晶界各向异性及其对多晶铁中氦气泡形核、生长与脱聚的影响
材料科学
2025-09-10 v1 计算物理
摘要
氦气泡在晶界（GBs）处的积累会严重降低核反应堆结构材料的机械完整性。虽然晶界充当辐射诱导缺陷的陷阱，但其固有的结构各向异性导致了复杂的氦气泡演化行为，目前对此仍知之甚少。本工作结合加速分子动力学模拟和一种新颖的原子尺度度量——柔性体积（V_f），以建立体心立方铁中晶界特征、氦偏析与气泡生长机制之间的相互作用关系。我们证明，融合了局部原子体积和振动特性的 V_f 能够定性预测变形倾向。我们的结果表明，原子尺度的偏析能量景观决定了初始氦的聚集和随后的气泡形态，其中倾斜 Σ5 晶界中的低能通道促进了一维迁移，而扭转 Σ13 晶界中的孤立深陷阱则促进了更大、更圆的气泡形态。关键的是，除了通过陷阱突变机制实现的气泡逐渐生长外，我们还识别出两种不同的应力释放机制：各向异性倾斜 Σ5 晶界中的环冲压和扭转 Σ11 晶界中的界面分离，其主导路径由气泡形态与局部力学软度之间的相互作用决定。本研究建立了晶界晶体学与能量学各向异性与氦气泡演化之间的基本联系，为设计耐辐射微观结构提供了关键见解。
引用
@article{arxiv.2509.07197,
title = {Grain Boundary Anisotropy and Its Influence on Helium Bubble Nucleation, Growth, and Decohesion in Polycrystalline Iron},
author = {Yang Zhang and Peter Hatton and Blas P. Uberuaga and Jason R. Trelewicz},
journal= {arXiv preprint arXiv:2509.07197},
year = {2025}
}