铌中碰撞级联的分子动力学模拟：原子间势的比较
材料科学
2025-09-29 v1
摘要
结构材料的辐照损伤是先进核能系统面临的主要挑战，而铌因其高熔点、机械强度和耐腐蚀性而备受关注。为了更好地理解其辐照响应，我们在300 K下对纯铌中的碰撞级联进行了大规模分子动力学模拟，初级碰撞原子（PKA）能量范围为1-75 keV，采用了四种原子间势：一种嵌入原子方法（EAM）势、两种Finnis-Sinclair模型（FS-1和FS-2），以及我们开发的一种基于机器学习的谱邻居分析势（SNAP）。所有势都能再现级联形成的一般特征，但在缺陷产生、聚集和形貌上存在显著差异。在低能区，缺陷产生遵循由位移阈值能（TDE）和刚度-范围比（|S/R|）主导的趋势。在高能区，子级联的形成使缺陷演化依赖于|S/R|、平均TDE以及其他材料特定因素的综合影响。在所有情况下，空位聚集均占主导地位：EAM产生最大的空位团簇和最高的聚集比例，而SNAP表现出最强的间隙原子聚集。形貌分析表明，EAM形成由1/2<111>、1/2<110>位错环、C15环和混合结构组成的均衡混合体；FS-2倾向于扩展的1/2<111>哑铃状缺陷、挤子群和位错环；而FS-1和SNAP则生成更紧凑或无序的团簇，其中SNAP产生了高比例的类C15环（最大尺寸达九个原子），这些环可能演化为1/2<111>和<100>位错环。这些发现为铌在辐照下的反应，特别是在高能条件下的反应，提供了清晰的见解。
引用
@article{arxiv.2509.22183,
title = {Molecular Dynamics Simulations of Collision Cascades in Niobium: Comparing Interatomic Potentials},
author = {S. Mondal and U. Bhardwaj and A. Majalee and V. Mishra and M. Warrier},
journal= {arXiv preprint arXiv:2509.22183},
year = {2025}
}