CN108052745A - 一种模拟辐照缺陷与晶界协同演化的方法 - Google Patents

一种模拟辐照缺陷与晶界协同演化的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模拟辐照缺陷与晶界协同演化的方法，包括以下步骤：获得晶界能量与平移向量关系，获得基态对应的平移向量集合与基态间跃迁能垒，分析最易跃迁模式，考察点缺陷对晶界跃迁过程的影响，考察晶界附近空位团簇对晶界跃迁过程的影响，考察辐照缺陷对VTk的影响，建立包含晶界运动的速率表格，辐照缺陷与晶界协同演化的OKMC模拟。本发明可以处理辐照缺陷对晶界运动以及辐照缺陷偏聚对晶界运动动力学的影响、运动的晶界与晶界附近活性低的空位团簇或空洞的作用、辐照缺陷与静态的晶界作用、辐照缺陷微结构演化过程中可能出现的晶界运动及其对微结构演化的影响；尤其适用于模拟复杂缺陷‑晶界交互作用下纳米结构辐照损伤微结构演化过程。

Description

一种模拟辐照缺陷与晶界协同演化的方法
技术领域
本发明涉及核材料辐照损伤模拟领域，尤其涉及一种模拟辐照缺陷与晶界协同演化的方法。
背景技术
材料遭受高能粒子辐照时，会生成扩散活性不同的点缺陷及其团簇，如自间隙原子、空位和这些缺陷的团簇。晶界常常作为缺陷阱，吸收辐照缺陷，影响辐照缺陷微结构的演化和材料最终的服役性能。研究辐照缺陷与晶界相互作用具有科学和工程意义。
在研究辐照缺陷与界面跨尺度相互作用机理时，人们通常将晶界看作稳定的辐照缺陷演化环境，关注晶界对点缺陷行为的影响。这是因为一方面点缺陷活性较高，在辐照缺陷微结构演化中可能扮演较为重要的角色，而且其扩散过程较为简单；另一方面缺陷团簇或者晶界活性较低。然而，随着辐照缺陷的演化，如扩散、偏聚，不仅可能改变了晶界结构，进而改变了其热力学和动力学性质，诱导晶界滑移或迁移，反过来，受辐照缺陷修饰的晶界还可能以一种不同的方式与晶界附近活性低的缺陷团簇发生作用，即辐照缺陷与晶界可能发生协同演化。由于晶界本身自由度很多，其势能面较为复杂，目前还没有很好的模拟技术直接考察这种涉及到晶界运动或相变的缺陷-晶界协同演化过程。
因此，需要开发一种能计算晶界滑移/迁移的热力学和动力学性质的模拟技术。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种模拟辐照缺陷与晶界协同演化的方法，该方法同时将晶界运动事件纳入到OKMC模拟缺陷演化框架中，以考察晶界运动或相变参与的缺陷-晶界多尺度相互作用，尤其是缺陷团簇与晶界的交互作用。
本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一种模拟辐照缺陷与晶界协同演化的方法，包括以下步骤
S1、获得晶界能量与平移向量关系：建立初始晶界模型，设其在平行晶界两个方向的最小周期分别为px和py，将一个晶粒相对于另一个晶粒平移时，相应的平移步长分别为dx、dy，平移向量VT＝(i*dx,j*dy)，其每个方向的值在0-px、0-py之间变化，每一次平移之后，对整个晶界模型进行充分原子弛豫，完成所有的平移-弛豫之后，得到晶界能量E与平移向量VT的关系E＝E(i*dx,j*dy)；
S2、获得基态对应的平移向量集合与基态间跃迁能垒：对比每次平移-弛豫后的体系能量，得到能量最低的相应平移向量集合VT1，同时得到平行弛豫后相应的体系构型R集合，对R集合中任意两个构型Ri和Rj，比较其距离，若其距离大于跃迁值时，认为两个态之间发生了跃迁，并调用NEB(Nudged Elastic Band)计算跃迁能垒；
S3、分析最易跃迁模式：分析晶界跃迁能垒与跃迁距离关系，获得跃迁能垒最低的跃迁及其对应的平移向量VTk；
S4、考察点缺陷对晶界跃迁过程的影响；
S5、考察晶界附近空位团簇对晶界跃迁过程的影响；
S6、考察辐照缺陷对VTk的影响；
S7、建立包含晶界运动的速率表格；
S8、进行辐照缺陷与晶界协同演化的OKMC(实体动力学蒙特卡洛)模拟。
进一步改进在于，步骤S1中所述建立初始晶界模型，其包括设置模型尺寸、体系中缺陷类型和缺陷数、模型边界条件、模拟体系温度、空位和自间隙的运动向量。
