（光学专业论文）金属中氦行为的计算机理论模拟.pdf

摘要 摘要 由于氦不溶于材料基体，随着基体中产生氦量的增加或通过适当的氦原子迁 移，基体中的氦原子将会在空位、位错和晶界处聚集、沉淀，形成氦空位( h e _ v ) 团，乃至形成纳米尺度的析出相一氦泡。材料中形成的氦泡会导致反应堆材料出 现空洞肿胀，使材料发生脆化或表面出现泡状，变得粗糙，从而使得材料的宏观 性能下降。因此，氦在材料中的产生和演变受到了很大关注。 本文采用分子动力学方法，利用m o l d y 程序，系统研究了0 【一f e 中氦的微观 行为；并采用基于密度泛函理论的从头算法，利用v a s p 程序，研究了过渡金属 中单个氦的稳定位置和f e e a l 中氦的稳定、迁移和成团情况。 1 、采用分子动力学方法模拟研究了在1 0 0 k 和6 0 0 k 下i x - f e 中有l a t h e - - - - 5 a t h e 的级联现象；采用两套作用势对比模拟研究了1 0 0 k 的仅铁中有l a t h e 一5 a t h e 的级联现象，发现氦导致f e 的级联中缺陷的形成和分布情况与纯f e 明显不同： 氦使得级联中产生的点缺陷f r e n k e l 缺陷对数目发生了明显变化。辐照温度对 f r e n k e l 缺陷对数目的影响很小，但是随着氦浓度和级联能增加，点缺陷增多。特 别是氦使得级联中形成了更多较大的空位团，即氦空位团，而纯铁的级联中只有 少量小空位团，也就是说位移级联过程可以直接导致h e 泡成核。级联中形成氦一 空位团的情况与多种因素有关。随着级联能的增加，氦空位团的数目和尺寸一般 都呈现增加趋势；随着氦浓度的增加，氦空位团的数目和尺寸一般也呈现增加趋 势；随着辐照温度的增加，级联中形成的氦空位团数量增大，但平均尺寸基本不 变。 虽然不同相互作用势对级联中氦一空位团的形成没有本质上的改变，但是形成 的氦空位团在数量和尺寸上都有较大差异。对模拟结果影响的强弱顺序为：f e f e 相互作用 f e h e 相互作用 h e h e 相互作用。 2 、采用分子动力学方法模拟研究了位移级联与氦空位团的相互作用。氦空 位团中初始空位数目选为1 0 与2 0 个，初始氦与空位个数之比( h 洲) 从o 2 增加 到3 ，级联能从2 k e y 增加到1 0 k e y 。模拟结果发现： 在单次级联作用下，氦空位团的稳定性主要依赖于h e v 比例的初始值和级 摘要 联能的大小。当初始h e v i 时，氦空位团的尺寸随着级联能的增加而增加，而 h e v 比例随着级联能增加而降低；但是对于初始h e 1 1 0 刃型位错中的结合能，研究了小氦空位团与刃型位错的相 互作用。发现氦一空位团和刃型位错之间的相互作用与团中氦和空位个数之比密切 相关。当h e v i 时，在垂直于滑移面的方向上，氦空位团被捕陷在刃型位错的 扩张方，然而当h e v i 时，氦空位团被捕陷在位错芯的扩张和压缩方0 5 n m 范围 内。在滑移面上，h e 。v m ( 崆m ) 和h e n v m ( n r n ) 团与位错的相互作用相似一被束缚在 离位错芯1 3 n m 范围内，只是h e n v m ( n 孤) 团与位错的作用比h e n v m ( n m ) 团与位 错的作用更强。氦空位团在滑移面上和位错的结合能与h e v 比例密切相关，与 团的大小有微弱关系。 4 、采用基于密度泛函理论的从头算法，利用v a s p 程序研究了过渡金属中单 个氦的稳定性。计算结果显示除了n b 这族元素外，氦在替换位置最稳定。间隙氦 的稳定位置则与金属结构有关系。对于b e c 结构金属，四面体间隙氦比八面体间隙 氦更稳定；而对于f e e 结构金属，间隙氦的稳定位置没有规律可循。单个氦原子在 金属中的稳定位置与晶体是否有磁性没有直接关系。 本文还利用v a s p 程序研究了f e ea 1 中氦的稳定、迁移和小氦空位团的稳定 性。铝中八面体间隙氦比四面体间隙氦稍稳定，而间隙氦在f e e a i 中的迁移路径是 从八面体间隙位置出发，通过四面体间隙位置，再到达邻近的八面体间隙位置， 其迁移能为0 1 0 e v 。f c ca 1 中双空位和三空位团不稳定，而氦的引入增加了空位团 的稳定性。氦( 或空位) 与氦一空位团的结合能主要与团中h e v 比例有关，与团 的尺寸有微弱关系。 关键词：氦，金属，分子动力学，密度泛函理论 i i a b s t r a ( 了r a b s t r a c t b e c a u s eo ft h ee x t r e m e l yl o ws o l u b i l i t yo fh e l i u mi nm e t a l s ，h e l i u ma t o m s g e n e r a t e dm o s t l yb y 仍，0 【) r e a c t i o n so fn e u t r o n sw i t hm a t r i xn u c l e id u r i n gn e u t r o n i r r a d i a t i o nt e n dt ob et r a p p e