清华大学优秀博士学位论文丛书
A508-Ⅲ钢在辐照作用下的
多尺度力学行为研究
林盼栋(Lin Pandong) 著
内 容 简 介
本书围绕核反应堆压力容器关键材料A508-Ⅲ钢在辐照环境下的力学行为,系统
阐述了从微观机理到宏观性能的多尺度研究。通过分子动力学模拟揭示了点缺陷与位
错环的演化机制,建立了融合微观机制的晶体塑性本构模型,并依托ABAQUS平台实
现了细观-宏观尺度耦合的数值计算。结合Fe离子辐照试验、纳米压痕与TEM 表征,
验证了多尺度计算框架的可靠性,定量评估了辐照对屈服应力与韧脆转变温度的影响。
进一步提出断裂韧性及调整参考温度的预测方法,为压力容器性能评价与延寿设计提
供重要技术支撑。
本书适合核材料、固体力学及相关领域的研究人员、工程师和研究生参考阅读,对
从事核电站设计、安全评估与寿命管理的专业人士具有重要参考价值。
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图书在版编目 (CIP) 数据
A508-Ⅲ钢在辐照作用下的多尺度力学行为研究 / 林盼栋著.
北京 : 清华大学出版社, 2026. 9. -- (清华大学优秀博士学位论文
丛书). -- ISBN 978-7-302-72804-7
Ⅰ. TL341
中国国家版本馆CIP数据核字第2026QQ2921号
责任编辑: 程 洋
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责任校对: 欧 洋
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版次: 2026年9月第1版 印 次: 2026年9月第1次印刷
定价: 119.00元
产品编号: 110561-01
一流博士生教育
体现一流大学人才培养的高度(代丛书序)①
人才培养是大学的根本任务。只有培养出一流人才的高校,才能够成
为世界一流大学。本科教育是培养一流人才最重要的基础,是一流大学的
底色,体现了学校的传统和特色。博士生教育是学历教育的最高层次,体现
出一所大学人才培养的高度,代表着一个国家的人才培养水平。清华大学
正在全面推进综合改革,深化教育教学改革,探索建立完善的博士生选拔培
养机制,不断提升博士生培养质量。
学术精神的培养是博士生教育的根本
学术精神是大学精神的重要组成部分,是学者与学术群体在学术活动
中坚守的价值准则。大学对学术精神的追求,反映了一所大学对学术的重
视、对真理的热爱和对功利性目标的摒弃。博士生教育要培养有志于追求
学术的人,其根本在于学术精神的培养。
无论古今中外,博士这一称号都和学问、学术紧密联系在一起,和知识
探索密切相关。我国的博士一词起源于2000多年前的战国时期,是一种学
官名。博士任职者负责保管文献档案、编撰著述,须知识渊博并负有传授学
问的职责。东汉学者应劭在《汉官仪》中写道:“博者,通博古今; 士者,辩于
然否。”后来,人们逐渐把精通某种职业的专门人才称为博士。博士作为一
种学位,最早产生于12世纪,最初它是加入教师行会的一种资格证书。19
世纪初,德国柏林大学成立,其哲学院取代了以往神学院在大学中的地位,
在大学发展的历史上首次产生了由哲学院授予的哲学博士学位,并赋予了
哲学博士深层次的教育内涵,即推崇学术自由、创造新知识。哲学博士的设
立标志着现代博士生教育的开端,博士则被定义为独立从事学术研究、具备
创造新知识能力的人,是学术精神的传承者和光大者。
① 本文首发于《光明日报》,2017年12月5日。
博士生学习期间是培养学术精神最重要的阶段。博士生需要接受严谨
的学术训练,开展深入的学术研究,并通过发表学术论文、参与学术活动及
博士论文答辩等环节,证明自身的学术能力。更重要的是,博士生要培养学
术志趣,把对学术的热爱融入生命之中,把捍卫真理作为毕生的追求。博士
生更要学会如何面对干扰和诱惑,远离功利,保持安静、从容的心态。学术
精神,特别是其中所蕴含的科学理性精神、学术奉献精神,不仅对博士生未
来的学术事业至关重要,对博士生一生的发展都大有裨益。
独创性和批判性思维是博士生最重要的素质
博士生需要具备很多素质,包括逻辑推理、言语表达、沟通协作等,但是
最重要的素质是独创性和批判性思维。
学术重视传承,但更看重突破和创新。博士生作为学术事业的后备力
量,要立志于追求独创性。独创意味着独立和创造,没有独立精神,往往很
难产生创造性的成果。1929年6月3日,在清华大学国学院导师王国维逝
世二周年之际,国学院师生为纪念这位杰出的学者,募款修造“海宁王静安
先生纪念碑”,同为国学院导师的陈寅恪先生撰写了碑铭,其中写道:“先生
之著述,或有时而不章; 先生之学说,或有时而可商; 惟此独立之精神,自
由之思想,历千万祀,与天壤而同久,共三光而永光。”这是对于一位学者的
