Моделирование диффузии радиационных дефектов со смешанным 1d/3d-механизмом в упругих полях на примере ОЦК-металлов Fe И V

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Предложен метод моделирования диффузии радиационных дефектов (РД) со смешанным 1D/3D-механизмом диффузии (дефект мигрирует одномерно, время от времени меняя направление своей одномерной миграции) в неоднородных упругих полях на основе объектного кинетического метода Монте-Карло. В рамках этого метода влияние упругого поля на частоты смен направления миграции РД и на частоты их скачков вдоль одномерных направлений учитывается с использованием дипольных тензоров соответствующих седловых конфигураций РД в рамках анизотропной линейной теории упругости. Такие дипольные тензоры определяются на основе анализа молекулярно-динамических данных о диффузии РД в однородных упругих полях с помощью разработанной кинетической модели. С использованием предложенного метода рассчитаны зависимости стоковых сил дислокаций для димежузлий от температуры (в диапазоне 293–1000 К) и дислокационной плотности (в интервале значений 1014–1015 м-2) в ОЦК-металлах Fe и V. Рассмотрены прямолинейные полные винтовые и краевые дислокации в системах скольжения ⟨111⟩{110}, ⟨111⟩{112}, ⟨100⟩{100}, ⟨100⟩{110}. Предложены аналитические выражения, аппроксимирующие расчетные зависимости стоковых сил дислокаций от температуры и дислокационной плотности.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Д. Н. Демидов

НИЦ “Курчатовский институт

Автор, ответственный за переписку.
Email: Demidov_DN@nrcki.ru
Россия, Москва

А. Б. Сивак

НИЦ “Курчатовский институт

Email: Demidov_DN@nrcki.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Elastic strain fields and dislocation mobility / Eds V.L. Indenbom, J. Lothe. North-Holland. Amsterdam: Elsevier Science, 1992. 793 p.
  2. Hirth J.P., Lothe J. Theory of Dislocations. New York: Wiley, 1982. 857 p.
  3. Heinisch H.L., Singh B.N., Golubov S.I. A kinetic Monte Carlo study of mixed 1D/3D defect migration // J. Comput. Aided Mater. Des. 1999. V. 6. P. 277–282.
  4. Barashev A.V., Golubov S.I., Trinkaus H. Reaction kinetics of glissile interstitial clusters in a crystal containing voids and dislocations // Philos. Mag. A. 2001. V. 81. P. 2515–2532.
  5. Trinkaus H., Heinisch H.L., Barashev A.V., Golubov S.I., Singh B.N. 1D to 3D diffusion-reaction kinetics of defects in crystals // Phys. Rev. B. 2002. V. 66. P. 06010.
  6. Malerba L., Becquart C.S., Domain C. Object kinetic Monte Carlo study of sink strengths // J. Nucl. Mater. 2007. V. 360. P. 159–169.
  7. Stoller R.E., Zarkadoula E. 1.20. Primary Radiation Damage Formation in Solids. Comprehensive Nuclear Materials (Second Edition). Elsevier. 2020. P. 620–662.
  8. Bortz A.B., Kalos M.H., Lebowitz J.L. A new algorithm for Monte Carlo simulation of Ising spin systems // J. Comput. Phys. 1975. V. 17. № 1. P. 10–18.
  9. Kröner E. Allgemeine Kontinuumstheorie der Versetzungen und Eigenspannungen // Arch. Rational Mech. An. 1959/60. V. 4. P. 273–334.
  10. Puls M.P., Woo C.H. Diaelastic polarizabilities due to vacancies and interstitials in metal // J. Nucl. Mater. 1986. V. 139. № 1. P. 48–59.
  11. Osetsky Y.N., Bacon D.J., Serra A., Singh B.N., Golubov S.I. One-dimensional atomic transport by clusters of self-interstitial atoms in iron and copper // Philos. Mag. 2003. V. 83. № 1. P. 61–91.
  12. Романов В.А., Сивак А.Б., Чернов В.М. Кристаллографические, энергетические и кинетические свойства собственных точечных дефектов и их кластеров в ОЦК-железе. 6. Кластеры собственных межузельных атомов // ВАНТ. Сер. Материаловедение и новые материалы. 2006. T. 66. № 1. C. 223–232.
  13. Демидов Д.Н., Сивак А.Б., Сивак П.А. Диффузия димежузлий в ОЦК-металлах Fe и V, подверженных внешним нагрузкам разных типов // ФММ. 2021. T. 122. № 11. C. 1164–1170.
  14. Demidov D.N., Sivak A.B., Sivak P.A. New method for calculation of radiation defect dipole tensor and its application to di-interstitials in copper // Symmetry. 2021. V. 13. No. 7. P. 1154.
  15. Новик А., Берри Б. Релаксационные явления в кристаллах / А. Новик, Б. Берри; пер. с англ.: под ред. Э.М. Надгорного, Я.М. Сойфера. М.: Атомиздат, 1975. 472 с.
  16. Sivak A.B., Demidov D.N., Sivak P.A. Diffusion characteristics of radiation defects in iron: molecular dynamics data // ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез. 2021. T. 44. № 2. C. 148–157.
  17. Demidov D.N., Sivak A.B., Sivak P.A. Диффузионные характеристики кластеров собственных междоузельных атомов в ванадии: молекулярно-динамические данные // ФММ. 2023. T. 124. № 5. С. 400–408.
  18. Dederichs P.H., Schroeder K. Anisotropic diffusion in stress fields // Phys. Rev. B. 1978. V. 17. P. 2524‒2436.
  19. Sivak A.B., Sivak P.A., Romanov V.A., Chernov V.M. Dislocation sinks efficiencies for self-point defects in iron and vanadium crystals // Inorg. Mater.: Appl. Res. 2015. V. 6. No. 2. P. 105–113.
  20. Демидов Д.Н., Сивак А.Б., Сивак П.А. Кристаллографические, энергетические и диффузионные характеристики димежузлий в ОЦК-металлах Fe и V // ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез. 2019. Т. 42. № 3. С. 85–96.
  21. Романов В.А., Сивак А.Б., Чернов В.М. Кристаллографические, энергетические и кинетические свойства собственных точечных дефектов и их кластеров в ОЦК-железе. 1. Полуэмпирическая модель ОЦК-железа и потенциал межатомного взаимодействия // ВАНТ. Сер. Материаловедение и новые материалы. 2006. Т. 66. № 1. С. 129–150.
  22. Романов В.А., Сивак А.Б., Сивак П.А., Чернов В.М. Равновесные и диффузионные характеристики собственных точечных дефектов в ванадии // ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез. 2012. Т. 35. № 2. С. 60–80.
  23. Сивак А.Б., Демидов Д.Н., Сивак П.А. Эффективности дислокационных стоков для димежузлий в ОЦК (Fe, V) и ГЦК (Cu) металлах // ВАНТ. Сер. Материаловедение и новые материалы. 2021. Т. 109. № 3. С. 30–53.
  24. Wiedersich W. On the theory of void formation during irradiation // Radiat. Eff. 1972. V. 12. P. 111–125.
  25. Nichols F.A. On the estimation of sink-absorption terms in reaction-rate-theory analysis of radiation damage // J. Nucl. Mater. 1978. V. 75. P. 32–41.
  26. Trinkaus H., Heinisch H.L., Barashev A.V., Golubov S.I., Singh B.N. 1D to 3D diffusion-reaction kinetics of defects in crystals // Phys. Rev. B. 2002. V. 66. No. 6. 060105(R).

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Зависимости νr(ε1) / νr 0 для димежузлий в Fe и V. Символы – МД данные. Штриховые линии – подгонка МД-данных соотношением (11).

Скачать (32KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Зависимости Pij (ε2) для димежузлий в Fe и V: (а) ij = 12, 21, 43, 34, 13, 31, 24, 42; (б) ij = 14, 41, 23, 32. Символы – МД-данные. Штриховые линии – подгонка МД-данных соотношениями: (а) (12) и (13); (б) (14).

Скачать (85KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимости Pij (ε4) для димежузлий в Fe и V: (а) ij =12, 13, 42, 43, 21, 24, 13, 14; (б) ij = 14, 41, 23, 32. Символы – МД-данные. Штриховые линии – подгонка МД-данных соотношениями: (а) (15) и (16); (б) (17) и (18).

Скачать (88KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Пример диффузионных траекторий димежузлий в упругом поле дислокаций в Fe и V при Т = 400 К: (а) Fe, КД1 (b параллелен оси X); (б) V, ВД2 (b перпендикулярен плоскости XY). Траектории – синие линии. Положение дислокаций отмечено красными символами.

Скачать (59KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Температурная зависимость стоковых эффективностей дислокаций разных типов для димежузлий при ρd ≈ 1015 м‒2 (L = 200а): (а) Fe, (б) V. Символы – ОКМК-данные. Штриховые линии – подгоночные кривые (24) с параметрами из табл. 2. Тонкие линии соответствующих цветов – зависимости для 3D-механизма диффузии, полученные в [23]. Разные цвета линий соответствуют разным типам дислокаций (указаны на рисунке). Сплошная черная линия – зависимость без учета взаимодействия димежузлий с дислокационным упругим полем.

Скачать (125KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Зависимость стоковых эффективностей дислокаций разных типов для димежузлий от дислокационной плотности при T = 600 K: (а) Fe, (б) V. Символы – ОКМК-данные. Штриховые линии – подгоночные кривые (25) с параметрами из табл. 3. Тонкие линии соответствующих цветов – зависимости из [23] для 3D-механизма диффузии димежузлий. Разные цвета линий соответствуют разным типам дислокаций (указаны на рисунке). Сплошная черная линия – зависимость без учета взаимодействия димежузлий с дислокационным упругим полем.

Скачать (121KB)
Метаданные