CN110120248B - 模拟纳米晶金属累积离位损伤的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模拟纳米晶金属累积离位损伤的方法，步骤包括基本原子过程MD参数化；基本原子过程OKMC速率列表创建；OKMC调用相应速率，选择、执行事件；表征OKMC粗粒化结构；采样不同剂量下的微结构，并用MD弛豫之；将观察到的原子过程速率化；更新基本原子过程，重新运行OKMC模块。本发明优点在于通过结合原子尺度MD模拟方法和粗粒化OKMC方法，既考虑了基本原子过程，又能实现大尺度模拟，可与实验剂量率相比拟，同时考虑了基本过程累积作用下可能出现的新原子过程；同现有的模拟方法相比，避免了因MD时间尺度有限带来的辐照剂量率异常高的问题，又避免了OKMC在结构弛豫上的不足，兼顾了MD在结构弛豫和OKMC在长时间尺度模拟上的综合优势。

Description

模拟纳米晶金属累积离位损伤的方法
技术领域
本发明涉及核材料辐照损伤模拟技术领域，具体涉及模拟纳米晶金属累积离位损伤的方法。
背景技术
高能粒子(如中子、离子)辐照材料时会诱导生成空位(vacancy,V)、自间隙原子(sel-interstitial atom,SIA)等辐照缺陷，引起辐照损伤。纳米结构材料通常具有较好的抗辐照损伤性能，这与材料中大量的晶界对辐照缺陷的捕获、进而促进其复合有关。目前人们研究纳米结构金属材料中辐照缺陷与界面相互作用机理时，大多关注辐照缺陷的基本原子过程，如扩散、复合过程。
而在实际的辐照环境下，纳米晶金属往往受到以一定剂量率辐照的累积辐照损伤。有部分学者采用分子动力学(molecular dynamics,MD)模拟纳米晶累积离位损伤，虽能达到几个dpa的辐照剂量，然而由于分子动力学固有的较短时间尺度限制，模拟中的剂量率往往高于实验中的剂量率数个数量级，因此，在模拟中观察的现象可能不具有物理意义。如果仅仅考虑基本的原子过程，采用粗粒化模拟技术(如实体动力学蒙特卡洛，objectkinetic Monte Carlo,OKMC)直接模拟累积离位损伤，则由于粗粒化技术中失去了原子结构信息，离位损伤累积到一定程度后可能带来新的物理过程，从而使得高剂量下的微结构演化预测失效。
发明内容
本发明的目的在于提供一种模拟纳米晶金属累积离位损伤的方法，该方法既能达到实验剂量率和辐照剂量，又能根据剂量补充、校正已有原子过程的模拟技术，以实现准确模拟纳米晶材料中累积离位损伤微结构跨时间、空间尺度的演化过程。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
模拟纳米晶金属累积离位损伤的方法，步骤包括
S1：基本原子过程MD参数化
采用MD计算或者收集点缺陷及其团簇扩散、聚合、复合、溶解、发射过程的能量学、动力学和作用范围参数，并根据缺陷形成能性质确定点缺陷在晶界内部的占据位置；
S2：基本原子过程OKMC速率列表创建
根据物理图像，把MD计算的参数加以简化，计算一定温度下基本过程速率和缺陷产生速率，构建速率列表；
S3：OKMC调用相应速率，选择、执行事件
根据不同事件、过程的速率，采用轮盘赌方法选择事件，且某个事件被选中的几率与该事件速率成正比，再执行事件；
S4：表征OKMC粗粒化结构
对于OKMC模拟得到的不同辐照剂量(dose)下的微结构进行分析，得到块体区域、晶界附近和晶界内部不同类型缺陷浓度(C)，建立C-dose关系；分析距晶界不同位置处缺陷类型与浓度，建立缺陷浓度与缺陷-晶界距离(d)关系：C(dose)-d；
S5：采样不同剂量下的微结构，并用MD弛豫之
