本文研究的出發(fā)點為材料輻照效應的相場模擬。為了與實驗參數(shù)符合,傳統(tǒng)相場方法模擬過程中存在一些問題,例如,在核材料受輻照后形成空洞的演化過程中,空位濃度極低,求解Cahn-Hilliard方程變得異常復雜。在傳統(tǒng)的相場計算方法中,材料的自由能函數(shù)往往采用Landau多項式,界面能采用擴散界面(Diffuse-interface),很難用合適的朗道系數(shù)來擬合真實輻照下的空位濃度。因此,我們產(chǎn)生了發(fā)展更加適合的相場模型的想法�；趯λ俾世碚摰睦^承和受鋰電池枝晶生長相場模型的啟發(fā),我們發(fā)展了一套適用于溶質(zhì)陡峭界面的基于擴散-反應的相場模型。在該模型中,將新相的形核長大過程視為新相和溶質(zhì)在相界面的反應,并對擴散方程進行了修正以添加反應項。我們將該模型應用于輻照損傷領域,研究了空洞在不同輻照強度下的形核長大過程,多晶體系下的空洞演化,輻照的深度效應,三維輻照模擬和界面能效應,發(fā)現(xiàn)很好的解決傳統(tǒng)模型的常見問題:例如空位濃度可以接近實驗值而且模擬的時間尺度得到了顯著提高。然后,我們進一步擴展了反應擴散相場模型,發(fā)展了耦合彈性能的擴散-反應相場方法,并將該模型應用到氫化物的演化體系和多元合金生長體系中,得到了空間各向異性析出相形貌。在反應擴散相場模型的基礎上,我們還發(fā)展了相場勢表方法,擺脫了擬合系數(shù)的復雜,使得相場模型全數(shù)字化。最終我們開發(fā)了一套基于MPI和GPU的并行化相場程序計算包,易于開發(fā),集成了長程相互作用解法器,對大尺度高精度的相場模型提供了更方便的工具。我們使用程序包模擬了多鐵材料中大尺度拓撲渦旋疇的動力學演化和聚合物中磁性顆粒的演化,很好的解釋了實驗。
【學位單位】：北京科技大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TB30
【部分圖文】：

中缺陷團簇的排列在Ｏ．ｌｄｐａ時開始變得明顯，并且持續(xù)到２０ｄｐａｌ５７，５８］。由于??鎳和銅的質(zhì)量相近，晶格結(jié)構(gòu)相同，鎳和銅經(jīng)常被用來比較研宄輻照損傷效??應。圖２－２?（ａ）顯示在金屬鎳中不同輻照劑量和輻照溫度情況下，觀測到的??＜００１＞方向的缺陷團簇壁，包括Ｎｉ＋粒子，裂變中子和質(zhì)子輻照，圖中實心??的標志表示能觀測到缺陷團簇壁的區(qū)域。圖２－２?（ｂ）顯示銅在輻照情況下觀??測到的有序缺陷團簇壁的出現(xiàn)（實心標記）和消失（空心標記），輻照源包括??０．４Ｍｅｖ質(zhì)子、０．８Ｍｅｖ氣離子、３Ｍｅｖ質(zhì)子、７８０Ｍｅｖ質(zhì)子、銅離子、鐵離子??和裂變中子輻照［５８，６？６４１。從實驗上可以看出，輻照誘導缺陷團簇的有序組織??只有在一定輻照條件下才能觀測到。在發(fā)現(xiàn)輻照誘導空洞形成幾年后，研究??人員發(fā)現(xiàn)了在一定條件下空洞的排列和氣泡的排列。金屬鈮在１０７３Ｋ，??７．５ＭｅｖＴａ＋離子，輻照劑量為３００ｄｐａ的輻照下觀測到空洞晶系的結(jié)構(gòu)，并且??可以看出空洞形成的晶格結(jié)構(gòu)與原子的晶格結(jié)構(gòu)相同（ＢＣＣ）。金屬鉬的空洞??超晶格同樣會出現(xiàn)，其輻照參數(shù)為：２Ｍｅｖ?Ｎ＋離子，劑量為ｌＯＯｄｐａ，溫度為??１１４３Ｋ�？梢钥闯隹斩闯Ц竦木Ц癯�(shù)和空洞密度隨著輻照的環(huán)境的改變??而改變

