一种预测辐照气泡演化的相场模拟方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种预测辐照气泡演化的相场模拟方法及系统，所述方法包括：获取待测材料参数和环境参数；待测材料参数包括：点缺陷的迁移率、点缺陷的形成能、点缺陷的扩散系数、气泡的初始参数和位错捕获点缺陷的半径，环境参数包括：温度、辐照损伤率和热应力；建立参数计算方程；参数计算方程包括：体系总自由能方程和动力学演化方程；将待测材料参数和环境参数输入到参数计算方程中得到浓度场变量和序参量变量；根据浓度场变量和序参量变量得到气泡演化图像。本发明专利技术的方法及系统综合考虑温度、辐照和热应力作用下的辐照诱发气泡微结构演化，提高了气泡演化模型的通用性。

【技术实现步骤摘要】
一种预测辐照气泡演化的相场模拟方法及系统
本专利技术涉及辐照微结构演化
，特别是涉及一种预测辐照气泡演化的相场模拟方法及系统。
技术介绍
现有的国内外辐照气泡演化相场模型主要考虑了温度和辐照损伤率的影响，重点体现在辐照点缺陷产生率和含温效应的热力学参数，该类模型在一定程度上考虑的环境场因素有限，且给出的微结构损伤较为单一。而对于复杂辐照环境下材料微结构演化，目前广泛使用的方法仍然是基于金兹堡-朗道相变理论的相场模型，其中采用有限差分法或快速傅里叶变换求解变分方程。由于总自由能只考虑了温度和辐照因素，导致模型研究多物理场耦合下微结构演化受限。尤其是高温引起的热应力对点缺陷热力学行为有着显著的影响，导致材料微观组织形貌改变。至此，现有的模型难以全面考虑辐照环境因素影响下的气泡演化，通用性低。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种预测辐照气泡演化的相场模拟方法及系统，通过综合考虑温度、辐照和热应力作用下的辐照诱发气泡微结构演化，以提高气泡演化模型的通用性。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种预测辐照气泡演化的相场模拟方法，所述方法包括：获取待测材料参数和环境参数；所述待测材料参数包括：点缺陷的迁移率、点缺陷的形成能、点缺陷的扩散系数、气泡的初始参数和位错捕获点缺陷的半径，所述环境参数包括：温度、辐照损伤率和热应力；建立参数计算方程；所述参数计算方程包括：体系总自由能方程和动力学演化方程；将所述待测材料参数和所述环境参数输入到所述参数计算方程中得到浓度场变量和序参量变量；所述浓度场变量包括空位浓度随时间的变化量、自间隙原子浓度随时间的变化量和气体原子随时间的变化量，序参量变量包括序参量随时间的变化量；根据所述浓度场变量和所述序参量变量得到气泡演化图像。可选的，建立所述体系总自由能方程，具体为：基于金兹堡-朗道相变理论建立含有空位、自间隙原子、气体原子和序参量的所述体系总自由能方程。可选的，建立所述动力学演化方程，具体为：基于卡恩-希利亚德方程和艾伦-卡恩方程建立所述动力学演化方程；所述动力学演化方程包括：空位的动力学演化方程、自间隙原子的动力学演化方程、气体原子的动力学演化方程和序参量的动力学演化方程。可选的，所述体系总自由能方程为：F＝N∫((1-h(η))fm+h(η)fb+ω0W+fa+fe)dV；其中，F是系统总自由能，fm是待测材料的自由能密度函数，fb是气泡的自由能密度函数，fa是梯度能，fe是热应力下的弹性能，N是所述待测材料的单位体积内晶格数量，h(η)是关于序参量η的差值函数，W是双阱势函数，ω0是双阱势的势垒高度，m是所述待测材料，b是气泡，a是梯度，e是弹性；其中，cv是空位v的浓度，是空位v的平衡浓度，ci是自间隙原子i的浓度，是自间隙原子i的平衡浓度，cg是气体原子g的浓度，是气体原子g的平衡浓度，T是温度，Ev是空位v的形成能，Sv是空位v的熵，Ei是自间隙原子i的形成能，Si是自间隙原子i的熵，Eg是气体原子g的形成能，Sg是气体原子g的熵，kB是玻尔兹曼常数；其中，μ是气泡初始势能，p0是气泡参考内压，A'是拟合常数；其中，Cqjol是弹性常数，q、j、o和l均为自由指标，r是位置矢量，k是倒易空间矩阵的位置，和是本征应变，和是平均应变，n是单位倒易矩阵，nq是单位倒易矩阵的第q个组分，nl是单位倒易矩阵的第l个组分，Ωjo(n)是单位倒易矩阵n的格林应变张量，是应力场关于位置矢量k的傅里叶变换，s是热应力，V是模拟辐照气泡演化区域的体积。