МОДЕЛЮВАННЯ РАДІАЦІЙНО-ІНДУКОВАНОЇ СЕГРЕГАЦІЇ В БІНАРНИХ СПЛАВАХ
Ключові слова:
матеріали реакторобудування, радіаційно-індукована сегрегація, двокомпонентні металеві сплави, профіль концентрації, точкові дефекти, обернений ефект Кіркендала, рівняння балансу, комп’ютерне моделювання
Анотація
В моделі радіаційно-індукованої сегрегації, що базується на першому та другому законах Фіка з урахуванням оберненого ефекту Кіркендала, розроблений комп’ютерний код, за допомогою якого для бінарних сполук знайдені просторова і часова залежності концентрацій компонентів та точкових дефектів. Система трьох зв’язаних диференціальних рівнянь в частинних похідних для концентрацій одного з компонентів та точкових дефектів процедурою дискретизації зводиться до системи звичайних диференціальних рівнянь за часом. Ця система чисельно розв’язується при заданих початкових та граничних умовах за допомогою пакету прикладних програм MATLAB. Проведено моделювання радіаційно-індукованої сегрегації в двокомпонентних сплавах Fe-Cr при різних початкових концентраціях компонентів, температурах, швидкостях утворення дефектів і набраних дозах опромінення. Продемонстрований процес досягнення стаціонарного стану при збільшенні дози опромінення. Розраховані профілі концентрації компонентів порівнюються з експериментально одержаними іншими авторами. Виконана оцінка чутливості моделі до вхідних параметрів та оцінюються її можливості. Даний комп’ютерний код розвинений для багатокомпонентних сплавів.
Завантаження
##plugins.generic.usageStats.noStats##
Посилання
1. Buckthorpe D. Introduction to Generation IV nuclear reactors // In Woodhead Publishing Series in Energy: N.106. Structural Materials for Generation IV Nuclear Reactors / Ed. by P. Yvon – Amsterdam: Elsevier Ltd., 2017. – P. 1-22.
2. Aitkaliyeva A., He L., Wen H., Miller B., Bai X.M., Allen T. Irradiation effects in Generation IV nuclear reactor materials // In Woodhead Publishing Series in Energy: N.106. Structural Materials for Generation IV Nuclear Reactors / Ed. by P. Yvon – Amsterdam: Elsevier Ltd., 2017. – P. 253-283.
3. Choudhury S., Barnard L., Tucker J.D., Allen T.R., Wirth B.D., Asta M., Morgan D. Ab-initio based modeling of diffusion in dilute bcc Fe-Ni and Fe-Cr alloys and implications for radiation induced segregation // J. Nucl. Mater. – 2011. – Vol. 411. – P. 1-14.
4. Lu Z., Faulkner R.G., Was G., Wirth B.D. Irradiation-induced grain boundary chromium microchemistry in high ferritic steels // Scr. Mater. – 2008. – Vol. 58. – P. 878-881.
5. Takahashi H., Ohnuki S., Takeyama T. Radiation-induced segregation at internal sinks in electron irradiated binary alloys // J. Nucl. Mater. – 1981. – Vol. 103-104. – P. 1415¬-1420.
6. Little E.A., Morgan T.S., Faulkner R.G. Microchemistry of neutron irradiated 12%CrMoVNb martensitic steel // Mater. Sci. Forum. – 1992. – Vol. 97-99 – P. 323-328.
7. Neklyudov I.M., Voyevodin V.N. Features of structure-phase transformations and segregation processes under irradiation of austenitic and ferritic-martensitic steels // J. Nucl. Mater. – 1994. – Vol. 212-215. – P. 39-44.
8. Schaeublin R., Spatig P., Victoria M. Chemical segregation of the low activation ferritic/martensitic steel F82H // J. Nucl. Mater. – 1998. – Vol. 263. – P. 1350-1355.
9. Gupta G., Jiao Z., Ham A.N., Busby J.T., Was G.S. Microstructural evolution of proton irradiated T91 // J. Nucl. Mater. – 2006. – Vol. 351. – P. 162-173.
10. Lu Z., Faulkner R.G., Sakaguchi N., Kinoshita H., Takahashi H., Flewitt P.E.J. Effect of hafnium on radiation-induced inter-granular segregation in ferritic steel // J. Nucl. Mater. – 2006. – Vol. 351. – P. 155-161.
