1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Физика металлов и металловедение
  4. T. 124, № 8, 2023

Физика металлов и металловедение, 2023, T. 124, № 8, стр. 671-678

МД-моделирование каскадов столкновений в α-Ti. Число дефектов, время релаксации и морфология каскадной области смещений

Р. Е. Воскобойников a, b, *

a Национальный исследовательский ядерный университет “МИФИ”
115409 Москва, Каширское ш., 31, Россия

b Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”
123182 Москва, пл. Курчатова, 1, Россия

* E-mail: roman.voskoboynikov@gmail.com

Поступила в редакцию 27.03.2023
После доработки 01.07.2023
Принята к публикации 09.07.2023

Аннотация

Методом молекулярной динамики (МД) исследовали радиационные повреждения в каскадах столкновений, инициированных первично выбитыми атомами (ПВА) с энергией ${{E}_{{{\text{PKA}}}}}$ = 5, 10, 15, 20 и 25 кэВ в α-Ti при температурах $T~$ = 100, 300, 600 и 900 K. Для каждой пары параметров $\left( {{{E}_{{{\text{PKA}}}}},~T} \right)$ сгенерировали статистическую выборку из 24 каскадов столкновений, размер которой обосновали a posteriori. Получили число пар Френкеля ${{N}_{{{\text{FP}}}}}$ и определили время релаксации каскадов столкновений в зависимости от $\left( {{{E}_{{{\text{PKA}}}}},~T} \right)$. Показано, что средние значения $\left\langle {{{N}_{{{\text{FP}}}}}\left( {{{E}_{{{\text{PKA}}}}},~T} \right)} \right\rangle $ укладываются в ≈0.3NRT, если выбрать пороговую энергию смещения в интервале 28–40 эВ в зависимости от температуры облучения. При высоких энергиях ПВА/низких температурах каскадная область смещений в α-Ti распадается на субкаскады, вытянутые вдоль траекторий высокоэнергетичных атомов отдачи, а время релаксации не зависит от ${{E}_{{{\text{PKA}}}}}$. При низких энергиях ПВА/высоких температурах доминируют каскады столкновений равноосной формы, а время их релаксации монотонно растет с увеличением ${{E}_{{{\text{PKA}}}}}$.

Ключевые слова: α-Ti, облучение, каскады столкновений, первичные радиационные повреждения, пары Френкеля, кластеры точечных дефектов, молекулярная динамика

Список литературы

  1. Ушков С.С., Кожевников О.А. Опыт применения и значение титановых сплавов для развития атомной энергетики России // Вопросы материаловедения. 2009. Т. 59. № 3. С. 172–187.

  2. Орыщенко А.С., Кудрявцев А.С., Михайлов В.И., Леонов В.П. Титановые сплавы для морской техники и атомной энергетики // Вопросы материаловедения. 2011. Т. 65. № 1. С. 60–74.

  3. Горынин И.В., Рыбин В.В., Ушков С.С., Кожевников О.А. Титановые сплавы как перспективные реакторные материалы / Радиационное материаловедение и конструктивная прочность реакторных материалов: Юбилейный сборник, посвященный 100-летию акад. И.В. Курчатова и А.П. Александрова. СПб.: ФГУП ЦНИИ КМ “Прометей”. 2002. С. 37–45.

  4. Cai W., Li J., Uberuaga B.P., Yip S. 1.18 – Molecular Dynamics / Comprehensive Nuclear Materials (Second Edition). Elsevier, Amsterdam. 2020. V. 1. P. 573–594.

  5. Stoller R.E., Zarkadoula E. 1.20 – Primary Radiation Damage Formation in Solids / Comprehensive Nuclear Materials (Second Edition). Elsevier, Amsterdam. 2020. V. 1. P. 620–662.

  6. Wooding S.J., Bacon D.J., Phythian W.J. A computer simulation study of displacement cascades in α-titanium // Philos. Mag. A. 1995. V. 72. № 5. P. 1261–1279.

  7. Voskoboinikov R.E. A Study of Primary Damage Formation in Collision Cascades in Titanium // Inorg. Mater. Appl. Res. 2022. V. 13. P. 1736–1745.

  8. Воскобойников Р.Е. Моделирование каскадов столкновений в α-Ti. Статистика и закономерности образования кластеров точечных дефектов. // ФММ. 2023. Т. 124. № 8. С. 679–686.

  9. Zope R.R., Mishin Y. Interatomic potentials for atomistic simulations of the Ti–Al system // Phys. Rev. B. 2003. V. 68. P. 024102-1-14.

  10. Daw M.S., Baskes M.I. Embedded-atom method: Derivation and application to impurities, surfaces, and other defects in metals // Phys. Rev. B. 1984. V. 29. P. 6443–6453.