da td e f e c t st h a tc r e a t ee x c e s sv o l u m ew i t h i nt h ec r y s t a ls u c h a sv a c a n c i e s ，d i s l o c a t i o n sa n dg r a i nb o u n d a r i e s i th a sb e e no b s e r v e dt h a th e l i u me a s i l y p r e c i p i t a t e si n t oc l u s t e r so rb u b b l e s t h ef o r m a t i o no fh e l i u mb u b b l e si nm a t e r i a l sc a n l e a dt ov o i ds w e l l i n ga n dp r o d u c e sh i 曲t e m p e r a t u r ei n t e r g r a n u l a re m b r i t t l e m e n t , s u r f a c er o u g h e n i n ga n db l i s t e r i n g t h e s ee f f e c t sw o u l ds i g n i f i c a n t l yd e g r a d et h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fm a t e r i a l s ，t h e r e f o r e ，t h ep r o d u c t i o na n de v o l u t i o no fh ea t o m s i nm e t a l sa r es m d i e dw i t hp a r t i c u l a rc o n c e r n i nt h i sp a p e r , as y s t e m a t i ci n v e s t i g a t i o no ft h ea t o m i t i cb e h a v i o ro fh e l i u mi na - f e h a sb e e nc a r r i e do u tb ym o l e c u l a rd y n a m i c s ( m d ) m e t h o d sa n dm o l d yc o d e f u r t h e r m o r e ，a bi n i t i oc a l c u l a t i o n sb a s e do nd e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r yh a v eb e e n p e r f o r m e dt os t u d yt h er e l a t i v es t a b i l i t yo fs i n g l eh ed e f e c ti nb c ca n df c cm e t a l sa n d t h ed i s s o l u t i o na n dm i g r a t i o no fh e l i u m ，a n dt h es t a b i l i t yo fs m a l lh e l i u m - v a c a n c y c l u s t e r si na l u m i n u m 1 d i s p l a c e m e n tc a s c a d e sa r es i m u l a t e db ym dm e t h o d si n0 【- f ec o n t a i n i n ga c o n c e n t r a t i o no fs u b s t i t u t i o n a lh ea t o m sv a r y i n gf r o mlt 05a t a ti r r a d i a t i o n t e m p e r a t u r e so f10 0ka n d6 0 0k f u r t h e r m o r e ，t h ee f f e c t s o fu s i n gd i f f e r e n t i n t e r a t o m i cp o t e n t i a l si nm ds i m u l a t i o n so ft h ef o r m a t i o no fh e - v a c a n c yc l u s t e r sw i t h i n d i s p l a c e m e n tc a s c a d e si n 阱 ea r ei n v e s t i g a t e du s i n gt w os e t so f p o t e n t i a l s t h er e s u l t sa r ec o m p a r e d 谢t 1 1t h o s ep e r f o r m