11. Marquis E.A., Lozano-Perez S., de Castro V. Effects of heavy-ion irradiation on the grain boundary chemistry of an oxide-dispersion strengthened Fe-12 wt.% Cr alloy // J. Nucl. Mater. – 2011. – Vol. 417. – P. 257-261.
12. Marquis E.A., Hu R., Rousseau T., A systematic approach for the study of radiation-induced segregation/depletion at grain boundaries in steel // J. Nucl. Mater. – 2011. – Vol. 413. – P. 1-4.
13. Wharry J.P., Was G.S. A systematic study of radiation-induced segregation in ferritic-martensitic alloys // J. Nucl. Mater. – 2013. – Vol. 442. – P. 7-16.
14. Okamoto P.R., Rehn L.E. Radiation-induced segregation in binary and ternary alloys // J. Nucl. Mater. – 1979. – Vol. 83. – P. 2-23.
15. Wiedersich H., Okamoto P.R., Lam N.Q. A theory of radiation-induced segregation in concentrated alloys // J. Nucl. Mater. – 1979. – Vol. 83. – P. 98-108.
16. Watanabe S., Takahashi H. Discriminant of RIS in multi-component alloys // J. Nucl. Mater. – 1994. – Vol. 208. – P. 191-194.
17. Marwick A.D. Calculation of bias due to solute redistribution in an irradiated binary alloy: surfaces of a thin foil // J. Nucl. Mater. – 1985. – Vol. 135. – P. 68-76.
18. Voyevodin V.N., Neklyudov I.M. Evolution of the structure phase state and radiation resistance of structural materials. – Kiev: Naukova dumka, 2006. – 376 p. (in Russian)
19. Voyevodin V.N. Structural materials of nuclear power – challenge to 21 century // Problems of Atomic Science and Technology. – 2007. – Vol. 90. – P. 10-22. (in Russian)
20. Was G.S. Fundamentals of Radiation Materials Science: Metals and Alloys. – New York: University of Michigan, Springer, 2007. – 828 p.
21. Was G.S., Wharry J.P., Frisbie B., Wirth B.D., Morgan D., Tucker J.D., Allen T.R. Assessment of radiation-induced segregation mechanisms in austenitic and ferritic-martensitic alloys // J. Nucl. Mater. – 2011. – Vol. 411. – P. 41-50.
22. Xu D., Wirth B.D., Li M., Kirk M.A. Combining in situ transmission electron microscopy irradiation experiments with cluster dynamics modeling to study nanoscale defect agglomeration in structural metals // Acta Mater. – 2012. – Vol. 60. – P. 4286-4302.
23. Hairer E., Wanner G. Solving Ordinary Differential Equations II: Stiff and Differential-Algebraic Problems. – 2nd edn. – Berlin, Springer, 1996. – 614 p.
24. Shampine L.F., Reichelt M.W. The MATLAB ODE suite // SIAM J. Sci. Comput. – 1997. – Vol. 18. – No. 1. – P. 1-22.
25. Koropov O.V. Differential equations of radiation-induced segregation in five-component metal alloys // Proc. of Eighteenth International Scientific Mykhailo Kravchuk Conference, October 7-10, 2017, Kyiv: Vol. 1. – Kyiv: NTUU “KPI”, 2017. – P. 86 90. (in Ukrainian)
26. Olsson P., Domain C., Wallenius J. Ab initio study of Cr interactions with point defects in bcc Fe // Phys Rev B. – 2007. – Vol. 75. – P. 014110.
27. Schaefer H.-E., Maier K., Weller M., Herlach D., Seeger A., Diehl J. Vacancy formation in iron investigated by positron annihilation in thermal equilibrium // Scripta Metallurgica. – 1977. – Vol. 11. – P. 803–809.
28. Wharry J.P., Was G.S. The mechanism of radiation-induced segregation in ferritic-martensitic alloys // Acta Mater. – 2014. – Vol. 65. – P. 42–55.
29. Selby A.P. Modeling Radiation-Induced Segregation in Ferritic-Martensitic Steels. Master’s Thesis. – University of Tennessee, 2015.