  11. Gärtner K., Stock D., Weber B., Betz G., Hautala M., Hobler G., Hou M., Sarite S., Eckstein W., Jiménez-Rodríguez J. J., Pérez-Martín A. M. C., Andribet E. P., Konoplev V., Gras-Marti A., Posselt M., Shapiro M. H., Tombrello T. A., Urbassek H.M., Hensel H., Yamamura Y., and Takeuchi W. Round robin computer simulation of ion transmission through crystalline layers // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B. 1995. V. 102. P. 183–197.

  12. Ziegler J.F., Biersack J.P., Littmark U. The stopping and range of ions in solids. Vol. 1. Pergamon, Oxford, 1985. 321 p.

  13. Shirley C.G., Chaplin R.L. Evaluation of the Threshold Energy for Atomic Displacements in Titanium // Phys. Rev. B. 1972. V. 5. P. 2027–2029.

  14. Sattonnay G., Rullier-Albenque F., Dimitrov O. Determination of displacement threshold energies in pure Ti and in γ-TiAl alloys by electron irradiation // J. Nucl. Mater. 1999. V. 275. P. 63–73.

  15. Фок В.А. Начала квантовой механики. М.: Наука. 1976. 376 с.

  16. Russell A.M., Cook B.A. Coefficient of thermal expansion anisotropy and texture effects in ultra-thin titanium sheet // Scripta Mater. 1997. V. 37. № 10. P. 1461–1467.

  17. http://www.srim.org/SRIM/SRIM-2013-Std.e.

  18. Paul H. Nuclear stopping power and its impact on the determination of electronic stopping power // AIP Conf. Proc. 2013. V. 1525. P. 309–313.

  19. Allen M.P., Tildesley D.J. Computer Simulation of Liquids. Clarendon, Oxford, 1987. 408 p.

  20. Marqués L.A., Rubio J.E., Jaraíz M., Enríquez L., Barbolla J. An improved molecular dynamics scheme for ion bombardment simulations // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B. 1995. V. 102. P. 7–11.

  21. Voskoboinikov R.E., Osetsky Yu.N., Bacon D.J. Statistics of primary damage creation in high-energy displacement cascades in copper and zirconium // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B. 2006. V. 242. P. 68–70.

  22. Воскобойников Р.Е. Радиационные дефекты в алюминии. Моделирование первичных повреждений в объеме материала // ФММ. 2019. Т. 120. № 1. С. 3–10.

  23. Voskoboinikov R. A contribution of L10 ordered crystal structure to the high radiation tolerance of γ-TiAl intermetallics // Instr. Meth. Phys. Res. B. 2019. V. 460. P. 92–97.

  24. Voskoboinikov R. An insight into radiation resistance of D019 Ti3Al intermetallics // J. Nucl. Mater. 2019. V. 519. P. 239–246.

  25. Voskoboinikov R. MD simulations of primary damage formation in L12 Ni3Al intermetallics // J. Nucl. Mater. 2019. V. 522. P. 123–135.

  26. Lindemann P. Über die Berechnung molekularer Eigenfrequenzen // Physikalische Zeitschrift. 1910. V. 11. P. 609–612.

  27. Nordlund K., Averback R.S. Point defect movement and annealing in collision cascades // Phys. Rev. B. 1997. V. 56. P. 2421–2431.

  28. Voskoboinikov R.E., Osetsky Yu.N., Bacon D.J. Computer simulation of primary damage creation in displacement cascades in copper. I. Defect creation and cluster statistics // J. Nucl. Mater. 2008. V. 377. P. 385–395.

  29. Nordlund K., Sand A.E., Granberg F., Zinkle S.J., Stoller R., Averback R.S., Suzudo T., Malerba L., Banhart F., Weber W.J., Willaime F., Dudarev S., Simeone D. Primary Radiation Damage in Materials: Review of Current Understanding and Proposed New Standard Displacement Damage Model to Incorporate In-cascade Mixing and Defect Production Efficiency Effects // OECD Nuclear Energy Agency, Paris. 2015. 87 p.

  30. Bacon D.J., Osetsky Yu.N., Stoller R., Voskoboinikov R.E. MD description of damage production in displacement cascades in copper and α-iron // J. Nucl. Mater. 2003. V. 323. P. 152–162.

  31. Norgett L.K., Robinson M.T., and Torrens I.M. A proposed method for calculating displacement dose rates // Nucl. Eng. Design. 1975. V. 33. P. 50–54.

  32. Bacon D.J., Gao F., Osetsky Yu.N. The primary damage state in fcc, bcc and hcp metals as seen in molecular dynamics simulations // J. Nucl. Mater. 2000. V. 276. P. 1–12.

  33. Воскобойников Р.Е. Моделирование первичных радиационных повреждений в никеле // ФММ. 2020. Т. 121. № 1. С. 18–24.

  34. Араманович И.Г., Левин В.И. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1969. 288 с.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска содержание выпуска

Физика металлов и металловедение

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал