Моделювання процесів мікроструктурних перетворень у сплавах Fe–Cr–Al при нейтронному опроміненні
DOI:
https://doi.org/10.15407/ujpe70.5.315Ключові слова:
фазове розшарування, преципiтати вторинних фаз, нейтронне опромiнення, числове моделюванняАнотація
Проведено теоретичнi дослiдження впливу умов опромiнення на еволюцiю мiкроструктури сплавiв Fe–Cr–Al та статистичнi властивостi преципiтатiв α′-фази. У рамках лiнiйного аналiзу на стiйкiсть встановлено фазовi дiаграми, що визначають область параметрiв реалiзацiї процесiв випадiння преципiтатiв при термiчному вiдпалi та опромiненнi. У рамках числового моделювання дослiджено вплив опромiнення на кiнетику преципiтатiв та змiну їх статистичних характеристик. Показано, що пiдвищення температури опромiнення приводить до тих самих ефектiв, що й зниження iнтенсивностi пошкодження унаслiдок конкуренцiї мiж балiстичним перемiшуванням, вiдповiдальним за нестабiльнiсть однорiдної конфiгурацiї, i термодинамiчною силою, що пригнiчує таку нестабiльнiсть.
Посилання
1. J.F. Collins, F.C. Robertshaw. Advanced long-life reactor fuel cladding and structural materials development. Sixth Annu. Rep. - High Temp. Mater. Programs Part A - GEMP 475A, 143 (1967).
2. P. Wang, Y. Qiao, W. Qi, S. Du, Z. Liu, F. Meng, X. Zhang, K. Wang, Q. Li, Z. Yao et al. Preparation and properties study of Cr on Fe-Cr-Al cladding materials. Front. Mater. 8, 621086 (2021).
https://doi.org/10.3389/fmats.2021.621086
3. B.A. Pint, K.A. Terrani, M.P. Brady, T. Cheng, J.R. Keiser. High temperature oxidation of fuel cladding candidate materials in steam-hydrogen environments. J. Nucl. Mater. 440, 420 (2013).
https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2013.05.047
4. S.E. Sadique, A.H. Mollah, M.S. Islam, M.M. Ali, M.H.H. Megat, S. Basri. High-temperature oxidation behavior of iron-chromium-aluminum alloys. Oxidat. Metals 54, 385 (2000).
https://doi.org/10.1023/A:1004682316408
5. E.A. Gulbransen, K.F. Andrew. Oxidation studies on the iron-chromium-aluminum heater alloys. J. Electrochem. Soc. 106, 294 (1959).
https://doi.org/10.1149/1.2427333
6. K.A. Unocic, Y. Yamamoto, B.A. Pint. Effect of Al and Cr content on air and steam oxidation of Fe-Cr-Al alloys and commercial APMT alloy. Oxidat. Metals 87, 431 (2017).
https://doi.org/10.1007/s11085-017-9745-1
7. S.A. Briggs, P.D. Edmondson, K.C. Littrell, Y. Yamamoto, R.H. Howard, C.R. Daily et al. A combined APT and SANS investigation of α′ phase precipitation in neutronirradiated model Fe-Cr-Al alloys. Acta Materialia 129, 217 (2017).
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2017.02.077
8. K.G. Field, S.A. Briggs. Radiation effects in Fe-Cr-Al alloys for nuclear power applications. In: Reference Module3 in Materials Science and Materials Engineering (Elsevier, 2020), p. 293.
https://doi.org/10.1016/B978-0-12-803581-8.11613-3
9. S.S. Brenner, M.K. Miller, W.A. Soffa. Spinodal decomposition of iron-32 at.% chromium at 470 ∘C. Scripta Metallurgica 16, 831 (1982).
https://doi.org/10.1016/0036-9748(82)90239-3
10. S. Novy, P. Pareige, C. Pareige. Atomic scale analysis and phase separation understanding in a thermally aged Fe-20 at.% Cr alloy. J. Nucl. Mater. 384, 96 (2009).
https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2008.10.008
11. X. Xu, J. Odqvist, M.H. Colliander, M. Thuvander, A. Steuwer, J.E. Westraadt, S. King, P. Hedstr¨om. Structural characterization of phase separation in Fe-Cr: a current comparison of experimental methods. Metallurg. Mater. Trans. A 47, 5942 (2016).
https://doi.org/10.1007/s11661-016-3800-4
12. Z. Yang, Z. Wang, C. Xia, M. Ouyang, J. Peng, H. Zhang, X. Xiao. Aluminum suppression of α′ precipitate in model Fe-Cr-Al alloys during long-term aging at 475 ∘C. Mater. Sci. and Eng. A 772, 138714 (2020).