可选的，所述空位的动力学演化方程为：所述自间隙原子的动力学演化方程为：所述气体原子的动力学演化方程为：所述序参量的动力学演化方程为：其中，t是时间，是拉普拉斯算子，N是所述待测材料的单位体积内晶格数量，cv是空位v的浓度，是空位v的浓度随时间的变化量，Mv是空位v的迁移率，是系统总自由能F随空位v的浓度的变化量，是空位v的产生率，是空位v和自间隙原子i的结合率，d是位错，是空位v的被位错吸收的速率，ci是自间隙原子i的浓度，是自间隙原子i的浓度随时间的变化量，Mi是自间隙原子i的迁移率，是系统总自由能F随自间隙原子i的浓度的变化量，是自间隙原子i的产生率，是自间隙原子i的被位错吸收的速率，cg是气体原子g的浓度，是气体原子g的浓度随时间的变化量，Mg是气体原子g的迁移率，是系统总自由能F随气体原子g的浓度的变化量，是自气体原子g的产生率，是序参量η随时间的变化量，L是界面动力学参数，是系统总自由能F随序参量η的变化量。一种预测辐照气泡演化的相场模拟系统，包括：参数获取模块，用于获取待测材料参数和环境参数；所述待测材料参数包括：点缺陷的迁移率、点缺陷的形成能、点缺陷的扩散系数、气泡的初始参数和位错捕获点缺陷的半径，所述环境参数包括：温度、辐照损伤率和热应力；方程建立模块，用于建立参数计算方程；所述参数计算方程包括：体系总自由能方程和动力学演化方程；变量计算模块，用于将所述待测材料参数和所述环境参数输入到所述参数计算方程中得到浓度场变量和序参量变量；所述浓度场变量包括空位浓度随时间的变化量、自间隙原子浓度随时间的变化量和气体原子随时间的变化量，序参量变量包括序参量随时间的变化量；气泡演化图像获取模块，用于根据所述浓度场变量和所述序参量变量得到气泡演化图像。可选的，所述方程建立模块包括：自由能方程建立单元，用于基于金兹堡-朗道相变理论建立含有空位、自间隙原子、气体原子和序参量的所述体系总自由能方程。可选的，所述方程建立模块包括：演化方程建立单元，用于基于卡恩-希利亚德方程和艾伦-卡恩方程建立所述动力学演化方程；所述动力学演化方程包括：空位的动力学演化方程、自间隙原子的动力学演化方程、气体原子的动力学演化方程和序参量的动力学演化方程。可选的，所述体系总自由能方程为：F＝N∫((1-h(η))fm+h(η)fb+ω0W+fa+fe)dV；其中，F是系统总自由能，fm是待测材料的自由能密度函数，fb是气泡的自由能密度函数，fa是梯度能，fe是热应力下的弹性能，N是所述待测材料的单位体积内晶格数量，h(η)是关于序参量η的差值函数，W是双阱势函数，ω0是双阱势的势垒高度，m是所述待测材料，b是气泡，a是梯度，e是弹性；其中，cv是空位v的浓度，是空位v的平衡浓度，ci是自间隙原子i的浓度，是自间隙原子i的平衡浓度，cg是气体原子g的浓度，是气体原子g的平衡浓度，T是温度，Ev是空位v的形成能，Sv是空位v的熵，Ei是自间隙原子i的形成能，Si是自间隙原子i的熵，Eg是气体原子g的形成能，Sg是气体原子g的熵，kB是玻尔兹曼常数；其中，μ是气泡初始势能，p0是气泡参考内压，A'是拟合常数；其中，Cqjol是弹性常数，q、j、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种预测辐照气泡演化的相场模拟方法，其特征在于，所述方法包括：/n获取待测材料参数和环境参数；所述待测材料参数包括：点缺陷的迁移率、点缺陷的形成能、点缺陷的扩散系数、气泡的初始参数和位错捕获点缺陷的半径，所述环境参数包括：温度、辐照损伤率和热应力；/n建立参数计算方程；所述参数计算方程包括：体系总自由能方程和动力学演化方程；/n将所述待测材料参数和所述环境参数输入到所述参数计算方程中得到浓度场变量和序参量变量；所述浓度场变量包括空位浓度随时间的变化量、自间隙原子浓度随时间的变化量和气体原子随时间的变化量，序参量变量包括序参量随时间的变化量；/n根据所述浓度场变量和所述序参量变量得到气泡演化图像。/n