30. Field K.G., Barnard L.M., Parish C.M., Busby J.T., Morgan D., Allen T.R. Dependence on grain boundary structure of radiation induced segregation in a 9 wt.% Cr model ferritic/martensitic stell // J. Nucl. Mater. – 2013. – Vol. 435. – P. 172-180.
31. Allen T.R., Was G.S. Modeling radiation-induced segregation in austenitic Fe-Cr-Ni alloys // Acta Mater. – 1998. – Vol. 46. – No. 10. – P. 3679-3691.
32. Terentyev D., Olsson P., Klaver T.P.C., Malerba L. On the migration and trapping of single self-interstitial atoms in dilute and concentrated Fe-Cr alloys: Atomistic study and comparison with resistivity recovery experiments // Computational Materials Science. – 2008. – Vol. 43. – P. 1183-1192.
2. Aitkaliyeva A., He L., Wen H., Miller B., Bai X.M., Allen T. Irradiation effects in Generation IV nuclear reactor materials // In Woodhead Publishing Series in Energy: N.106. Structural Materials for Generation IV Nuclear Reactors / Ed. by P. Yvon – Amsterdam: Elsevier Ltd., 2017. – P. 253-283.
3. Choudhury S., Barnard L., Tucker J.D., Allen T.R., Wirth B.D., Asta M., Morgan D. Ab-initio based modeling of diffusion in dilute bcc Fe-Ni and Fe-Cr alloys and implications for radiation induced segregation // J. Nucl. Mater. – 2011. – Vol. 411. – P. 1-14.
4. Lu Z., Faulkner R.G., Was G., Wirth B.D. Irradiation-induced grain boundary chromium microchemistry in high ferritic steels // Scr. Mater. – 2008. – Vol. 58. – P. 878-881.
5. Takahashi H., Ohnuki S., Takeyama T. Radiation-induced segregation at internal sinks in electron irradiated binary alloys // J. Nucl. Mater. – 1981. – Vol. 103-104. – P. 1415¬-1420.
6. Little E.A., Morgan T.S., Faulkner R.G. Microchemistry of neutron irradiated 12%CrMoVNb martensitic steel // Mater. Sci. Forum. – 1992. – Vol. 97-99 – P. 323-328.
7. Neklyudov I.M., Voyevodin V.N. Features of structure-phase transformations and segregation processes under irradiation of austenitic and ferritic-martensitic steels // J. Nucl. Mater. – 1994. – Vol. 212-215. – P. 39-44.
8. Schaeublin R., Spatig P., Victoria M. Chemical segregation of the low activation ferritic/martensitic steel F82H // J. Nucl. Mater. – 1998. – Vol. 263. – P. 1350-1355.
9. Gupta G., Jiao Z., Ham A.N., Busby J.T., Was G.S. Microstructural evolution of proton irradiated T91 // J. Nucl. Mater. – 2006. – Vol. 351. – P. 162-173.
10. Lu Z., Faulkner R.G., Sakaguchi N., Kinoshita H., Takahashi H., Flewitt P.E.J. Effect of hafnium on radiation-induced inter-granular segregation in ferritic steel // J. Nucl. Mater. – 2006. – Vol. 351. – P. 155-161.
11. Marquis E.A., Lozano-Perez S., de Castro V. Effects of heavy-ion irradiation on the grain boundary chemistry of an oxide-dispersion strengthened Fe-12 wt.% Cr alloy // J. Nucl. Mater. – 2011. – Vol. 417. – P. 257-261.
12. Marquis E.A., Hu R., Rousseau T., A systematic approach for the study of radiation-induced segregation/depletion at grain boundaries in steel // J. Nucl. Mater. – 2011. – Vol. 413. – P. 1-4.
13. Wharry J.P., Was G.S. A systematic study of radiation-induced segregation in ferritic-martensitic alloys // J. Nucl. Mater. – 2013. – Vol. 442. – P. 7-16.
14. Okamoto P.R., Rehn L.E. Radiation-induced segregation in binary and ternary alloys // J. Nucl. Mater. – 1979. – Vol. 83. – P. 2-23.
15. Wiedersich H., Okamoto P.R., Lam N.Q. A theory of radiation-induced segregation in concentrated alloys // J. Nucl. Mater. – 1979. – Vol. 83. – P. 98-108.
16. Watanabe S., Takahashi H. Discriminant of RIS in multi-component alloys // J. Nucl. Mater. – 1994. – Vol. 208. – P. 191-194.