e di np u r ea - f e t h e r ea r ed i s t i n c t d i f f e r e n c e si nt h en u m b e ra n ds i z eo fp o i l l td e f e c t sa n dd e f e c tc l u s t e r sw i t h i n d i s p l a c e m e n tc a s c a d e sw i t ha n dw i t h o u ts u b s t i t u t i o n a lh e l i u ma t o m s w ef i n dt h a tt h e e f f e c to ft h ei r r a d i a t i o nt e m p e r a t u r eo nf r e n k e lp a i r s i ss m a l la st h et e m p e r a t u r e i n c r e a s e sf r o m10 0kt o6 0 0ka n dt h et o t a ln u m b e ro fp o i l l _ td e f e c t si n c r e a s e sw i l i n c r e a s i n gh ec o n c e n t r a t i o n sa n dp r i m a r yk n o c k o na t o m ( p i c a ) e n e r g i e s p a r t i c u l a r l y , l a r g en u m b e r so f h e l i u m v a c a n c y ( h e v ) c l u s t e r sa r eg e n e r a t e dd i r e c t l yi nd i s p l a c e m e n t h i a b s t r a c t c a s c a d e s ，a n dt h es i z e so ft h e s ec h t e r sa r em u c hl a r g e rt h a nt h o s eo b s e r v e df o rc l u s t e r s i np u r e0 f e ，i e i nt h ep r e s e n c eo fs u b s t i t u t i o n a lh ea t o m sl a r g ev a c a n c yc l u s t e r sc a i l b en u c l e a t e dd i r e c t l yi nd i s p l a c e m e n tc a s c a d e s f u r t h e r m o r e ，t h en u m b e ra n ds i z eo f h e - vc l u s t e r sg e n e r a l l yi n c r e a s ew i t hi n c r e a s i n gh e l i u mc o n c e n t r a t i o na n dp k ae n e r g y ，n l en u m b e rd e n s i t yo fh e - vc l u s t e r sa l m o s ti n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gt e m p e r a t u r e ， w h i l et h em e a ns i z eo fh e vc l u s t e r sr e m a i n sa l m o s tc o n s t a n tf o r t h es a m eh e c o n c e n t r a t i o na n dp k ae n e r g y a l t h o u g ht h ee f f e c t so fi n t e r a t o m i cp o t e n t i a l so nt h en u c l e a t i o no fh e v a c a n c y c l u s t e r si n d u c e db yc a s c a d e sa r er e l a t i v e l ys m a l l ，t h en u m b e ra n ds i z eo fh e v a c a n c y c l u s t e r sp r o d u c e da r es i g n i f i c a n t l yd i f f e r e n tf o rt h ed i f f e r e n tp o t e n t i a l se m p l o y e di nt h i s s t u d y f r o mt h e s es t u d i e s ，i ti sc l e a rt h a tf e f ep o t e n t i a lh a ss i g n i f i c