钨辐照硬化多尺度模拟

钨辐照硬化多尺度模拟

报告时间：2023 年 06 月 02日，星期五，下午 1:30 PM

报告地点：绣山工程大楼 208 会议室

主讲人：刘桂森 博士  上海交通大学

报告简介：钨被选为聚变装置的等离子体表面材料，在服役中承受严重的辐射损伤，如辐照硬化、辐照脆化等，定量模拟钨的辐照硬化效应对于评估核材料部件的安全运行至关重要。辐照硬化本质上是辐照产生的缺陷（如空隙、位错环和析出相等）阻碍位错滑动引起的，据此，我们提出了一种预测结构材料辐照后硬化效应的多尺度建模方法。首先在微观原子尺度，我们采用分子动力学（MD）模拟本征位错与辐照缺陷如空位/间隙团簇、空洞、位错环的相互作用动态过程，并计算特征能量。重点是分析位错在外部载荷驱动下滑过缺陷时发生的形态和能量变化。然后结合位错理论分析与 MD 模拟结果，我们开发了介观尺度位错-缺陷相互作用的位错动力学（DD）模型，其中的关键参数由 MD模拟结果校准。该 DD 模型包括长程弹性相互作用模型和短程接触碰撞方案。其中弹性相互作用力采用 Eshelby 等效夹杂方法进行高效准确地计算，位错与缺陷的短程接触碰撞机制根据 MD 模拟结果提炼。基于 DD 模拟位错与高密度随机分布的辐照空洞、辐照位错环相互作用的结果，提炼了空洞硬化、位错环硬化及其协同硬化的规律。最后，基于 DD 模拟结果改进了钨辐照损伤效应的单晶本构模型，从而建立了钨多晶变形的晶体塑性有限元模型（CPFEM），以模拟辐照钨在介/宏观尺度上的变形行为。根据文献中裂变辐照实验验证了 CPFEM 模拟结果，发现其可以准确预测了不同中子辐照剂量下的硬度增量。这些结果表明该多尺度模拟思路预测聚变堆中钨辐照硬化效应的有效性。

报告人简介：刘桂森，博士，上海交通大学副教授，博士生导师。2008.9-2017.3 就读于上海交通大学，先后获材料学学士、博士学位。2017.5-2020.10 在上海交通大学和美国内布拉斯加大学-林肯分校进行博士后合作课题研究。2020.11 至今在上海交通大学材料学院工作。承担国家自然科学青年基金、重点研发计划子课题、上海市自然科学基金、重点实验室开放基金等项目，作为科研骨干参与国防核科学挑战计划项目、国家重点研发课题多项。从事金属结构材料力学行为与微介观变形机制的多尺度研究，及辐照环境下核材料力学性能的模拟预测。擅长应用理论分析方法和多尺度数值模拟方法，揭示材料变形的微观塑性变形机制，并据此建立介观尺度模型，预测材料服役环境下的力学行为，实现基于微介观机理的材料强度与塑性行为预测与优化方法探索。近五年在 Physical Review Letters，Acta Materialia，International Journal of Plasticity，Scripta Materialia 等期刊上发表论文 30 余篇。