?ａｍ（Ｐ１＋Ｐ２＋？３）＋？１１２［？，（＋＾）＋Ａ（＋３）＋（＋－Ｐ）］＋？，２３２ｕ２??（５１１?＋５１２??ａｉ－？ｍ?￣ｕ?２ｆ２－，??？Ｓｎ?＋５１２?＾ｌｌ?＂＊＂＊Ｓ１２??１１?＊?〇２??叫丨［從＋必１丨＿２２＂ａ而］心??？１２￣?；?１?－＼（Ｑｎ?＋Ｑｎ）ｓｎ?－２ＱｕＱｎｓｉｘ＼?＋?＾－＾ｉ?＝?ａｎ?＋Ｑｎ｛Ｑ＇＾Ｑｎ＼??？ｓ？－５ｉ２?２ｓｕ?■Ｓｉｉ＋－Ｓ１２??Ｐ為極化矢量，＾為朗道多項式系數(shù)，為平面應變，Ｓ為電致伸縮系數(shù)，其中對于ＢａＴｉＯｕＣ＾ｃ＾是溫度的線性道系數(shù)通過Ｌｅｎｇｅｄｒｅ變換都是溫度和應變的函數(shù)，也就是和應變的函數(shù)。為了能和實驗相圖擬合，朗道多項式越來超過８階，系數(shù)多達十幾個，單一的解析形式很難再完全為此，研宄者不斷修改各項系數(shù)，甚至將其變成溫度應變ｄａｕ多項式的擬合參數(shù)也變得越來越復雜。??＇？、￣￣￣??

但是由于材料中普遍存在硬化，屈服應力應該被修正為一應力和硬化的??函數(shù)＆?＝１（＾（７），例如我們通過使用線性硬化模型修正了完美彈塑性模型??得到的應變應力加載曲線（圖２－４）。能夠處理真實塑性形變的相場模型是未??來研宄的方向之一。??…醫(yī)－－ｐｅｒｆｅｃｔ?ｐｌａｓｔｉｃ?ｍｏｄｅｌ??？?ｌｉｎｅａｒ?ｈａｒｄｅｎｉｎｇ?ｍｏｄｅｌ??：：Ａ＾＾?—??＾?〇６－?／??Ｉ０４＇?／??〇２?／??０．０－??０．０００?０．００５?０．０１０?０．０１５?０．０２０??ｓｔｒａｉｎ??圖２－４相場模型中得到的完美塑性和線性硬化彈塑性應變應力關系。??２．３輻照條件下空洞演化的相場模擬??輻照金屬中的空洞和空洞晶系的形成是一個非平衡相變的過程，空洞的??演化可以通過自由能的演化得到。由于點缺陷濃度極低，符合稀釋溶質(zhì)熱力??學模型，含有空位空洞的金屬體系熱力學勢有以下形式［７１］：??０｛Ｐ，Ｔ，?Ｎ，ｎ）?＝?Ｎ／．ｉ０｛Ｐ，Ｔ）?＋?ｎｋＢＴｌｎ（？／ｅＮ）?＋?ｎＥｆ?（Ｐ，Ｔ）?（?２－２８?）??因此可以得到空洞空位體系的化學勢：??／ｊ（Ｐ，?Ｔ）?＝?ｄ（Ｄ／ｄｎ?＝?ｋＢＴ?Ｉｎ?ｃｖ?＋?Ｅｆ｛Ｐ，?Ｔ）??（２－２９?）??其中ｃｖ為空位濃度，五７為空位形成能�？紤]一級近似，點缺陷流為化??學勢的梯度：??／?－?ｒ生??Ｊｋ?－?￣Ｙｋｉ??ｏｘ＇?（?２－３０?）??其中＆為動力學系數(shù)，由粒子數(shù)守恒可以得到：??＝?－ＶＪ?＝?ｖｋｒｋｌｖｌＭ（ｃｖ（ｘｊ））??（２－３１）??－２１?－??
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本文編號：2865243