a n te f f e c t so nt h e f o r m a t i o no fh e vc l u s t e r sw i t h i nc a s c a d e s ，f o l l o w e db yf e - h ep o t e n t i a l ，b u th e - h e p o t e n t i a lh a sl i t t l ei n f l u e n c e so nc a s c a d e - i n d u c e dc l u s t e rf o r m a t i o n 2 t h ei n t e r a c t i o n so fd i s p l a c e m e n tc a s c a d e sw i t hh e l i u m - v a c a n c yc l u s t e r sa r e i n v e s t i g a t e du s i n gm o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o n s i n i t i a lh e vc l u s t e r sc o n s i s to f1 0 a n d2 0v a c a n c i e sw i t ht h eh e - t o v a c a n c y ( h e v ) r a t i o sr a n g i n gf r o m0 2t o3a n dt h e p i ca e n e r g y , 耳，v a r y i n gf r o m2k e vt o1 0k e v n ee f f e c t so fas i n g l ed i s p l a c e m e n t c a s c a d eo nt h es m b i l i t yo fah e vc l u s t e rd e p e n do nt h eh e r a t i oa n dt h ep k ae n e r g y m e nt h ei n i t i a lh e r a t i oi sl a r g e rt h a n1 ，t h es i z eo fh e - - vc l u s t e r si n c r e a s e s ，a n dt h e h e vr a t i od e c r e a s e sw i mt h ep k ae n e r g yi n c r e a s i n g , b u tw h e nt h ei n i t i a lh e r a t i oi s l e s st h a n1 ，t h es i z eo fh e - vc l u s t e r sd e c r e a s e s ，a n dt h eh e vr a t i oi n c r e a s e sw i t ht h e p k ae n e r g yi n c r e a s i n g 1 1 1 ec l u s t e r sw i t ht h eh c ，vr a t i oo fla r er e l a t i v e l ys t a b l e , w h i c hi si n d e p e n d e n to ft h ep k ae n e r g y o n eo ft h es t r i k i n gr e s u l t si st h a tl a r g e h e - v a c a n c yc l u s t e r sa r em o r e s t a b l et h a ns m a l lc l u s t e r sf o rt h es a m eh e r a t i ou n d e r m o n o i r r a d i a t i o nc o n d i t i o n d u r i n gm u l t i p l e5k e vc a s c a d ee v e n t s ，t h ef i n a l s i z eo fh e - vc l u s t e r so n l y d e p e n d so nt h ei n i t i a lh e r a t i o s i ti so fi n t e r e s tt on o t i c et h a tt h en u m b e ro fv a c a n c i e s i nah e - vc l u s t e ri sd e t e r m i n e db yt h ef i r s tc a s c a d ee v e n t ，w h i l es u b s e q u e n tc a s c a d e o v e r l a ph a sas i g n i f i c a n te f f e c to ni t ss t a b i l i t y t h e s er e s u l t sa r ed i s c u s s e di nt e r m so