17. Marwick A.D. Calculation of bias due to solute redistribution in an irradiated binary alloy: surfaces of a thin foil // J. Nucl. Mater. – 1985. – Vol. 135. – P. 68-76.
18. Voyevodin V.N., Neklyudov I.M. Evolution of the structure phase state and radiation resistance of structural materials. – Kiev: Naukova dumka, 2006. – 376 p. (in Russian)
19. Voyevodin V.N. Structural materials of nuclear power – challenge to 21 century // Problems of Atomic Science and Technology. – 2007. – Vol. 90. – P. 10-22. (in Russian)
20. Was G.S. Fundamentals of Radiation Materials Science: Metals and Alloys. – New York: University of Michigan, Springer, 2007. – 828 p.
21. Was G.S., Wharry J.P., Frisbie B., Wirth B.D., Morgan D., Tucker J.D., Allen T.R. Assessment of radiation-induced segregation mechanisms in austenitic and ferritic-martensitic alloys // J. Nucl. Mater. – 2011. – Vol. 411. – P. 41-50.
22. Xu D., Wirth B.D., Li M., Kirk M.A. Combining in situ transmission electron microscopy irradiation experiments with cluster dynamics modeling to study nanoscale defect agglomeration in structural metals // Acta Mater. – 2012. – Vol. 60. – P. 4286-4302.
23. Hairer E., Wanner G. Solving Ordinary Differential Equations II: Stiff and Differential-Algebraic Problems. – 2nd edn. – Berlin, Springer, 1996. – 614 p.
24. Shampine L.F., Reichelt M.W. The MATLAB ODE suite // SIAM J. Sci. Comput. – 1997. – Vol. 18. – No. 1. – P. 1-22.
25. Koropov O.V. Differential equations of radiation-induced segregation in five-component metal alloys // Proc. of Eighteenth International Scientific Mykhailo Kravchuk Conference, October 7-10, 2017, Kyiv: Vol. 1. – Kyiv: NTUU “KPI”, 2017. – P. 86 90. (in Ukrainian)
26. Olsson P., Domain C., Wallenius J. Ab initio study of Cr interactions with point defects in bcc Fe // Phys Rev B. – 2007. – Vol. 75. – P. 014110.
27. Schaefer H.-E., Maier K., Weller M., Herlach D., Seeger A., Diehl J. Vacancy formation in iron investigated by positron annihilation in thermal equilibrium // Scripta Metallurgica. – 1977. – Vol. 11. – P. 803–809.
28. Wharry J.P., Was G.S. The mechanism of radiation-induced segregation in ferritic-martensitic alloys // Acta Mater. – 2014. – Vol. 65. – P. 42–55.
29. Selby A.P. Modeling Radiation-Induced Segregation in Ferritic-Martensitic Steels. Master’s Thesis. – University of Tennessee, 2015.
30. Field K.G., Barnard L.M., Parish C.M., Busby J.T., Morgan D., Allen T.R. Dependence on grain boundary structure of radiation induced segregation in a 9 wt.% Cr model ferritic/martensitic stell // J. Nucl. Mater. – 2013. – Vol. 435. – P. 172-180.
31. Allen T.R., Was G.S. Modeling radiation-induced segregation in austenitic Fe-Cr-Ni alloys // Acta Mater. – 1998. – Vol. 46. – No. 10. – P. 3679-3691.
32. Terentyev D., Olsson P., Klaver T.P.C., Malerba L. On the migration and trapping of single self-interstitial atoms in dilute and concentrated Fe-Cr alloys: Atomistic study and comparison with resistivity recovery experiments // Computational Materials Science. – 2008. – Vol. 43. – P. 1183-1192.
Опубліковано
2018-04-03
Цитовано
Як цитувати
Skorokhod, R. V., Buhay, O. M., Bilyk, V. M., Denysenko, V. L., & Koropov, O. V. (2018). МОДЕЛЮВАННЯ РАДІАЦІЙНО-ІНДУКОВАНОЇ СЕГРЕГАЦІЇ В БІНАРНИХ СПЛАВАХ. Східно-європейський фізичний журнал, 5(1), 61-69. https://doi.org/10.26565/2312-4334-2018-1-07
Розділ
Статті
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