进一步改进在于，步骤S2中所述的跃迁值为2.0埃。
进一步改进在于，步骤S4具体为：在晶界内部放置一定浓度的空位或自间隙原子，按照平移向量VTk平移晶界模型，采用NEB计算当前条件下的跃迁能垒。
进一步改进在于，步骤S5的具体操作为：将模型体系(一般选则较小的模型体系)周期性复制，在晶界附近典型位置放置典型尺寸的空位团簇，然后以平移向量VTk平移其中一个晶粒，采用NEB方法计算此时的跃迁能垒。
进一步改进在于，步骤S6的具体操作为：当晶界含有偏聚的辐照缺陷或晶界附近存在活性低(通过观察比较其活性)的空位团簇或者空洞时，采用步骤S1-S3中的方法重新确定晶界容易跃迁的向量和能垒。
进一步改进在于，步骤S8的具体操作为：将晶界运动看作一个OKMC事件，经过步骤S1-S3，得到纯晶界以及含有辐照缺陷的晶界跃迁向量及能垒，进而得到相应的速率，然后在OKMC循环中，调用相应的速率，选择、执行事件，并对可能出现的新的缺陷-晶界作用重新参数化相关过程。
本发明的有益效果是：
本发明通过晶界滑移诱导的迁移，得到晶界迁移的方向向量和能垒，进而考察辐照缺陷对晶界运动的影响。同现有的模拟方法相比，能够处理辐照缺陷偏聚对晶界运动动力学的影响，同时可处理运动的晶界与晶界附近活性低的空位团簇或空洞的作用。
本发明既能处理辐照缺陷与静态的晶界作用，又能处理辐照缺陷微结构演化过程中可能出现的晶界运动及其对微结构演化的影响。本发明尤其适用于模拟复杂的缺陷-晶界交互作用下纳米结构辐照损伤微结构演化过程。
附图说明
图1为本发明中计算晶界能量与晶粒间相对滑移向量关系示意图；
图2为本发明中晶界最易跃迁模式计算示意图；
图3为本发明的主要步骤；
图4为本发明算法流程图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示和实施例，进一步阐述本发明。
结合图1至图3所示，本发明提出的一种包含晶界运动的模拟辐照辐照缺陷与晶界作用的新方法包括以下步骤：
S1：获得晶界能量与平移向量关系。对于建好的初始晶界模型，设其在平行晶界两个方向的最小周期分别为px和py，将一个晶粒相对于另一个晶粒平移时，相应的平移步长分别为dx、dy。平移向量VT＝(i*dx,j*dy)，其每个方向的值在0-px、0-py之间变化。每一次平移之后，对整个晶界模型进行充分原子弛豫。完成所有的平移-弛豫之后，得到晶界能量E与平移向量VT的关系E＝E(i*dx,j*dy)。
S2：获得基态对应的平移向量集合与基态间跃迁能垒。对比每次平移-弛豫后的体系能量，得到能量最低的相应平移向量集合VT1。同时得到平行弛豫后相应的体系构型R集合。对R集合中任意两个构型Ri和Rj，比较其距离，若排除原子位置周期性调整带来的影响后，其距离大于跃迁值(2.0埃)时，认为两个态之间发生了跃迁，调用NEB计算跃迁能垒。
S3：分析最易跃迁模式。分析晶界跃迁能垒与跃迁距离关系，获得跃迁能垒最低的跃迁及其对应的平移向量VTk。
S4：考察点缺陷对晶界跃迁过程的影响。此步骤中，对于给定的晶界，在晶界内部放置一定浓度的空位或自间隙原子。按照平移向量VTk平移晶界，采用NEB计算此时的跃迁能垒。
S5：考察晶界附近空位团簇对晶界跃迁过程的影响。将较小的模型体系周期性复制。在晶界附近典型位置放置典型尺寸的空位团簇，然后以平移向量VTk平移其中一个晶粒，采用NEB方法计算此时的跃迁能垒。
S6：考察辐照缺陷对VTk的影响。辐照缺陷不仅仅影响晶界跃迁能垒，还可能影响其最易跃迁路径。当晶界含有偏聚的辐照缺陷或晶界附近存在活性低的空位团簇或者空洞时，采用步骤S1-S3中类似方法重新确定晶界容易跃迁的向量和能垒。
S7：建立包含晶界运动的速率表格。
S8：辐照缺陷与晶界协同演化的的OKMC模拟方法。将晶界运动看作一个OKMC事件。经过上述步骤，得到纯晶界以及含有辐照缺陷的晶界跃迁向量及能垒，进而得到相应的速率。然后在OKMC循环中，调用相应的速率，选择、执行事件，并对可能出现的新的缺陷-晶界作用重新参数化相关过程。
参照图4，本发明算法流程如下：