将S4中得到的随辐照剂量变化的微结构离散化采样，建立合适尺寸的原子模型，并再现一定剂量下的微结构，保证粗粒化模型和原子结构中相应缺陷浓度相同、缺陷分布一致，模型建好以后，先在0K下静态弛豫模型，然后在一定温度采用MD再次弛豫模型，观察弛豫过程中体系结构的变化；
S6：将观察到的原子过程速率化
计算S5中新出现的原子过程发生的速率，确定新过程发生的临界剂量；
S7：更新基本原子过程，重新运行OKMC模块
将随辐照剂量发生的新原子过程补充进基本原子过程集合，更新事件速率列表，重新运行OKMC模块。
进一步改进在于，步骤S2中，所述简化包括将晶界附近缺陷扩散能垒设置为块体中相应值的一半；将间隙发射诱导的复合分为一定区域内的自发复合和低能垒复合两部分，自发复合区域外缺陷复合能垒正比于缺陷与复合区域的距离，收敛于块体中孤立缺陷扩散能垒；设置不动缺陷团簇尺寸上限；同时简化缺陷之间、缺陷与晶界之间作用半径。
进一步改进在于，步骤S2中，所述过程速率的计算方法为：
将一个缺陷对象视作球形，其半径r(n)设置为核心区半径(R)加上影响区壳层半径(rshell)，公式如下：
Figure BDA0002020041260000041
式中，n为团簇Vn/SIAn中点缺陷数，a0是晶格常数；
考虑到块体中自间隙原子较大的应力场，其rshell设置为较大值；以下是块体和晶界区域缺陷半径计算公式：
Figure BDA0002020041260000042
Figure BDA0002020041260000043
Figure BDA0002020041260000044
Figure BDA0002020041260000045
一个能垒为Em的过程，其速率为：
r＝v0exp[-Em/(kBT)], (6)
式中，指前因子v0取1012/s，玻尔兹曼常数kB取8.517×10-5eV/K，T为温度。
进一步改进在于，步骤S2中，所述缺陷产生速率计算方法为：
对于给定的辐照剂量率τ、晶粒尺寸L，点缺陷自间隙原子原子和空位产生速率为：
Figure BDA0002020041260000046
式中，计算模型体积Vmodel为L3，一个原子的体积Vatom为
Figure BDA0002020041260000047
进一步改进在于，步骤S3中，所述执行事件包括：
扩散过程事件：处于块体区域的缺陷对象三维随机行走，处于晶界附近的缺陷一维扩散，而处于晶界内部的缺陷在晶界面上二维随机扩散，且每次扩散，缺陷沿着一个坐标轴方向运动晶格常数一半的距离；
聚合过程事件：处于块体中的空位团簇Vn1和Vn2聚合，只考虑一个小团簇被另一个团簇捕获的情况，即限制n1<5或n2<5，自间隙团簇之间的聚合不设尺寸限制，对于弛豫晶界内部的缺陷聚合反应，只考虑点缺陷被另一个缺陷捕获的情形；聚合反应执行时，反应后的对象坐标与尺寸较大的一个一致，尺寸变为n1+n2；
复合过程事件：执行复合事件时，保留尺寸较大的一个，剩余对象尺寸为|n1-n2|；
溶解过程事件：每次只有一个V/SIA从Vn/SIAn中溶解出来，溶解后，将溶解出来的一个V/SIA放置在捕获半径外
Figure BDA0002020041260000051
的球面上；
发射过程事件：每次只有一个V/SI从晶界发射出来，发射后的V/SIA放在晶界对V/SIA捕获区域的
Figure BDA0002020041260000052
之外的格点处；
缺陷产生事件：在体系中随机产生一对空位和自间隙原子，产生三个[0，1]之间均分分布的随机数r1、r2、r3，则缺陷坐标为[L×r1，L×r2，L×r3]。