f t h ei n t e r n a lp r e s s u r eo fh e - vc l u s t e r s ，t h em o b i l i t yo fh ea t o m s ，t h en u m b e ro f v a c a n c i e sp r o d u c e db yc a s c a d e sa n dt h eh e r a t i o 3 m o l e c u l a rs t a t i cm e t h o d sa r ep e r f o r m e dt os t u d yt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nh e v i v a b s t r a c t d u s t e r sa n da l la 2 1 1 0 e d g ed i s l o c a t i o ni n0 【一f et h r o u g hc a l c u l a t i n gt h eb i n d i n g e n e r g i e so fh e v c l u s t e r si na n dn e a rt h ee d g ed i s l o c a t i o nw i t he m p i r i c a lp o t e n t i a l s t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ei n t e r a c t i o nd e p e n d so nt h eh e vr a t i oo ft h ec l u s t e r s f o rt h er a t i o e q u a lt oo rl a r g e rt h a n1 ，h e - vc l u s t e r sa r es t r o n g l yt r a p p e d o nt h et e n s i o ns i d eo fe d g e d i s l o c a t i o n sa n dr e p e l l e df r o mt h ec o m p r e s s i o ns i d eo fe d g ed i s l o c a t i o n s ，h o w e v e r , f o r t h er a t i ol e s st h a n1 h e vc l u s t e r sa r et r a p p e dw i t h i na b o u t0 5n n lf r o m 也ed i s l o c a t i o n c o r eo nb o t ht h ec o m p r e s s i o na n dt e n s i o ns i d e s o nt h es l i pp l a n e ，t h ee f f e c t so f d i s l o c a t i o n so nt h ef o r m a t i o no fh e - vc l u s t e r si sv e r ys m a l lf o rt h ed i s t a n c e sm o r et h a n a b o u t1 。3n i nf r o mt h ed i s l o c a t i o nc o r e 4 砀er e l a t i v es t a b i l i t yo fs i n g l eh ed e f e c ti nb c ca n df e em e t a l si si n v e s t i g a t e d u s i n ga bi n i t i oc a l c u l a t i o n sb a s e do nd e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r y ( d f t ) 1 1 1 ec a l c u l a t i o n s r e v e a lt h a tf o ra l lm e t a l si n v o l v e d , e x c e p tf o rva n dn b ，t h es u b s t i t u t i o n a lp o s i t i o ni st h e m o s ts t a b l e f u r t h e r m o r e ，t h et e t r a h e d r a ls i t ei se n e r g e t i c a l l ym o r ef a v o r a b l ef o rt h eh e i n t e r s t i t i a lt h a nt h eo c t a h e d r a ls i t ei nt h eb c cm e t a l s ，b u tt h er e l a t i v es t a b i l i t yo fh e d e f e c t si nt h ef e em e t a l si sn