《液態鋰腐蝕對鐵力學性能影響的多尺度分析》是依託中國科學院大學，由余新剛擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：液態鋰腐蝕對鐵力學性能影響的多尺度分析
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：余新剛
- 依託單位：中國科學院大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
聚變堆環境下，液態鋰對結構材料不鏽鋼的腐蝕一直是被廣泛關注的問題。腐蝕可引起材料微觀結構的變化，進而影響材料的巨觀力學性能，給聚變裝置的安全性帶來嚴重威脅。目前相關研究尚不充分。鑒於此，本項目擬以α-Fe為研究對象，在構造Li-Fe相互作用勢函式的基礎上，對Li-Fe相互作用的微觀過程進行數值模擬，分析溫度、液態鋰流速等外界環境因素以及α-Fe晶體結構、雜質等內在因素對腐蝕過程的影響規律，探索液態Li腐蝕α-Fe的微觀機理；利用代表體積元的概念，對含腐蝕缺陷的α-Fe進行多尺度表征和建模，通過發展新的分子動力學/有限元耦合多尺度計算方法，模擬分析腐蝕後α-Fe在典型工況下的力學行為，計算彈性模量、屈服應力、斷裂韌性、斷裂應變等關鍵力學參數，揭示腐蝕對α-Fe巨觀力學性能的影響規律和內在機制。目標是為聚變裝置中液態鋰偏濾器的工程套用提供科學依據。
結題摘要
偏濾器是磁約束核聚變裝置中直接面向高溫電漿的核心部件之一，目前工程上所採用的固體偏濾器都在一定程度上存在難以克服的缺點，例如物理化學濺射、氚滯留等。液態鋰(Li)偏濾器已被證實具有許多固態偏濾器所沒有的優點，可以解決大部分未來聚變堆所面臨的難題。然而，作為具有一定化學活性的金屬，液態鋰對大部分金屬材料都具有一定的腐蝕作用，包括被廣泛套用的不鏽鋼。本項目以此為背景，採用數值模擬的方法，對鋰鐵之間的相容性進行了深入研究。首先，我們基於改進分析型嵌入原子方法構建了鋰鐵原子之間的相互作用勢函式，在此基礎上對液態鋰與不同晶格取向的α-Fe表面的穩定性和相容性進行了計算分析，結果表明相比於Fe(111)晶面，Fe(100)和Fe(110)晶面具有明顯更好的穩定性和耐腐蝕性。此外，採用相同的勢函式，我們對鋰原子在α-Fe晶界處的動力學行為進行模擬分析，揭示了其在不同晶界中的擴散模式。其次，我們採用基於密度泛函的第一性原理計算了鋰原子在α-Fe晶格中的占位情況和擴散規律，以及與空位、自填隙原子等點缺陷的相互作用，結果顯示鋰在α-Fe晶格中最穩定的位置為置換位，考慮到鋰原子的體積比鐵原子還要大，這一結果是可以預見的，在所有填隙位置中，<111>啞鈴位最穩定，系統的分析證實，決定填隙位置能量高低的關鍵因素是鋰原子所受的靜水壓力。同時，計算結果表明置換鋰原子在α-Fe晶格中與空位和自間隙原子都具有強吸引作用，與空位的吸引作用會引起鋰原子的擴散，與自間隙原子的結合將完成從置換原子到填隙原子的轉換。不幸的是，我們構建的勢函式在描述含缺陷的α-Fe的斷裂力學行為時存在較大偏差，為了構建更加精確的勢函式，我們對新興的人工神經網路勢函式開展了一定的研究，結果表明，此類勢函式可大大提高分子動力學的計算精度。本項目的研究成果將有助於從原子層面更好的理解液態鋰腐蝕α-Fe的微觀機理。