本发明的有益效果在于：本发明通过结合原子尺度MD模拟方法和粗粒化OKMC方法，既考虑了基本原子过程，又能实现大尺度模拟，可与实验剂量率相比拟，同时考虑了基本过程累积作用下可能出现的新原子过程；同现有的模拟方法相比，避免了因MD时间尺度有限带来的辐照剂量率异常高的问题，又避免了OKMC在结构弛豫上的不足，兼顾了MD在结构弛豫和OKMC在长时间尺度模拟上的综合优势。
附图说明
图1为本发明提出的一种模拟纳米晶金属累积离位损伤的方法流程图；
图2为本发明累积离位损伤模拟方法示意图；
图3为本发明的算法流程图；
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。
结合图1和图2所示，模拟纳米晶金属累积离位损伤的方法，步骤包括
S1：基本原子过程MD参数化。本步骤中，针对辐照缺陷与晶界基本相互作用过程：V、SIA及其团簇(Vn/SIAn)的扩散、聚合、复合、溶解、发射过程，采用MD计算或者文献收集整理这些作用过程的能量学、动力学和作用范围参数，如块体区域、晶界附近和晶界内部缺陷的扩散能垒、结合能、偏聚能垒和复合能垒。同时根据缺陷形成能性质确定点缺陷在晶界内部的占据位置。
S2：基本原子过程OKMC速率列表创建。本步骤中，根据物理图像(如晶界增强的缺陷扩散、复合)，把MD计算的参数加以简化。如将晶界附近缺陷扩散能垒设置为块体中相应值的一半；将间隙发射诱导的复合分为一定区域内的自发复合和低能垒复合两部分，自发复合区域外缺陷复合能垒正比于缺陷与复合区域的距离，收敛于块体中孤立缺陷扩散能垒；设置不动缺陷团簇尺寸上限。同时简化缺陷之间、缺陷与晶界之间作用半径。计算一定温度下基本过程速率和缺陷产生速率。将一个缺陷对象视作球形，其半径r(n)设置为核心区半径(R)加上影响区壳层半径(rshell)，公式如下：
Figure BDA0002020041260000071
其中n为团簇Vn/SIAn中点缺陷数，a0是晶格常数。考虑到块体中自间隙原子较大的应力场，其rshell设置为较大值。以下是块体和晶界区域缺陷半径计算公式：
Figure BDA0002020041260000072
Figure BDA0002020041260000073
Figure BDA0002020041260000074
Figure BDA0002020041260000075
一个能垒为Em的过程，其速率为：
r＝v0exp[-Em/(kBT)], (6)
其中指前因子v0通常取1012/s，玻尔兹曼常数kB取8.517×10-5eV/K，T为温度。
缺陷产生速率计算方法如下。对于给定的辐照剂量率τ、晶粒尺寸L，点缺陷自间隙原子原子和空位产生速率为：
Figure BDA0002020041260000081
其中计算模型体积Vmodel为L3，一个原子的体积Vatom为
Figure BDA0002020041260000082
S3：OKMC调用相应速率，选择、执行事件。本步骤中根据不同事件、过程的速率，采用轮盘赌方法选择事件，某个事件被选中的几率与该事件速率成正比。对于扩散事件，处于块体区域的缺陷对象三维随机行走，处于晶界附近的缺陷一维扩散，而处于晶界内部的缺陷在晶界面上二维随机扩散；每次扩散，缺陷沿着一个坐标轴方向运动晶格常数一半的距离。对于聚合事件，处于块体中的空位团簇Vn1和Vn2聚合，只考虑一个小团簇被另一个团簇捕获的情况，即限制n1<5或n2<5；考虑到自间隙团簇较高的活性，自间隙团簇之间的聚合不设尺寸限制；对于弛豫晶界内部的缺陷聚合反应，只考虑点缺陷被另一个缺陷捕获的情形；聚合反应执行时，反应后的对象坐标与尺寸较大的一个一致，尺寸变为n1+n2。对于复合事件，保留尺寸较大的一个，剩余对象尺寸为|n1-n2|。对于溶解事件：每次只有一个V/SIA从Vn/SIAn中溶解出来，溶解后，将溶解出来的一个V/SIA放置在捕获半径外
