Een onderzoeksteam onder leiding van Prof. Liu Changsong van de Hefei Institutes of Physical Science van de Chinese Academie van Wetenschappen heeft een set simulatiesoftware ontwikkeld voor accumulatieve verplaatsingsschade in nanokristallijne metalen, die iteratief object kinetisch Monte Carlo (iOKMC) werd genoemd.
Met behulp van deze software voerde het onderzoeksteam een reeks onderzoeken uit naar de accumulatiemechanismen van verplaatsingsschade in op ijzer (Fe) gebaseerde nanogestructureerde materialen. Relevante resultaten werden gepubliceerd in de Journal of Nuclear Materials.
Nanokristallijn Fe bleek een verbeterde stralingsweerstand te vertonen. Dit profiteert van de hoge dichtheid van korrelgrenzen (GB’s) die dienen als putten voor door straling geïnduceerde vacatures (V’s) en zelf-interstitiële atomen (SIA’s). Eerdere multischaalsimulaties waren echter alleen gericht op de elementaire atomaire processen bij het verkennen van de microscopische mechanismen van defect-GB-interacties, waardoor het machteloos is om nieuwe fysieke processen te verkrijgen die kunnen worden geïntroduceerd door de accumulatieve schade.
De in dit onderzoek ontwikkelde techniek maakt niet alleen stralingsdoses en dosistempo’s in experimenten mogelijk, maar vult ook bestaande atomaire processen aan en corrigeert deze op basis van stralingsdoses.
De onderzoekers onderzochten de accumulatiemechanismen van stralingsdefecten bij Fe GB’s, voornamelijk met inbegrip van de SIA’s die in GB’s laden bij een lage temperatuur en de effecten ervan op de rol van GB’s onder straling. De resultaten suggereerden dat de SIA’s bij voorkeur segregeren naar de GB bij een hoge dosissnelheid en/of een lage temperatuur.
Naarmate de stralingsdosis toeneemt, worden de SIA’s die zich op de GB hebben verzameld structurele componenten van de GB en herstellen de GB verder naar zijn achtergrondstructuur. Dit proces omvat een minderheidstransitie van enkele overtollige SIA’s naar V’s, vergezeld van een lokale beweging van de GB.
Met de accumulatie van SIA’s vertoont de rol van de GB een afwisselende evolutie van het vangen van Vs naar het vernietigen van Vs. Toen de nieuwe atomaire processen opnieuw werden geparametriseerd en opgenomen in het oorspronkelijke OKMC-model, bleek dat de concentratie van SIA’s in de GB en de concentratie van V’s in de buurt van de GB een afwisselende trend van “toename-afname” vertoonden, wat anders was van de oorspronkelijke simulatieresultaten.
Deze studie presenteert een schaaloverschrijdend patroon voor het verkennen van de dynamische interactiemechanismen tussen stralingsdefecten en GB’s onder accumulatieve straling, en biedt een mechanismereferentie voor het verder optimaliseren van de stralingsweerstand van polykristallijne materialen op basis van GB-engineering.
Meer informatie:
Xiangyan Li et al, Accumulatiemechanismen voor stralingsschade bij ijzerkorrelgrenzen onthuld door gekoppelde atomaire en grofkorrelige simulaties via de parameter-passing en structurele feedback, Journal of Nuclear Materials (2022). DOI: 10.1016/j.jnucmat.2022.154092
Geleverd door de Chinese Academie van Wetenschappen