https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.138714
13. L. Malerba, A. Caro, J. Wallenius. Multiscale modelling of radiation damage and phase transformations: The challenge of FeCr alloys. J. Nucl. Mater. 382, 112 (2008).
https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2008.08.014
14. K. Chang, F. Meng, F. Ge, G. Zhao, S. Du, F. Huang. Theory-guided bottom-up design of the Fe-Cr-Al alloys as accident tolerant fuel cladding materials. J. Nucl. Mater. 516, 63 (2019).
https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2019.01.002
15. S. Chen, Y. Li, S. Shi, S. Jin et al. Quantitative phase-field simulation of composition partition and separation kinetics of nanoscale phase in Fe-Cr-Al alloy. J. Nanomater. 2019, 6862390 (2019).
https://doi.org/10.1155/2019/6862390
16. J. Lee, K. Park, K. Chang. Effect of al concentration on the microstructural evolution of Fe-Cr-Al systems: A phasefield approach. Metals 11, 4 (2020).
https://doi.org/10.3390/met11010004
17. L. Wu, J. Qin, V.O. Kharchenko, D.O. Kharchenko, O.B. Lysenko. Phase field modeling microstructural evolution of Fe-Cr-Al systems at thermal treatment. Front. Energ. Res. 11, 1088742 (2023).
https://doi.org/10.3389/fenrg.2023.1088742
18. A.T. Dinsdale. SGTE data for pure elements. Calphad 15, 317 (1991).
https://doi.org/10.1016/0364-5916(91)90030-N
19. G. Martin. Phase stability under irradiation: Ballistic effects. Phys. Rev. B 30, 1424 (1984).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.30.1424
20. V.G. Vaks, V.V. Kamyshenko. On the theory of open systems: Statistical thermodynamics and decomposition type phase transitions for the model of an alloy under irradiation. Phys. Lett. A 177, 269 (1993).
https://doi.org/10.1016/0375-9601(93)90039-3
21. S. Matsumura, Y. Tanaka, S. M¨uller, C. Abromeit. Formation of precipitates in an ordering alloy and their dissolution under irradiation. J. Nucl. Mater. 239, 42 (1996).
https://doi.org/10.1016/S0022-3115(96)00431-X
22. C. Abromeit, H. Wollenberger, S. Matsumura. C. Kinoshita. Stability of ordered phases under irradiation. J. Nucl. Mater. 276, 104 (2000).
https://doi.org/10.1016/S0022-3115(99)00173-7
23. R.A. Enrique, P. Bellon. Compositional patterning in systems driven by competing dynamics of different length scale. Phys. Rev. Lett. 84, 2885 (2000).
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.84.2885
24. R.A. Enrique, P. Bellon. Compositional patterning in immiscible alloys driven by irradiation. Phys. Rev. B 63, 134111 (2001).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.63.134111
25. R.A. Enrique, K. Nordlund, R.S. Averback, P. Bellon. Simulations of dynamical stabilization of Ag-Cu nanocomposites by ion-beam processing. J. Appl. Phys. 93, 2917 (2003).
https://doi.org/10.1063/1.1540743
26. R.A. Enrique, P. Bellon. Nonequilibrium fluctuations, effective temperature, and effective interactions driven by irradiation of alloys. Phys. Rev. B 70, 224106 (2004).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.70.224106
27. D.O. Kharchenko, V.O. Kharchenko, I.O. Lysenko. Pattern selection processes and noise induced pattern-forming transitions in periodic systems with transient dynamics. Open Phys, 9, 698 (2011).
https://doi.org/10.2478/s11534-010-0076-y
28. D.O. Kharchenko, V.O. Kharchenko. Modeling phase decomposition and patterning in binary alloy systems subjected to neutron irradiation. Radiat. Eff. Defect. Solids 171, 819 (2016).
https://doi.org/10.1080/10420150.2016.1274753
29. D.O. Kharchenko, V.O. Kharchenko, Y.M. Ovcharenko, O.B. Lysenko, I.A. Shuda, L. Wu, R. Pan. Phase field modelling voids nucleation and growth in binary systems. Condens. Matter Phys. 21, 1 (2018).
https://doi.org/10.5488/CMP.21.13002
30. R. Averback, P. Bellon, S.J. Dillon. Phase evolution in driven alloys: An overview on compositional patterning. J. Nucl. Mater. 553, 153015 (2021).
https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2021.153015
31. D.O. Kharchenko, A. Dvornichenko. Phase separation in binary systems with internal multiplicative noise. Physica A 387, 5342 (2008).
https://doi.org/10.1016/j.physa.2008.05.041
32. S.I. Golubov, A. Barashev, R.E. Stoller. Radiation damage theory. In Comprehensive Nuclear Materials. Edited by R.J.M. Konings (Elsevier, 2012), Vol. 1, p. 357.
https://doi.org/10.1016/B978-0-08-056033-5.00029-X
33. G.S. Was. Fundamentals of Radiation Materials Science: Metals and Alloys (Springer, 2017).
34. J.E. Hilliard. Spinodal decomposition. In: Phase Transformations. Edited by H.I. Aronson (American Society for Metals, 1970).