Figure BDA0002020041260000083
的球面上。对于发射事件：每次只有一个V/SI从晶界发射出来，发射后的V/SIA放在晶界对V/SIA捕获区域的
Figure BDA0002020041260000084
之外的格点处。
另外，对于缺陷产生事件，在体系中随机产生一对空位和自间隙原子。产生三个[0,1]之间均匀分布的随机数r1、r2、r3，则缺陷坐标为[L×r1,L×r2,L×r3]。
S4：表征OKMC粗粒化结构。此步骤中，对于OKMC模拟得到的不同辐照剂量(dose)下的微结构进行分析，得到块体区域、晶界附近和晶界内部不同类型缺陷浓度(C)，建立C-dose关系。分析距晶界不同位置处缺陷类型与浓度，建立缺陷浓度与缺陷-晶界距离(d)关系：C(dose)-d。
S5：采样不同剂量下的微结构，并用MD弛豫之。本步骤中将S4中得到的随辐照剂量变化的微结构离散化采样，建立合适尺寸的原子模型，并再现一定剂量下的微结构，保证粗粒化模型和原子结构中相应缺陷浓度相同、缺陷分布一致。模型建好以后，先在0K下静态弛豫模型，然后在一定温度采用MD再次弛豫模型。观察弛豫过程中体系结构的变化。
S6：将观察到的原子过程速率化。此步骤中计算S5中新出现的原子过程发生的速率；确定新过程发生的临界剂量。
S7：更新基本原子过程，重新运行OKMC模块。本步骤中将随辐照剂量发生的新原子过程补充进基本原子过程集合，更新事件速率列表，重新运行OKMC模块。
参照图3，本发明算法流程如下：
(1)计算或收集点缺陷及其团簇扩散、偏聚、复合、聚合、溶解能垒数据，缺陷与缺陷、缺陷与晶界之间结合能数据，以及晶界作用范围数据、缺陷作用半径数据。
(2)设置模拟温度、剂量率、模型尺寸等参数；计算基本原子过程发生速率。
(3)根据缺陷所在位置，调用不同的速率，构建速率列表。
(4)采用轮盘赌的方式筛选要执行的事件。
(5)执行选择的事件。
(6)更新计时器和缺陷位置，输出剂量、缺陷对象位置、缺陷尺寸等表征量。
(7)判断辐照剂量是否超过设定值，否则转到步骤(3)，是则计算不同剂量下辐照缺陷浓度及其分布。
(8)生成相应浓度的原子模型，采用有限温度MD弛豫模型。
(9)观察累积一定剂量后是否出现新过程。否则结束，是则计算新原子过程发生速率，转到步骤(3)。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.模拟纳米晶金属累积离位损伤的方法，其特征在于：步骤包括
S1：基本原子过程MD参数化
采用MD计算或者收集点缺陷及其团簇扩散、聚合、复合、溶解、发射过程的能量学、动力学和作用范围参数，并根据缺陷形成能性质确定点缺陷在晶界内部的占据位置；
S2：基本原子过程OKMC速率列表创建
根据物理图像，把MD计算的参数加以简化，计算一定温度下基本过程速率和缺陷产生速率，构建速率列表；
S3：OKMC调用相应速率，选择、执行事件
根据不同事件、过程的速率，采用轮盘赌方法选择事件，且某个事件被选中的几率与该事件速率成正比，再执行事件，所述执行事件包括：
扩散过程事件：处于块体区域的缺陷对象三维随机行走，处于晶界附近的缺陷一维扩散，而处于晶界内部的缺陷在晶界面上二维随机扩散，且每次扩散，缺陷沿着一个坐标轴方向运动晶格常数一半的距离；
聚合过程事件：处于块体中的空位团簇Vn1和Vn2聚合，只考虑一个小团簇被另一个团簇捕获的情况，即限制n1<5或n2<5，自间隙团簇之间的聚合不设尺寸限制，对于弛豫晶界内部的缺陷聚合反应，只考虑点缺陷被另一个缺陷捕获的情形；聚合反应执行时，反应后的对象坐标与尺寸较大的一个一致，尺寸变为n1+n2；
