初始温度对fcc—Cu辐照缺陷数量的影响

张沛

摘 要：辐照损伤产生位移级联从而导致材料内部缺陷的产生，这种缺陷在宏观上能够影响材料的性能，本文利用基于LAMMPS程序的分子动力学模拟方法，研究不同初始温度对fcc-Cu缺陷数量的影响。结果表明，辐照损伤会对材料产生一定的缺陷；本文研究了拥有1000ev能量的初级碰撞原子，在辐照过程中初始温度为300K，500K，700K时的缺陷数目。初始温度对最大缺陷数产生一定的影响，初始溫度为300K时，最大缺陷数（间隙原子数目=空位数目）为64个；初始温度为500K时，最大缺陷数（间隙原子数目=空位数目）为80个；初始温度为700K时，最大缺陷数（间隙原子数目=空位数目）为108个。随着初始温度的升高，最大缺陷数目随之增加，但初始温度对体系达到稳定状态时的缺陷数目影响不大。

关键词：分子动力学；fcc-Cu；初级碰撞原子；缺陷

中图分类号：TG111.2 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）20-0206-02

当今社会的发展与能源的合理利用有着密切的关系，随着科技的进步以及对能源的需求量越来越大，虽然新型能源得到了利用，如太阳能、风能、地热能等。但是由于转化率的问题，这些能源的利用率并不高。一直以来，化石能源的开采与利用广泛，但是对环境产生的危害是不可估量的，因此开发新能源以及有效利用新能源显得尤为重要。核能既清洁又不污染环境，且能够释放出大量的能量[1]。核能的开发以及利用已经引起了世界各国专家的关注，尤其是处在恶劣环境下的材料所受到的影响，所以材料的抗辐照性能决定了聚变堆的使用寿命。

核能主要是指核裂变和核聚变。裂变是指一些原子序数大的原子（铀、钚等）在经过中子碰撞后发生裂变，形成序数较小的原子的过程，同时会生成新的中子，且释放出巨大的能量。

在高温高压等恶劣的辐照环境下，选用抗辐照、使用寿命长的材料尤为重要，A508-Ⅲ是国产反应堆容器用钢，具有抗脆化性[2]。辐照脆化能够减少材料的使用寿命，影响脆化程度的因素有很多，如温度、材料中参杂杂质等。近年来，对于辐照材料的研究得到了广泛地发展。黄鹤飞[3]等人研究了316奥氏体不锈钢离子辐照损伤中的温度效应。罗等人[4]研究了不同辐照粒子下钨及钨合金辐照损伤行为。

本文利用分子动力学模拟方法，基于LAMMPS软件进行模拟。研究了不同能量的初级碰撞原子对fcc-Fe材料缺陷数量的影响。从而得到初级碰撞原子能量与缺陷数量之间的关系。

1 辐照损伤简介

点阵原子在受到具有能量的粒子撞击时，核反应将产生嬗变元素，所产生的缺陷和嬗变元素会引起材料宏观物理性质的变化，这种改变叫做辐照效应[1]。在粒子撞击材料到材料达到稳定状态的过程中[5]，可分为两个阶段：（1）初级过程：具有能量的粒子撞击材料时，入射原子会与材料原子产生弹性碰撞，入射原子会把其中一部分能量传递给被撞击的材料原子。这些被撞击的材料原子叫做初级碰撞原子，简称PKA（primary knock-on atom）。如图1所示。如果材料原子被带有能量的入射粒子击出，则被击出的材料原子叫做初级离位原子。（2）次级过程：带有能量的初级离位原子可以使其他材料原子离位，从而形成耳机碰撞原子，而带有能量的耳机碰撞原子又可以使三级离位原子击出，如此延续，就形成了级联碰撞过程。

辐照中的级联过程是一个很复杂的过程。它主要有两个特点。第一，级联经历很短的时间。通过一系列研究，当几十个甚至几百个keV的入射粒子撞击材料时，会发生皮秒时间单位的级联过程，这个时间与晶格震动周期相近。研究表明，入射离子的能量在几十乃至几百时，其级联过程的持续时间一般都在皮秒的几分之一，这个时间可以与晶格原子的振动周期相比。第二，在碰撞级联过程中会产生大量的空位和间隙原子，而这种空位和填隙原子的分布区域相互分离的现象称为“离位峰”。当运动中的原子停下来吧能量传递给晶格，使点阵振动，这样会使材料局部温度升高。