35. Z. Yan, S. Shi, Y. Li, J. Chen, S. Maqbool. Vacancy and interstitial atom evolution with the separation of the nanoscale phase in Fe-Cr alloys: Phase-field simulations. Phys. Chem. Chem. Phys. 22, 3611 (2020).
https://doi.org/10.1039/C9CP06247E
36. L. Liang, Z.G. Mei, Y.S. Kim, M. Anitescu, A.M. Yacout. Three-dimensional phase-field simulations of intragranular gas bubble evolution in irradiated U-Mo fuel. Comput. Mater. Sci. 145, 86 (2018).
https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2017.12.061
37. G. Demange, L. Lun'eville, V. Pontikis, D. Simeone. Prediction of irradiation induced microstructures using a multiscale method coupling atomistic and phase field modeling: Application to the AgCu model alloy. J. Appl. Phys. 121, 125108 (2017).
https://doi.org/10.1063/1.4978964
38. C. Huang, M.O. de La Cruz, B.W. Swift. Phase separation of ternary mixtures: Symmetric polymer blends. Macromolecules 28, 7996 (1995).
https://doi.org/10.1021/ma00128a005
39. K. Wu,J. Morral, Y. Wang. A phase field study of microstructural changes due to the Kirkendall effect in twophase diffusion couples. Acta Materialia 49, 3401 (2001).
https://doi.org/10.1016/S1359-6454(01)00257-9
40. M. Norgett, M. Robinson, I.M. Torrens. A proposed method of calculating displacement dose rates. Nucl. Eng. Design 33, 50 (1975).
https://doi.org/10.1016/0029-5493(75)90035-7
41. J.H. Ke, E.R. Reese, E.A. Marquis, G.R. Odette, D. Morgan. Flux effects in precipitation under irradiation-Simulation of Fe-Cr alloys. Acta Materialia 164, 586 (2019).
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.10.063
42. D. Terentyev, P. Olsson, T. Klaver, L. Malerba. 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. Comput. Mater. Sci. 43, 1183 (2008).
https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2008.03.013
43. S. Kim, W. Buyers. Vacancy formation energy in iron by positron annihilation. J. Phys. F 8, L103 (1978).
https://doi.org/10.1088/0305-4608/8/5/001
44. C. Kittel, P. McEuen. Introduction to Solid State Physics. (John Wiley and Sons, 2018).
45. D. Terentyev, S. Hafez Haghighat,R. Sch¨aublin. Strengthening due to Cr-rich precipitates in Fe-Cr alloys: effect of temperature and precipitate composition. J. Appl. Phys. 107, 061806 (2010).
https://doi.org/10.1063/1.3340522
46. V. Ogorodnikov, A. Rakitskii, Y.I. Rogovoi. Calculation of the vacancy formation energy of metals. Sov. Powder Metall. Met. Ceram.(Engl. Transl.);(United States) 27, 55 (1988)
https://doi.org/10.1007/BF00799739
47. K.G. Field, X. Hu, K.C. Littrell, Y. Yamamoto, L.L. Snead. Radiation tolerance of neutron-irradiated model Fe-Cr-Al alloys. J. Nucl. Mater. 465, 746 (2015).
https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2015.06.023
48. L.Q. Chen, J. Shen. Applications of semi-implicit Fourierspectral method to phase field equations. Comput. Phys. Commun. 108, 147 (1998).
https://doi.org/10.1016/S0010-4655(97)00115-X
49. C. Canuto, M. Hussaini, A. Quarteroni, A.Z. Thomas. Spectral Methods In Fluid Dynamics (Springer-Verlag, 1988).
https://doi.org/10.1007/978-3-642-84108-8
50. S.B. Biner. Programming Phase-Field Modeling (Springer, 2017).
https://doi.org/10.1007/978-3-319-41196-5
51. I.M. Lifshitz, V.V. Slyozov. J. Phys. Chem. Solids 19, 35 (1961).
https://doi.org/10.1016/0022-3697(61)90054-3
52. C. Wagner. Theorie der Alterung von Niederschlagen durch Umlosen (Ostwald-Reifung). Z. Elektrochem 65, 581 (1961).
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна
Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:
1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.
2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.
3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.
4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.
5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.
6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.
.png){kind=small}