o td e f t n i t i v e i ti si n t e r e s t i n gt of i n dt h a tt h em a g n e t i s mo f h o s ta t o m sd o e sn o td i r e c t l ya f f e c tt h er e l a t i v es t a b i l i t i e so fh ei n t e r s t i t i a ls i t e s a bi n i t i oc a l c u l a t i o n sb a s e do nd e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r yi sa l s op e r f o r m e dt o s t u d yt h ed i s s o l u t i o na n dm i g r a t i o no f h e l i u m ，a n dt h es t a b i l i t yo f s m a l lh e l i u m v a c a n c y c l u s t e r sh e n v m ( 咒，m = 0t o4 ) i na l u m i n u m t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h eo c t a h e d r a l e o n f i g u r a t i o ni sm o r es t a b l et h a nt h et e t r a h e d r a l i n t e r s t i t i a lh e l i u ma t o m sa r ep r e d i c t e d t oh a v ea t t r a c t i v ei n t e r a c t i o n sa n dj u m pb e t w e e nt w oo c t a h e d r a ls i t e sv i aa l l i n t e r m e d i a t et e t r a h e d r a ls i t ew i t hl o wm i g r a t i o ne n e r g yo f0 10 “1 1 1 er e s u l t si n d i c a t e t h a tt h ed i v a c a n c ya n dt r i v a c a n c yd u s t e r sa r en o ts t a b l e ，b u th ea t o m sc a l li n c r e a s et h e s t a b i l i t yo fv a c a n c yc l u s t e r s 1 1 1 eb i n d i n ge n e r g i e so fa l li n t e r s t i t i a lh ea t o ma n da l l i s o l a t e dv a c a n c yt oah e vc l u s t e rm a i n l yd e p e n do nt h eh e r a t i oo ft h ec l u s t e r s r a t h e rt h a nt h ec l u s t e rs i z e k e y w o r d ：h e l i u m ，m e t a l ，m o l e c u l a rd y n a m i c s ，d e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r y v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：塑 函日期：矽口7 年1 1 月e 1 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 、j 矿 签名： 物丞) 导师签名： 日期：沙叼年i1 月ie l 第一章绪论 第一章绪论弟一早 三百下匕 由于原子核反应或衰变释放的射线和能量在国民经济和国防中的应用，导致 惰性元素氦在材料中的行为成为材料科学、核科学与核技术中长期受人关注的特 殊问题。材料中氦的产生和积累有多种原因，常见的有贮氚材料中因氚衰变而产 生氦3 ；裂变堆、聚变堆内部核反应产生的中子与结构材料的( n ，c z ) 反应会在 材料中产生氦；聚变反应堆第一壁材料表面不断受到氘、氚等离子体中聚变产物 粒子的轰击而造成氦的积累；等等u 】【2 】。其中氦在聚变反应堆中的产生非常明显。 因为核聚变是指由质量小的原子，主要是指氘和氚，在一定条件下( 如超高温和 高压) ，发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，并伴随着巨大的 能量释放的一种核反应形式。一个氘核由一个质子和一个中子组成，一个氚核由 一个质子和二个中子组成，它们发生聚变反应结合成由二个质子和二个中子组成 的氦核，同时放出一个中子，并释放出核能。