【技术特征摘要】
1.一种预测辐照气泡演化的相场模拟方法，其特征在于，所述方法包括：
获取待测材料参数和环境参数；所述待测材料参数包括：点缺陷的迁移率、点缺陷的形成能、点缺陷的扩散系数、气泡的初始参数和位错捕获点缺陷的半径，所述环境参数包括：温度、辐照损伤率和热应力；
建立参数计算方程；所述参数计算方程包括：体系总自由能方程和动力学演化方程；
将所述待测材料参数和所述环境参数输入到所述参数计算方程中得到浓度场变量和序参量变量；所述浓度场变量包括空位浓度随时间的变化量、自间隙原子浓度随时间的变化量和气体原子随时间的变化量，序参量变量包括序参量随时间的变化量；
根据所述浓度场变量和所述序参量变量得到气泡演化图像。


2.根据权利要求1所述的预测辐照气泡演化的相场模拟方法，其特征在于，建立所述体系总自由能方程，具体为：
基于金兹堡-朗道相变理论建立含有空位、自间隙原子、气体原子和序参量的所述体系总自由能方程。


3.根据权利要求1所述的预测辐照气泡演化的相场模拟方法，其特征在于，建立所述动力学演化方程，具体为：
基于卡恩-希利亚德方程和艾伦-卡恩方程建立所述动力学演化方程；所述动力学演化方程包括：空位的动力学演化方程、自间隙原子的动力学演化方程、气体原子的动力学演化方程和序参量的动力学演化方程。


4.根据权利要求1所述的预测辐照气泡演化的相场模拟方法，其特征在于，所述体系总自由能方程为：
F＝N∫((1-h(η))fm+h(η)fb+ω0W+fa+fe)dV；
其中，F是系统总自由能，fm是待测材料的自由能密度函数，fb是气泡的自由能密度函数，fa是梯度能，fe是热应力下的弹性能，N是所述待测材料的单位体积内晶格数量，h(η)是关于序参量η的差值函数，W是双阱势函数，ω0是双阱势的势垒高度，m是所述待测材料，b是气泡，a是梯度，e是弹性；



其中，cv是空位v的浓度，是空位v的平衡浓度，ci是自间隙原子i的浓度，是自间隙原子i的平衡浓度，cg是气体原子g的浓度，是气体原子g的平衡浓度，T是温度，Ev是空位v的形成能，Sv是空位v的熵，Ei是自间隙原子i的形成能，Si是自间隙原子i的熵，Eg是气体原子g的形成能，Sg是气体原子g的熵，kB是玻尔兹曼常数；



其中，μ是气泡初始势能，p0是气泡参考内压，A'是拟合常数；



其中，Cqjol是弹性常数，q、j、o和l均为自由指标，r是位置矢量，k是倒易空间矩阵的位置，和是本征应变，和是平均应变，n是单位倒易矩阵，nq是单位倒易矩阵的第q个组分，nl是单位倒易矩阵的第l个组分，Ωjo(n)是单位倒易矩阵n的格林应变张量，是应力场关于位置矢量k的傅里叶变换，s是热应力，V是模拟辐照气泡演化区域的体积。


5.根据权利要求3所述的预测辐照气泡演化的相场模拟方法，其特征在于，所述空位的动力学演化方程为：



所述自间隙原子的动力学演化方程为：



所述气体原子的动力学演化方程为：



所述序参量的动力学演化方程为：



其中，t是时间，是拉普拉斯算子，N是所述待测材料的单位体积内晶格数量，cv是空位v的浓度，是空位v的浓度随时间的变化量，Mv是空位v的迁移率，是系统总自由能F随空位v的浓度的变化量，是空位v的产生率，是空位v和自间隙原子i的结合率，d是位错，是空位v的被位错吸收的速率，ci是自间隙原子i的浓度，是自间隙原子i的浓度随时间的变化量，Mi是自间隙原子i的迁移率，是系统总自由能F随自间隙原子i的浓度的变化量，是自间隙原子i的产生率，是自间隙原子i的被位错吸收的速率，cg是气体原子g的浓度，是气体原子g的浓度随时间的变化量，Mg是气体原子g的迁移率，是系统总自由能F随气体原子g的浓度的变化量，是自气体原子g的产生率，是序参量η随时间的变化量，L是界面动力学参数，是系统总自由能F随序参量η的变化量。


6.一种预测辐照气泡演化的相场模拟系...

【专利技术属性】
技术研发人员：王园园，赵纪军，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21