(1)初始化模型参数，包括模型尺寸、体系中缺陷类型及缺陷数。设置模型边界条件，如周期性边界，自由边界条件等。设置模拟体系温度，读入缺陷构型文件。空位、自间隙的运动向量。
(2)读入点缺陷及其团簇扩散、复合、溶解能垒数据，以及作用范围数据，计算相应过程速率。
(3)计算晶界能量与平移向量关系。
(4)计算晶界平移最易跃迁向量和跃迁能垒。
(5)计算当前缺陷缺陷体系跃迁速率。根据事件类型，调用不同的速率。
(6)采用轮盘赌的方式筛选要执行的事件：包括Vn/SIAn扩散、Vn-Vn和SIAn-SIAn结合、晶界运动、Vn-SIAn复合、Vn/SIAn溶解、SIAn旋转等。
(7)执行选择的事件。对于辐照缺陷，按照其运动向量移动空位或自间隙。对于晶界运动，调整晶界位置，同时整体移动缺陷位置。
(7)更新计时器和缺陷位置，输出跃迁时间，当前体系构型等量。
(8)根据缺陷分布判断是否需要对晶界运动参数重参数化。是则转至步骤(3)。
(9)判断体系演化时间或运行步数是否超过最大设定值，是则退出，否则继续进行上述步骤(5)。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种模拟辐照缺陷与晶界协同演化的方法，其特征在于：包括以下步骤
S1、获得晶界能量与平移向量关系：建立初始晶界模型，设其在平行晶界两个方向的最小周期分别为px和py，将一个晶粒相对于另一个晶粒平移时，相应的平移步长分别为dx、dy，平移向量VT＝(i*dx,j*dy)，其每个方向的值在0-px、0-py之间变化，每一次平移之后，对整个晶界模型进行充分原子弛豫，完成所有的平移-弛豫之后，得到晶界能量E与平移向量VT的关系E＝E(i*dx,j*dy)；
S2、获得基态对应的平移向量集合与基态间跃迁能垒：对比每次平移-弛豫后的体系能量，得到能量最低的相应平移向量集合VT1，同时得到平行弛豫后相应的体系构型R集合，对R集合中任意两个构型Ri和Rj，比较其距离，若其距离大于跃迁值时，认为两个态之间发生了跃迁，并调用NEB计算跃迁能垒；
S3、分析最易跃迁模式：分析晶界跃迁能垒与跃迁距离关系，获得跃迁能垒最低的跃迁及其对应的平移向量VTk；
S4、考察点缺陷对晶界跃迁过程的影响；
S5、考察晶界附近空位团簇对晶界跃迁过程的影响；
S6、考察辐照缺陷对VTk的影响；
S7、建立包含晶界运动的速率表格；
S8、进行辐照缺陷与晶界协同演化的OKMC模拟。
2.根据权利要求1所述的一种模拟辐照缺陷与晶界协同演化的方法，其特征在于：步骤S1中所述建立初始晶界模型，其包括设置模型尺寸、体系中缺陷类型和缺陷数、模型边界条件、模拟体系温度、空位和自间隙的运动向量。
3.根据权利要求1所述的一种模拟辐照缺陷与晶界协同演化的方法，其特征在于：步骤S2中所述的跃迁值为2.0埃。
4.根据权利要求1所述的一种模拟辐照缺陷与晶界协同演化的方法，其特征在于：步骤S4具体为：在晶界内部放置一定浓度的空位或自间隙原子，按照平移向量VTk平移晶界模型，采用NEB计算当前条件下的跃迁能垒。
5.根据权利要求1所述的一种模拟辐照缺陷与晶界协同演化的方法，其特征在于：步骤S5的具体操作为：将模型体系周期性复制，在晶界附近典型位置放置典型尺寸的空位团簇，然后以平移向量VTk平移其中一个晶粒，采用NEB方法计算当前条件下的跃迁能垒。
6.根据权利要求1所述的一种模拟辐照缺陷与晶界协同演化的方法，其特征在于：步骤S6的具体操作为：当晶界含有偏聚的辐照缺陷或晶界附近存在活性低的空位团簇或者空洞时，采用步骤S1-S3中的方法重新确定晶界容易跃迁的向量和能垒。
7.根据权利要求1所述的一种模拟辐照缺陷与晶界协同演化的方法，其特征在于：步骤S8的具体操作为：将晶界运动看作一个OKMC事件，经过步骤S1-S3，得到纯晶界以及含有辐照缺陷的晶界跃迁向量及能垒，进而得到相应的速率，然后在OKMC循环中，调用相应的速率，选择、执行事件，并对可能出现的新的缺陷-晶界作用重新参数化相关过程。
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