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金属中氦和氢泡形核的第一原理研究

文章出处:扑克王app官网 人气:发表时间:2020-11-14 15:07

  氦和氢在金属中的溶解度很低,容易在晶界、相界、空位及位错处聚集,形成氦泡和氢泡,导致材料表面和体相的微观结构改变,力学性能下降,严重影响材料的服役寿命。受实验技术手段的限制,金属中氦泡和氢泡形核长大过程中的一些基本问题还没有完全弄清楚,如氢分子何时形成、氦团簇如何迁移、以及形核机制等。随着计算机硬件性能的提高和并行计算方法的改进,基于量子力学第一原理的大规模并行计算成为解决这些问题的可选工具。运用第一原理计算方法,我们研究了体心立方金属铁、钼、钨和面心立方金属铜、钯、铂六种金属中氦的自捕获效应和氦原子对的迁移行为。计算表明氦原子对的迁移势垒主要取决于低能量的氦原子对构型,而这些构型又依赖于不同间隙位置单个氦原子的形成能。体心立方金属中氦原子对迁移行为相似,势垒都略高于单个氦原子。亚稳定桥位置的存在使面心立方金属中氦原子对迁移复杂:它在铜中的迁移势垒小于单个氦的势垒,在钯和铂中和后者相等。我们的第一原理计算结果不仅为未来更大氦团簇的计算提供起点,为分子动力学计算所需的势函数提供了验金石,也为更大尺度的模拟计算提供了准确的参数。为阐明氦泡、氢泡与合金元素的相互作用,我们以铍钨合金中的第二相Be22W为例,研究了合金相对氦和氢的捕获作用,以及对氦泡氢泡形核初期的影响。计算表明,和纯铍相比,Be22W中的间隙位的氦和氢的溶解能更低,迁移势垒更高,在捕获氦和氢的同时也阻碍二者的扩散;铍和钨的相互作用提高了 W、Be16c和Be16d空位的形成能,降低了 Be48f和Be96g的形成能。Be22W中氦的自捕获能力较弱,铍空位对氢的捕获能也较小,所以氦和氢的聚集成团趋势减小。我们预测弥散分布的Be22W颗粒可以成为有效的氦和氢的捕获中心,抑制氦泡和氢泡的形核和生长,提高铍的耐辐射性。氢的聚集是氢泡形成的前提,而氢分子的形成则是氢泡形成的标志和起点。体心立方金属中单空位能捕获氢,但氢分子的形成一般需要更大的自由体积。我们以体心立方金属铬和钨为例研究了分子氢形成所需要的临界空位团簇大小。计算结果表明,在铬中,最小的氢泡是27-空位团簇,在表面捕获54个氢而致饱和后,在空洞中心形成9个H2分子;在钨中,最小的氢泡也是27-空位团簇,在表面捕获66个氢而致饱和后,在空洞中心形成9个H2分子。捕获的氢原子以及压缩的H2能够促进空洞的生长。我们的第一原理研究在原子尺度上揭示了铬和钨金属中氢泡形核与长大不是自捕获效应,不同于氦泡自发产生空位和自间隙原子。我们计算的结果对于理解诸多金属材料的氢脆现象也可以提供帮助。

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