述步骤S4中，成分变化的模拟方程如式(7)：
[0029][0030]式中，j＝V，I，κ
j
代表空位和间隙原子的梯度能系数，c
j
(r,t)代表空位和间隙原子的浓度；f
chem
为化学自由能；
[0031]在相场模拟计算中将成分变化的模拟方程代入傅里叶空间进行运算，得出成分、时间与空间位置的关系如式(8)：
[0032][0033]通过定量分析来得到辐照条件下空位和间隙原子与析出相的相互作用对铁铜锰镍四元合金组织形貌的影响。
[0034]进一步地，步骤S2中铁铜锰镍合金体系的总自由能方程是基于金兹堡
‑
朗道相变理论建立的。
[0035]进一步地，步骤S4中输入变量包括成分初始浓度、空位初始浓度、间隙原子初始浓度、辐照温度范围、计算网格大小。
[0036]本专利技术提供的铁铜锰镍四元合金中空位和间隙原子缺陷的模拟方法，其有益效果在于：
[0037](1)基于Cahn
‑
Hilliard方程建立所述动力学演化方程；所述动力学演化方程包括：空位和间隙原子的动力学演化方程。
[0038](2)本专利技术利用相场模型模拟所述铁铜锰镍四元合金的组织演化和缺陷影响包括：利用描述原子扩散的模拟方程模拟成分变化；利用描述空位和间隙原子浓度的模拟方程模拟缺陷变化，进而探究对多组分合金形貌演化的影响，获得溶质原子、空位和间隙原子的演化图像。
[0039](3)本专利技术是探究析出相与空位和间隙原本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铁铜锰镍四元合金中空位和间隙原子缺陷的模拟方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：S1：铁铜锰镍合金体系的化学自由能计算方程的建立，所述化学自由能为耦合了空位和间隙原子缺陷的形成能及浓度的化学自由能；S2：铁铜锰镍合金体系的总自由能计算方程的建立；S3：基于Cahn
‑
Hilliard动力学演化方程，建立铁铜锰镍合金体系辐照缺陷的动力学方程；S4：输入变量，利用铁铜锰镍合金体系辐照缺陷的动力学方程模拟得到辐照条件下空位、间隙原子与析出相的组织形貌以及成分演变，并分析空位、间隙原子和析出相的相互作用对铁铜锰镍合金体系形貌演化的影响；其中，所述步骤S1中铁铜锰镍合金体系的化学自由能计算方程的建立，包括以下内容：耦合了空位和间隙原子缺陷的形成能及浓度的化学自由能f
chem
的计算方程为：式中，c
i
为成分i的浓度，i＝1、2、3、4，分别代表Fe、Cu、Mn、Ni，c
V
为空位的浓度，c
I
分为间隙原子的浓度，成分i、空位和间隙原子的浓度满足c1＝1
‑
c2‑
c3‑
c4‑
c
V
‑
c
I
；和分别为空位的形成能和间隙原子的形成能，和分别代表α相和γ相的Gibbs自由能，和通过公式(3)计算得到，α相为BCC相，γ相为FCC相，h(η)＝η2(3
‑
2η)，是保证结构序参数的值在[0,1]之间的插值函数；g(η)＝η(1
‑
η)；Wg2(η)表示α相和γ相之间的相变势垒；YV
m
ε
02
(c
i
)是由于不同原子之间的晶格错配引起的弹性应变能，Y是平均刚度，V
m
是摩尔体积，ε0(c
i
)通过公式(2)计算得到；式中，为成分i晶格失配确定的常数，为成分i的初始浓度；c
i
(r,t)表示i成分在t时刻、特定空间位置r上的瞬时浓度；式中，相为α相或γ相，是纯元素i对应相的Gibbs自由能；为简单机械混...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯华，裴嘉琪，李欢庆，杨文奎，赵宇宏，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：