1、目前在設(shè)計(jì)或?qū)嶒?yàn)階段的新型反應(yīng)堆有一個(gè)共同的特點(diǎn):反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料服役環(huán)境中，中子的能量遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)商用熱中子反應(yīng)堆。鑒于目前反應(yīng)堆建造和設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)材料以合金，主要是鐵基合金（鋼）為主，在高能中子輻照條件下，中子通過與鐵及合金元素的(n，α)嬗變反應(yīng)，會(huì)在結(jié)構(gòu)鋼中引入大量的氦原子。由于氦在鋼中的溶解度極低，而且遷移勢(shì)壘也很低，很容易通過間隙位遷移。在遷移過程中容易與中子輻照產(chǎn)生的空位結(jié)合，形成氦空位團(tuán)簇，小的氦空位團(tuán)簇在高溫條件下可以遷移

2、聚集成大的氦泡，大的氦空位團(tuán)簇傾向于通過間隙原子踢出機(jī)制成長。實(shí)際的結(jié)構(gòu)鋼中都存在一些本征缺陷（位錯(cuò)、晶界、沉淀等），氦泡容易在材料中額外空間大的缺陷處成核生長。結(jié)構(gòu)鋼中引入的氦泡會(huì)很大程度上降低結(jié)構(gòu)鋼的機(jī)械性能，這種由氦引起的結(jié)構(gòu)鋼機(jī)械性能的改變稱之為結(jié)構(gòu)鋼的輻照氦效應(yīng)。大量的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明了氦泡會(huì)引起結(jié)構(gòu)鋼的硬化，脆化以及腫脹效應(yīng)，但是目前對(duì)這些現(xiàn)象的微觀尺度機(jī)制還不是十分清晰。很多微觀尺度的現(xiàn)象無法通過實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行研究，需要借助原子

3、尺度的模擬技術(shù)來進(jìn)行研究。本論文使用分子動(dòng)力學(xué)，分子靜力學(xué)等原子尺度模擬技術(shù)分別從以下幾個(gè)方面研究了與輻照氦效應(yīng)相關(guān)的微觀尺度機(jī)制。
　　(1)研究了氦泡成核和生長中的氦泡平衡問題，闡明了兩種不同的平衡氦泡形成機(jī)制，回答了關(guān)于平衡氦泡的氦/空位比率的爭論，為進(jìn)一步研究氦泡誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)鋼硬化和脆化做了鋪墊，研究結(jié)果表明氦泡在成核和生長過程中存在兩種不同定義的平衡狀態(tài):一種是基于能量最低的平衡狀態(tài);一種是基于機(jī)械平衡的平衡狀態(tài)。氦泡在成核

4、和生長中，當(dāng)氦泡中氦/空位比率達(dá)到0.38-0.55時(shí)，氦泡率先達(dá)到機(jī)械平衡狀態(tài)，這個(gè)比率隨著氦泡的長大會(huì)有一定程度上升，然后當(dāng)氦泡中氦/空位比率達(dá)到1.0-2.6（隨氦泡尺寸增加而增加）之間時(shí)，氦泡達(dá)到能量最低的平衡狀態(tài)。此外，當(dāng)氦泡中氦/空位比率達(dá)到3.4-5.0（隨氦泡尺寸增加而減少）之間時(shí)，氦泡會(huì)通過間隙型位錯(cuò)環(huán)踢出機(jī)制獲得生長能力的大幅提升。
　　(2)研究了氦泡誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)鋼硬化的微觀機(jī)理，通過研究1/2<111>{110

5、}型刃位錯(cuò)與不同氦/空位比率的氦泡的相互作用，分析了氦泡誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)鋼屈服強(qiáng)度上升的微觀機(jī)制，探究了通過控制氦泡中氦/空位比率改善結(jié)構(gòu)鋼硬化程度的可行性，研究結(jié)果表明氦泡誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)鋼硬化的微觀機(jī)制是氦泡阻礙位錯(cuò)滑移，提高位錯(cuò)滑移的臨界剪切應(yīng)力，進(jìn)而提高材料的屈服強(qiáng)度。1/2<111>{100}型刃位錯(cuò)的臨界剪切應(yīng)力隨著氦泡中氦/空位比率的變化而存在顯著變化，在氦/空位比率為2.0時(shí)，臨界剪切應(yīng)力值達(dá)到最低，繼而在更高氦/空位比率條件下大幅提高

6、，這主要是由氦泡與位錯(cuò)作用機(jī)制的改變所引起，位錯(cuò)在與高氦/空位比率的氦泡發(fā)生作用時(shí)，未與氦泡直接作用，而是與氦泡周圍踢出的位錯(cuò)環(huán)相互作用，進(jìn)一步提高了位錯(cuò)滑移的臨界剪切應(yīng)力。
　　(3)最后研究了氦泡誘導(dǎo)晶界脆化的機(jī)制，通過一系列對(duì)稱傾斜晶界的拉伸測(cè)試，根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)的變化，研究了不同類型晶界的變形機(jī)制。通過在晶界中引入不同大小和氦/空位比率的氦泡，研究了晶界在拉伸變形中與氦泡的相互作用，揭示了氦泡誘導(dǎo)晶界強(qiáng)度和延伸率降低的原

7、子尺度機(jī)制，研究結(jié)果表明:所研究的晶界被分為兩類，其一是應(yīng)力-應(yīng)變曲線中存在常應(yīng)力段的晶界，對(duì)應(yīng)的微觀機(jī)制是拉伸過程中晶界的滑移，該類晶界的錯(cuò)配角一般小于90°，包括所有具有<100>傾斜軸的晶界和具有<110>傾斜軸的晶界中錯(cuò)配角小于90°的晶界;其二是應(yīng)力-應(yīng)變曲線在晶界斷裂前無常應(yīng)力段存在的晶界，該類晶界的錯(cuò)配角一般大于90°，包括<110>傾斜對(duì)稱晶界中錯(cuò)配角大于90°的晶界。Bainpath應(yīng)變相變是誘導(dǎo)晶界滑移的微觀尺度機(jī)制

8、，晶界附近的原子通過Bain path相變由BCC結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為了FCC結(jié)構(gòu)，進(jìn)而在整個(gè)晶體中形成了由三個(gè)晶粒組成的晶界，隨著拉伸應(yīng)變的增加，Bain path相變的區(qū)域變大，引起晶界的滑移。氦泡誘導(dǎo)晶界延伸率降低的根本原因是阻礙了Bain path相變機(jī)制，抑制了晶界的滑移。晶界的強(qiáng)度和延伸率隨著氦泡尺寸的增加而降低，同樣隨著氦泡中氦/空位比率的增加而降低，但是氦/空位比率的影響要小于氦泡尺寸的影響。
　　本論文的所有研究結(jié)論有望為