高压下铁铜锰镍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高压下铁铜锰镍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高压条件下多组分四元合金缺陷对其演化影响的问题。高压下铁铜锰镍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：化学自由能计算方程的建立；S2：弹性应变能计算方程的建立；S3：总自由能计算方程的建立；S4：建立动力学演化方程；S5：输入变量，利用动力学演化方程模拟得到高压条件下空位、间隙原子与析出相的组织形貌以及成分演变。本发明专利技术综合考虑了高压下空位和间隙原子和析出相的相互作用对铁铜锰镍合金形貌演化的影响，采用三维相场模拟方法分析缺陷耦合高压对析出相的影响。对析出相的影响。对析出相的影响。

【技术实现步骤摘要】
高压下铁铜锰镍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
，具体是一种高压下铁铜锰镍合金中空位和间隙原子缺陷的模拟方法。

技术介绍

[0002]空位和间隙是高能裂变碎片和中子在核反应堆元件中产生的两种主要缺陷。高压下，空位和间隙原子的产生伴随着晶格畸变，晶格畸变会使得合金产生弹性应力，从而促进空位缺陷原子的演化。随着这些缺陷的累积，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，空位扩散机制是导致原子重排的重要原因之一，它引起了分离、相分解、有序化和图案化等多种效应。因此需要开发预测性的计算模拟方法，用于研究空位和间隙原子在高压下对铁铜锰镍四元合金形貌演化的影响，以提升合金性能。
[0003]相场法被认为是预测中尺度形态和微观结构演化的最有力的方法。相图的计算是计算热力学中的一个重要方法，能够准确地描述特定相的自由能。利用相场法和计算数据库的耦合，可以模拟Fe
‑
Cu
‑
Mn
‑
Ni合金钢中析出相的组织演变。然而，现有研究主要集中在二维模拟。三维模拟和可视化分析的应用可以更准确地预测多元合金中析出相的组织演变。因此，相场模型与弹性能的耦合是预测缺陷对Fe
‑
Cu
‑
Mn
‑
Ni四元合金组织演变影响的可行方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种高压下铁铜锰镍合金中空位和间隙原子缺陷的模拟方法，能够模拟温度、浓度和高压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]一种高压下铁铜锰镍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弹性应变能计算方程的建立；
[0009]S3：铁铜锰镍合金体系的总自由能计算方程的建立；
[0010]S4：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演化方程；
[0011]S5：输入变量，利用铁铜锰镍合金体系辐照缺陷的动力学演化方程模拟得到高压条件下空位、间隙原子与析出相的组织形貌以及成分演变，并分析高压下空位、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；
[0012]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：
[0013]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：
[0014][0015]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；R为气体常数，T为绝对温度；YV
m
ε
02
(c
i
)是由于不同原子之间的晶格错配引起的本征应变能，ε0(c
i
)通过公式(2)计算得到；
[0016][0017]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；
[0018][0019]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；是超额自由能，通过公式(4)计算得到；
[0020][0021]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；
[0022]所述步骤S2中铁铜锰镍合金体系的弹性应变能计算方程的建立，包括以下内容：
[0023]铁铜锰镍合金体系的弹性应变能F
elas
的计算方程为：
[0024][0025]式中，为弹性应力；为弹性应变；C
ijkl
(r)为弹性模量；析出相与基体相的弹性模量有差异，因此在考虑弹性不均匀作用时，弹性模量C
ijkl
(r)通过公式(6)计算得到；
[0026][0027]式中，为析出相弹性模量与基体相弹性模量的平均值，通过公式(7)计算得到；ΔC
ijkl
(r)为析出相弹性模量与基体相弹性模量的差值；Δc＝c
‑
c0,c0为初始浓度，c为某一时刻的浓度；
[0028][0029]式中，为基体相的弹性模量，为析出相的弹性模量；
[0030]所述步骤S3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：
[0031]总自由能F包括化学自由能、梯度自由能与弹性应变能，其计算方程为：
[0032]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、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；
[0033]所述步骤S4中，Cahn
‑
Hilliard动力学演化方程如式(9)：
[0034][0035]式中，c
i
(r,t)表示i成分的浓度场；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；M
i
是合金迁移率；为哈密顿算子；F为铁铜锰镍合金体系的总自由能，通过公式(8)计算得到；
[0036]所述步骤S5中，将铁铜锰镍合金体系辐照缺陷的动力学演化方程通过半隐式傅里叶变化后得到公式(10)：
[0037][0038]式中，j＝V，I，κ
j
代表空位和间隙原子的梯度能系数，c
j
代表空位和间隙原子的浓度；M
j
为空位和间隙原子的迁移率；
[0039]通过定量分析来得到高压条件下空位和间隙原子与析出本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高压下铁铜锰镍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弹性应变能计算方程的建立；S3：铁铜锰镍合金体系的总自由能计算方程的建立；S4：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演化方程；S5：输入变量，利用铁铜锰镍合金体系辐照缺陷的动力学演化方程模拟得到高压条件下空位、间隙原子与析出相的组织形貌以及成分演变，并分析高压下空位、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；R为气体常数，T为绝对温度；YV
m
ε
02
(c
i
)是由于不同原子之间的晶格错配引起的本征应变能，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；为简单机械混合自由能；RT∑
i
c
i
lnc
i
为理想混合熵的自由能；是超额自由能，通过公式(4)计算得到；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；所述步骤S2中铁铜锰镍合金体系的弹性...

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