复合过程事件：执行复合事件时，保留尺寸较大的一个，剩余对象尺寸为|n1-n2|；
溶解过程事件：每次只有一个V/SIA从Vn/SIAn中溶解出来，溶解后，将溶解出来的一个V/SIA放置在捕获半径外
Figure FDA0002725282480000021
的球面上；
发射过程事件：每次只有一个V/SIA从晶界发射出来，发射后的V/SIA放在晶界对V/SIA捕获区域的
Figure FDA0002725282480000022
之外的格点处；
缺陷产生事件：在体系中随机产生一对空位和自间隙原子，产生三个[0，1]之间均匀分布的随机数r1、r2、r3，则缺陷坐标为[L×r1，L×r2，L×r3]，其中L为晶粒尺寸；
S4：表征OKMC粗粒化结构
对于OKMC模拟得到的不同辐照剂量dose下的微结构进行分析，得到块体区域、晶界附近和晶界内部不同类型缺陷浓度C，建立C-dose关系；分析距晶界不同位置处缺陷类型与浓度，建立缺陷浓度与缺陷-晶界距离d关系：C(dose)-d；
S5：采样不同剂量下的微结构，并用MD弛豫之
将S4中得到的随辐照剂量变化的微结构离散化采样，建立合适尺寸的原子模型，并再现一定剂量下的微结构，保证粗粒化模型和原子结构中相应缺陷浓度相同、缺陷分布一致，模型建好以后，先在0K下静态弛豫模型，然后在一定温度采用MD再次弛豫模型，观察弛豫过程中体系结构的变化；
S6：将观察到的原子过程速率化
计算S5中新出现的原子过程发生的速率，确定新过程发生的临界剂量；
S7：更新基本原子过程，重新运行OKMC模块
将随辐照剂量发生的新原子过程补充进基本原子过程集合，更新事件速率列表，重新运行OKMC模块。
2.根据权利要求1所述的模拟纳米晶金属累积离位损伤的方法，其特征在于：步骤S2中，所述简化包括将晶界附近缺陷扩散能垒设置为块体中相应值的一半；将间隙发射诱导的复合分为一定区域内的自发复合和低能垒复合两部分，自发复合区域外缺陷复合能垒正比于缺陷与复合区域的距离，收敛于块体中孤立缺陷扩散能垒；设置不动缺陷团簇尺寸上限；同时简化缺陷之间、缺陷与晶界之间作用半径。
3.根据权利要求1所述的模拟纳米晶金属累积离位损伤的方法，其特征在于：步骤S2中，所述过程速率的计算方法为：
将一个缺陷对象视作球形，其半径r(n)设置为核心区半径R加上影响区壳层半径rshell，公式如下：
Figure FDA0002725282480000031
式中，n为团簇Vn/SIAn中点缺陷数，a0是晶格常数；
考虑到块体中自间隙原子较大的应力场，其rshell设置为较大值；以下是块体和晶界区域缺陷半径计算公式：
Figure FDA0002725282480000032
Figure FDA0002725282480000033
Figure FDA0002725282480000034
Figure FDA0002725282480000035
一个能垒为Em的过程，其速率为：
r＝v0 exp[-Em/(kBT)], (6)
式中，指前因子v0取1012/s，玻尔兹曼常数kB取8.517×10-5eV/K，T为温度。
4.根据权利要求1所述的模拟纳米晶金属累积离位损伤的方法，其特征在于：步骤S2中，所述缺陷产生速率计算方法为：
对于给定的辐照剂量率τ、晶粒尺寸L，点缺陷自间隙原子原子和空位产生速率为：
Figure FDA0002725282480000041
式中，计算模型体积Vmodel为L3，一个原子的体积Vatom为
Figure FDA0002725282480000042
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