Atomistic modelling of irradiation-induced microstructure evolution in Fe alloys

QC 2024-05-23

Abstract

Framtidens kärnreaktorer kräver material med enastående motstånds-kraft mot strålningsinducerade skador. Denna studie presenterar ett teoretisktramverk som kombinerar täthetsfunktionalteori och interatomära potential-metoder, för att förutsäga mikrostrukturell utveckling i Fe-baserade legeringarutsatta för hårda strålningsmiljöer.Med fokus på bcc Fe, FeCr, och FeCrAl-legeringar använder vår forskningen sofistikerad algoritm som skapar och relaxerar defekter i gittret för attsimulera defektbildning och mikrostruktursutveckling under bestrålning. Vipresenterar här den första studien som använder den här algoritmen medkvantmekaniska förstaprincipersberäkningar som grund för att simulera strål-skador direkt i magnetiska material.En avgörande aspekt av studierna är att undersöka inflytandet av hurden rumsliga fördelningen av Frenkel-par (FP) påverkar den mikrostruktu-rella utvecklingen i järn. Våra resultat visar att lokaliserade FP-fördelningar,som reproducerar strålningsförhållanden med låg energiöverföring, signifikantmildrar mikrostruktur utvecklingen jämfört med jämnt fördelade FP. Dettaunderstryker vikten av att ta hänsyn till FP-fördelning för korrekt förutsägelseav dislokation ssegmentbildning och tillväxt under lågenergistrålning. Vida-re visar förstaprincipberäkningar att strålningsinducerad överskottenergi kanutlösa polymorfism i bcc Fe, vilket leder till magnetisk instabilitet, lokali-serad strukturell begränsning och slutligen lokal fasomvandling. Följaktligengenomgår α-Fe lokala omvandlingar till tredimensionella, icke-parallella C15Laves fasstrukturer med tätt packade staplingar och intern lokal ferromagne-tism under extrema förhållanden. Noterbart är att inkluderingen av antiferro-magnetiskt krom i bcc Fe betydligt förbättrar stabiliteten hos interstitiellakluster av C15-typ i koncentrerade FeCr-legeringar.Utöver dessa strukturella insikter fördjupar undersökningen det kompli-cerade samspel mellan atomära beståndsdelar och deras djupgående påverkanpå de icke-linjära magnetiska egenskaperna hos FeCr-system under bestrålning.En slående korrelation framträder, vilket avslöjar att kromhalten direkt på-verkar uppkomsten av svällning, ett avgörande fenomen som kan inducerasav bestrålning. Ökande kromhalt mildrar strålningsinducerad svällning medcirka 40%, vilket understryker den avgörande effekt som legering med kromhar.Med hjälp av första-principersberäkningar har vi även simulerat strålskade-beteende i bcc FeCrAl och i Al2O3. Vi visar att det är relativt sett små skill-nader mellan de olika legeringarnas gensvar, emedan oxiden utvecklas på ettbetydande annorlunda sätt. Antalet överlevande FP är sju gånger högre i ox-iden än i metallerna, och den resulterande nivån av svällning är tre gångerhögre när mikrostrukturell mättnad uppnås efter ca 1 dpa. Vidare ser vi attaluminiumoxiden börjar genomgå en strukturell amorfisering, vilket påvisaratt strålskador har betydande inverkan på oxiden.Dessa fynd fördjupar inte bara vår grundläggande förståelse av struktur-materialens svar på bestrålning, utan banar också väg för avancerad materi-alteknik med potentiella tillämpningar inom nära-framtida komponenter förkärnreaktorer.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-346594