[发明专利]模拟纳米晶金属累积离位损伤的方法

说明书

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。

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