在应力场下氦泡对铁基材料力学性能的影响

摘要

由于氦不溶于材料基体，随着基体中产生氦量的增加或通过适当的氦原子迁移，基体中的氦原子将会在空位、位错和晶界处聚集、沉淀，形成氦-空位(He-(V))团，乃至形成纳米尺度的析出相——氦泡。材料中形成的氦泡会导致反应堆材料出现空洞肿胀，使材料发生脆化或表面出现泡状，变得粗糙，从而使得材料的宏观性能下降。因此，氦在材料中的产生和演变受到了很大关注。 本文首先采用分子动力学的方法，选取Beck势函数对氦进行了单向拉伸试验的计算机模拟，并对氦的杨氏模量进行了求解计算;随后又通过求解氦的能量晶格关系曲线，并进行多项式拟合，求解氦的体弹模量;最后通过杨氏模量、体弹模量、柏松比三者之间的相互关系求解出氦的柏松比，并对计算方法进行了验证。接下来，建立晶界附近内嵌不同尺寸氦泡的CLAM钢的二维有限元模型，并进行了精细的网格划分，模拟计算了材料在单向拉伸载荷逐步作用下，其应力应变关系的变化，弹塑性的转变，氦泡尺寸对材料力学性能的影响等问题。计算结果被绘制成应力应变关系曲线和应变集中因子应变曲线，通过对比分析得出了氦泡尺寸对材料性能的影响以及氦泡对延伸率的影响等结论。最后，在二维模型的基础之上，建立了三维有限元模型，并绘制了不同氦泡尺寸的应力-应变曲线，进行了进一步的分析和对比。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及其意义

1．2 国内外研究现状

1．3 研究方法

1．4 小结

第2章 模拟方法与理论

2．1 分子动力学(MD)的基本原理

2．2 MD模拟的数值方法

2．3 MD模拟结果分析方法

2．4 ANSYS材料非线性分析

2．5 本章小结

第3章 氦在铁基材料中的行为特征的二维有限元模拟

3．1 CLAM钢

3．2 氦的力学参数的分子动力学计算

3．3 CLAM钢晶界处氦泡模型

3．4 模型应力云图分析

3．5 不同尺寸氦泡对材料的影响

3．6 应变集中因子对材料的影响

3．7 氦泡密度对材料的影响

3．8 本章小结

第4章 内嵌氦泡的铁基材料的三维有限元模拟

4．1 三维有限元结构单元

4．2 三维有限元模型

4．3 云图分析

4．4 不同尺寸氦泡对材料的影响

4．5 不同密度氦泡对材料的影响

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 本文的创新点

5．3 展望

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果

攻读硕士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介