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 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