《鐵素體鋼中氦團簇生長的各向異性調控的基礎問題》是依託北京科技大學，由耿文通擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：鐵素體鋼中氦團簇生長的各向異性調控的基礎問題
- 依託單位：北京科技大學
- 項目負責人：耿文通
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
低活化鐵素體鋼與常章嫌詢規不鏽鋼相比具有抗輻照和低活化特性，因而成為人們寄予厚望的可用於核聚變反應堆的候選結構材料。進一步提高其力學性能的有效途徑之一是克服或抵制氦原子聚集而成氦泡（氣體和洪艱腫脹）從而引起氦脆。我們的目標就是尋找理想的合金元素，有效釘扎鋼中的氦原子以抵制它的遷移。在理論計算方面，純鐵中的氦與基體元素和空位的相互作用已經研究地比較透徹：氦原子的能量狀態主要決定於它所處位置的價電子密度。這樣，我們的候選原子或原子復院姜采合單元（比如碳－碳、碳－鉻原子對）就必須與基體鐵原子成鍵呈現各向異性；否則，在它的周圍將釘扎三維氦原子團簇從而起不到阻止氦泡形成的作用。我們計畫通過量子力學第一原理計算，首先仔細研究在有鉻和無鉻作為近鄰的情況下，碳－碳原子對在鐵中空位處的成鍵特徵及其對氦原子的遷移能和匯聚能的影響；揭示氦團簇早期生長特點和局域價電子密度的各向異性之間的關係；然後據此預言和尋求符合要求的合金元素。
結題摘要
低活化鐵素體鋼與常規不鏽鋼相比具有抗輻照和低活化特性，因而成為人們寄予厚望的可用於核聚變反應堆的候選結構材料。進一步提高其力學性能的有效途徑之一是克服或抵制氦原子聚集而成氦泡（氣體腫脹）從而引起氦脆。我們最初的目標是通過量子力學第一原理計算，尋找理想的合金元素，有效釘扎鋼中的氦原子以抵制它的遷移。但經過第一年對bcc鐵中He－He相互作用和He與其它合金元素與雜質的相互作用的大量研究，我們認識到定向控制He泡的生長非常難以實現。這主要是因為He-He的吸引比它和其它所有試探過的添加元素的相互作用更強。因此，我們接下來的重點放在對氦泡的生長的各向同性的抑制。 因為Cr是鋼中最重要的合金元素之一，所以我們首先殃束舉開展了對Cr的計算研究。雖然體相濃度達到10%左右鉻才在bcc鐵的閥盛乎乃自由表面有微弱的偏聚，實驗鞏櫃發現bcc鐵中氦泡表面有明顯的鉻的偏聚。我們的計算支持實驗結果，Cr的特性啟發了我們尋找既能偏聚到氦泡表面，又能抑制氦泡長大的合金元素的方向。我們運用第一原理計算預言了Au在bcc Fe中也有類似Cr的效果。由於Au-He間強烈的吸引作用，在He泡周圍可能會形成Au原子層。Au間隙區價電子密度高於Fe-Fe和Au-Fe之間的價電子密度，從而使得He原子較難穿過。因而，包裹He泡的Au原子層將會抑制He 泡的長大，延遲結構材料的失效。沿著這一思路，我們通過計算找到了成本低廉的Au的替代元素：Ce。 此外，我們還研究了bcc Fe體相中在受中子輻照後的Fe合金中He對X析出的初始階段的影響。不論是替代位的He還是間隙位的He都對溶質原子有強烈的吸引作用，促進成團。除了完美晶體我們還研究了He在Fe的晶界上的行為。H和He在體相中的相互吸引引起的穿晶斷裂程度減弱，而二者在晶界處的相互排斥則加劇了沿晶斷裂。低活化馬氏體鋼的重要成份Cr, Zr, Ta, V, 和W都會在Fe中的晶界處發生偏聚，因而和晶界處的He相互作用。除Zr之外，其餘4種元素都抑制He到晶界的偏聚戀習重立，並且這四種元素中Cr加強了He對晶界的脆化，而Ta、V和W減弱了He對晶界的脆化。因此，Ta和W既能抑制He在Fe晶界處的偏聚，也能減弱He對晶界的脆化作用(V的效果與Ta、W相比較弱)。其中，以W的效果最為明顯。所以，適當增加W的含量可能有助於降低