对于聚变堆的包壳结构材料( 目前 主要是不锈钢) ，其内表面由于长期受到高能氦核和中子的辐照，可分别以离子注 入及( n ，c o ) 核反应，在结构材料中较深的范围内产生氦原子。由于氦不溶于材 料基体，而且间隙氦原子的迁移能很低，随着金属中引入氦量的增加或通过适当 的氦原子迁移，金属中的氦原子会聚集而形成纳米尺度的析出相一氦泡。包壳材 料中由于辐照和氦原子积累共同作用所产生的肿胀、空洞、甚至裂纹，加上力学 性能的脆性化等现象，将最终导致等离子体的包容实效。虽然目前能进行核电生 产的只有核裂变，但是与核裂变相比，核聚变所产生的能量更加清洁、安全、高 效，其能量来源也更为丰富。目前，核聚变反应堆正处于试验阶段，美国以及世 界其他地区的多个实验室都正在开展这项研究。 由氦引发的宏观现象，与金属中氦原子的具体行为有关，因此为了最终能解 决材料中氦引发的问题，有必要搞清楚材料中氦的存在形态及其演变，弄清氦原 子在金属中导致材料宏观性能变坏的机制，探寻相应的抑制氦脆或氦损伤的有效 措施，这对于核能工业和有关军事工业的发展都是十分必要的。本章介绍了三个 方面：氦在金属中行为的研究历史和现状；金属中氦的基本特性；金属中氦行为 的研究方法，针对这三方面的介绍提出了本论文研究的内容及方法。 电子科技大学博士学位论文 1 1氦在金属中行为的研究历史和现状 早在2 0 世纪6 0 年代中期就开始了对材料中氦的研究。b a r n e s 3 于1 9 6 5 年在 n a t u r e 上发表的文献首先报道了钢受到辐照后由于氦泡聚集在晶界而引起高温脆 化。他经过多方面的研究得出经h a r w e u 实验室反应堆辐照后的2 0 2 5 n b 和p e l 6 中钢所出现的高温脆性，应为中子和a 粒子辐照产生的位于晶界的直径为数十n l t l 的氦泡引起的，而且只要两种材料中的h e 原子浓度分别积累到2 0 0 p p b 和3 p p b ， 在高温下就足已导致其明显的塑性损失。这篇文献激发了人们系统研究反应堆结 构材料( n ，仪) 辐照产生氦脆问题的兴趣。 2 0 世纪7 0 年代受控热核反应研究的进展推动了聚变堆材料的研究，大大促进 了这一领域的发展。有关贮氚材料中h e 问题的研究，开始公开报道。1 9 7 5 年 1 1 l o m p s o n 【4 】报道氚衰变的氦对不锈钢力学性能的影响。由于在聚变堆中，中子通 量比裂变堆高一个数量级【5 】，人们也愈加重视结构材料的氦脆问题。研究手段除常 规的力学性能测试，氦泡的直接观察外，还采用各种核物理分析方法从实验上研 究h e 的微观行为f 6 】【7 】。七十年代金属中氦行为研究的另一个特征就是理论计算得 到了较大的发展：从最初计算单个h e 原子与点阵原子和点缺陷( 主要为空位) 的 相互作用【8 1 ，到h e 原子团与空位团的相互作用【9 】【1 0 】，相互作用势也有了发展，从 各种经验作用势到完全量子力学从头计算作用势【1 1 1 。这个时代在理论计算方面的 领军人物是w i l s o n ，他及其合作者首次研究发现f 如铜中存在着稳定的、6 个h e 原子与1 个空位的团( h e 6 v ) ，根据这些信息，通过解4 2 个耦合方程来分析辐照 条件下缺陷的形成和迁移动力学 9 】，这成为后来大家探讨氦泡形核、长大机制的出 发点。 到了八十年代，各发达国家如美、德、日、英等都投入了相当大的力量研究 材料中的氦，既有针对性很强的应用研究，也有基础研究，这使得金属中氦行为 的研究空前活跃起来。在此期间，国际上曾举行过两次专题讨论会，即1 9 7 9 年底 在英国h a r w e l l 实验室召开的“金属中惰性气体 的讨论会和1 9 8 2 年在德国召开 的题为“金属中的氦基础性问题”讨论会，与会的专家们从微观和宏观的角度， 多方面探讨了金属中h e 的基本特性和研究方法，颇具影响力。1 9 8 9 年，r l a s s e r 以其著作“t r i t i m ma n dh e l i u m 3i nm e t a l s ”对氚衰变产生的氦的行为进行了全面的 总结。在理论计算方面，w i l s o n 等对n i 中氚衰变的h e - 3 的簇聚计算表明，只要5 2 第一章绪论 个氦原子团就能发射一个金属自间隙原子而自动生成一个空位，8 个和1 6 个氦原 子团分别能发射2 个和5 个空位和自间隙原子对，这就是所谓的氦原子的自陷现 象( s e l f - t r a p p i n g ) 1 2 】。随着氦浓度的增加，氦原子与团的结合能增大，自陷好像 是永不饱和的。接着d a w 1 3 】等提出了一种新的半经验计算方法一嵌入原子法 ( e a m ) ，克服了w i l s o n 等经验对势计算方法的一些缺点。在实验技术方面，常 采用氦离子注入、氚衰变和( 1 1 0 ) 反应获得含氦的金属材料。氦行为的实验研究 方法也多样化，除了常规的力学测量、x 射线及中子衍射测量、透射电子显微镜 ( t e m ) 、热解吸谱( t d s ) 方法外，还有其它的方法，如正电子湮灭( p a s ) 技 术、扰动角关联( p a c ) 技术、离子束( i b m ) 分析技术、电子能损谱( e e l s ) 、 小角中子散射( s a n s ) 等。 