2 模型及模拟方法

分子动力学是利用牛顿定律求解粒子的微观运动，从而得到粒子的轨迹。随着计算机技术的发展，越来越多的研究人员采用分子动力学方法研究材料的辐照损伤。

本文利用分子动力学方法模拟fcc-Cu在不同初始温度下产生位移级联过程，并运用可视化软件OVITO[6]直接观察其演化过程。本文采用eam势函数，对fcc-Cu在三维方向上进行堆垛，a0=3.62nm为晶格常数，在材料表面选取一个原子给其1000ev的能量，产生沿Z轴负方向的速度，采用周期性边界条件，模拟体系温度分别设为300k，500k，700k。时间步长选取1fs，分别对三个模型进行模拟，采用npt系综进行弛豫，使得体系达到平衡状态。

3 模拟结果与讨论

3.1 初始温度为300k

在体系模型已经建立完成之后，对体系进行能量最小化弛豫，使体系达到稳定状态。体系在初始温度为300K时，各个原子在会在其平衡位置振动，不会脱离其平衡位置，弛豫过程中会使体系能量达到最小而使体系处于稳定状态。当赋给被选定原子1000ev能量时，体系会发生位移级联现象而产生间隙原子及空位，如图2所示为体系存在最大缺陷数时的状态图，从图中可以明显看出存在许多间隙原子，通过可视化软件OVITO中W-S缺陷分析得到最大缺陷数为64个，即间隙原子与空位数都是64。随着时间的推移，体系在退火过程中缺陷数减小，逐渐趋于稳定状态，分析得出其缺陷数为5。最终状态的缺陷数要比最大缺陷数小得多。

3.2 初始温度为500k

当赋给被选定原子1000ev能量时，体系会发生位移级联现象而产生间隙原子及空位，如图3所示为体系初始温度为500K时，存在最大缺陷数时的状态图，从图3中可以明显看出存在许多间隙原子。与图2相比较，初始温度为500K时最大缺陷数较大，通过可视化软件OVITO中W-S缺陷分析得到最大缺陷数为80个，即间隙原子与空位数都是80个，比初始温度为300K时缺陷数目多了24个。随着时间的推移，体系在退火过程中缺陷数减小，逐渐趋于稳定状态，当体系达到的最终状态，分析得出其缺陷数为6。通过比较初始温度为300K与500K时的最终状态缺陷数目，温度对其影响不大。

3.3 初始温度为700k

当赋予选定原子1000eV的能量时，体系会发生位移级联现象而产生间隙原子及空位，如图4所示为体系初始温度为700K时，存在最大缺陷时的状态图，可以看出其存在的缺陷数比初始温度为500K时的还要高，通过可视化软件OVITO的W-S缺陷分析可知最大缺陷数为108个，比初始温度为500K时最大缺陷数多了28个。随后，体系在退火过程中，缺陷数逐渐减小并趋于稳定。经分析得出稳定状况的缺陷数为7个。通过比较初始温度300k、500K、700K时的最终状态的缺陷数目，温度对其影响不大。

4 结语

本文利用分子动力学方法模拟fcc-Cu在不同初始温度下产生位移级联过程，并运用可视化软件OVITO[6]直接观察其演化过程，得出以下结论：

（1）当选定原子被赋予的能量相同，体系温度越高时，体系的最大缺陷数越大。

（2）当选定原子被赋予的能量相同，温度对体系达到最终稳定状态时的缺陷数影响不大。

参考文献

[1]郁金南，李恒德，李冠兴，等.材料辐照效应.第一版[M].北京：化学工业出版社，2007，1-6，81-91.

[2]李承亮，张明乾.压水堆核电站反应堆压力容器材料概述[J].材料导报，2008，22（9）：65-68.

[3]黄鹤飞，李健健，刘仁多，等.316奥氏体不锈钢离子辐照损伤中的温度效应研究[J].金属学报，2014，（10）：1189-1194.

[4]罗来马，徐梦瑶，昝祥，等.不同辐照粒子下钨及钨合金辐照损伤行为的研究进展[J].材料导报，2018，32（1）：41-46.

[5]郝嘉琨，李恒德，李冠兴，等.聚变堆材料.第一版[M].北京：化学工业出版社，2006，1-53.

[6]Stukowski A. Visualization and analysis of atomistic simulation data with OVITO-the Open Visualization Tool[J]. Modelling Simul.mater.sci.eng， 2010， 18（6）：2154-2162.