九十年代以来，人们愈加重视材料中氦的研究，更多的理论方法和实验手段 对金属中的氦行为进行了更详细的研究，涉及的材料有n i 、c u 、a i 、m o 、n b 、v 和各种类型的不锈钢等。随着计算机技术的发展，理论计算向更多h e 原子或缺陷 成团的动态模拟阶段发展，模拟方法主要是分子动力学( m d ) 和m o n tc a r l o 方法， 如用分子动力学方法模拟c u 中多个空位形成的空洞与氦原子、氢原子的相互作用 b 4 ，用m o n tc a r l o 方法模拟n i 中氦泡形成位错环以及位错环的运动【l5 】等。分子动 力学1 6 】【1 7 】和分子静力学( m s ) 【1 7 】提供了氦的迁移、相互作用、成团的热力学和 现象学情况，动力学m o n t e c a r l o ( k m c ) 【1 6 】【1 8 】模拟研究了氦原子的迁移和相互作 用以及它在材料的微观结构的演变过程中的作用。最近，基于量子力学的从头算 法( a bi n i t i o ) 被用于金属中氦行为的研究：研究了f e 中磁相互作用对氦缺陷的影 响以及0 c f e 中氦的分解、迁移、与空位成团【1 9 2 0 l ；研究了钨中固有点缺陷和氦的 一些性质【2 l 】等。实验研究方面，有用p a s 方法研究n i 中氦泡的形核和生长瞄】、 t d s 研究n i 基和f e 基合金中c 和趾对氦泡参数的影响【2 3 】、用t e m 2 4 】观察分析 氦泡和氦团、i b m 2 5 】方法提供了氦对材料的微观结构的影响等。期间，在有关受 控热核反应装置、聚变堆材料及氚工艺等大型定期国际会议以及材料科学与工程 的会议上，氦的问题经常是重要的讨论专题之一。 我国在金属中氦行为的研究起步较晚，但自1 9 8 7 年以来也陆续有些单位关注 这一领域的研究，取得了一定的成绩【2 6 】【2 7 】【2 8 】【2 9 】。北京科技大学的王佩璇等用注入 法研究金属中的氦脆问题【3 0 】。九十年代，兰州近物所的王引书、陈克勤、张崇宏【l 】【3 1 】 等采用注入h e + 研究不锈钢中的氦泡的形核与生长；北京理工的刁小雪等研究了辐 照金属的氦脆问题【3 2 】。而关于充氚金属中的氦行为问题，则始于九十年代中后期， 电子科技大学博士学位论文 中物院在钛材和不锈钢中做了一些工作，手段局限于力学性能测试、h e 释放行为、 t e m 的直观观察等。在理论计算方面，只见到很少报道f 3 4 】【3 5 】1 3 6 】【37 1 。总之，无论 是研究手段，还是所涉及到的金属种类，同国外相比，都存在较大的差异。 1 2 金属中氦的基本特性 氦是惰性气体。，不易溶于固体材料，因此旦金属中引入氦后，氦将与金属 中点阵原子和缺陷发生相互作用，最终导致金属微观结构和宏观性质发生变化。 为了更好地说明金属中氦的微观行为，首先介绍氦原子与点阵原子和缺陷的各种 相互作用情况。根据氦引入数量的多少、材料内部结构和所处环境条件( 如温度) 的不同，氦的存在形态有；( 1 ) 单个原子及原子团；( 2 ) 氦泡。下面首先介绍单 个氦原子的一些能量参数。 1 2 1金属中氦的能量参数 氦原子在金属晶格中不同位置的能量决定氦的溶解度、扩散方式、氦的捕陷 以及氦原子空位团的凝聚、氦泡的形成和生长等过程，因而是决定氦在金属中行 为的基本参数。最初这些参数均来自理论计算。图1 1 给出了金属中h e 原子在不 同位置的能量示意图【3 8 】。 一 图1 1 金属中氦的能量状态示意图 由图1 1 可见，氦在金属点阵中的能量都高于自由氦原子。这就是为什么氦基 本不溶于金属，而必需通过非平衡途径引入。一个间隙氦原子与一个空位结合时， 发生反应 h e + v ，h e v 。 4 第一章绪论 该反应的能量关系为 e ；+ e ：= e ! + e ： e ：= e ：+ e ? e ：= e ；+ e ：一e ： 所以 e ：= e ；+ e ? 一e ：+ e ： 式中 彰和彰一分别为间隙氦和替位氦的形成能； f 一间隙氦的迁移能： 彰一氦原子从空位离解所需能量； 彰一空位形成能； 霹一氦- 空位结合能。 表1 - 1 部分金属中单个氦原子的部分能量值【2 】 3 9 】【4 0 】 金属b ( e v )e i ( e v )e i m ( e v )e ，d ( e v ) n i1 83 n 60 21 1 c u1 32 0 30 4 52 1 5 f e2 0 0 25 3 6 0 1 7 ，0 0 8 3 9 8 m o 3 0 ，3 2 4 9 lo 2 3 4 1 9 表1 1 给出了n i 、c u 、f e 和m o 中的空位形成能目、间隙氦原子形成能e i f 、 迁移能e i m 和空位中氦的离解能e v d 【2 】【3 9 f f 0 1 。由表1 1 可看出，在大部分金属中间 隙氦原子的形成能都很高( 2 6 e v ) ，而氦原子与空位的结合能较大( 2 。4 e v ) ，根 据氦与空位的反应能量关系式( 1 1 ) 可得出氦在替换位置的形