极高评价。中国著名的史学家、文学家司马迁所讲的“究天人之际,通古今
之变,成一家之言”也是强调要在古今贯通中形成自己独立的见解,并努力
达到新的高度。博士生应该以“独立之精神、自由之思想”来要求自己,不断
创造新的学术成果。
诺贝尔物理学奖获得者杨振宁先生曾在20世纪80年代初对到访纽约
州立大学石溪分校的90多名中国学生、学者提出:“独创性是科学工作者最
重要的素质。”杨先生主张做研究的人一定要有独创的精神、独到的见解和
独立研究的能力。在科技如此发达的今天,学术上的独创性变得越来越难,
也愈加珍贵和重要。博士生要树立敢为天下先的志向,在独创性上下功夫,
勇于挑战最前沿的科学问题。
批判性思维是一种遵循逻辑规则、不断质疑和反省的思维方式,具有批
判性思维的人勇于挑战自己,敢于挑战权威。批判性思维的缺乏往往被认
为是中国学生特有的弱项,也是我们在博士生培养方面存在的一个普遍问
题。2001年,美国卡内基基金会开展了一项“卡内基博士生教育创新计
划”,针对博士生教育进行调研,并发布了研究报告。该报告指出: 在美国
2 A508-Ⅲ钢在辐照作用下的多尺度力学行为研究
和欧洲,培养学生保持批判而质疑的眼光看待自己、同行和导师的观点同样
非常不容易,批判性思维的培养必须成为博士生培养项目的组成部分。
对于博士生而言,批判性思维的养成要从如何面对权威开始。为了鼓
励学生质疑学术权威、挑战现有学术范式,培养学生的挑战精神和创新能
力,清华大学在2013年发起“巅峰对话”,由学生自主邀请各学科领域具有
国际影响力的学术大师与清华学生同台对话。该活动迄今已经举办了21
期,先后邀请17位诺贝尔奖、3位图灵奖、1位菲尔兹奖获得者参与对话。
诺贝尔化学奖得主巴里·夏普莱斯(Barry Sharpless)在2013年11月来清
华参加“巅峰对话”时,对清华学生的质疑精神印象深刻。他在接受媒体采
访时谈道:“清华的学生无所畏惧,请原谅我的措辞,但他们真的很有胆量。”
这是我听到的对清华学生的最高评价,博士生就应该具备这样的勇气和能
力。培养批判性思维更难的一层是要有勇气不断否定自己,有一种不断超
越自己的精神。爱因斯坦说:“在真理的认识方面,任何以权威自居的人,必
将在上帝的嬉笑中垮台。”这句名言应该成为每一位从事学术研究的博士生
的箴言。
提高博士生培养质量有赖于构建全方位的博士生教育体系
一流的博士生教育要有一流的教育理念,需要构建全方位的教育体系,
把教育理念落实到博士生培养的各个环节中。
在博士生选拔方面,不能简单按考分录取,而是要侧重评价学术志趣和
创新潜力。知识结构固然重要,但学术志趣和创新潜力更关键,考分不能完
全反映学生的学术潜质。清华大学在经过多年试点探索的基础上,于2016
年开始全面实行博士生招生“申请-审核”制,从原来的按照考试分数招收博
士生,转变为按科研创新能力、专业学术潜质招收,并给予院系、学科、导师
更大的自主权。《清华大学“申请-审核”制实施办法》明晰了导师和院系在
考核、遴选和推荐上的权力和职责,同时确定了规范的流程及监管要求。
在博士生指导教师资格确认方面,不能论资排辈,要更看重教师的学术
活力及研究工作的前沿性。博士生教育质量的提升关键在于教师,要让更
多、更优秀的教师参与到博士生教育中来。清华大学从2009年开始探索将
博士生导师评定权下放到各学位评定分委员会,允许评聘一部分优秀副教
授担任博士生导师。近年来,学校在推进教师人事制度改革过程中,明确教
研系列助理教授可以独立指导博士生,让富有创造活力的青年教师指导优
秀的青年学生,师生相互促进、共同成长。
一流博士生教育体现一流大学人才培养的高度(代丛书序) 3
在促进博士生交流方面,要努力突破学科领域的界限,注重搭建跨学科
的平台。跨学科交流是激发博士生学术创造力的重要途径,博士生要努力
提升在交叉学科领域开展科研工作的能力。清华大学于2014年创办了“微
沙龙”平台,同学们可以通过微信平台随时发布学术话题,寻觅学术伙伴。
3年来,博士生参与和发起“微沙龙”12000多场,参与博士生达38000多人
次。“微沙龙”促进了不同学科学生之间的思想碰撞,激发了同学们的学术
志趣。清华于2002年创办了博士生论坛,论坛由同学自己组织,师生共同
参与。博士生论坛持续举办了500期,开展了18000多场学术报告,切实
起到了师生互动、教学相长、学科交融、促进交流的作用。学校积极资助博
士生到世界一流大学开展交流与合作研究,超过60%的博士生有海外访学
经历。清华于2011年设立了发展中国家博士生项目,鼓励学生到发展中国
家亲身体验和调研,在全球化背景下研究发展中国家的各类问题。
在博士学位评定方面,权力要进一步下放,学术判断应该由各领域的学
者来负责。院系二级学术单位应该在评定博士论文水平上拥有更多的权
力,也应担负更多的责任。清华大学从2015年开始把学位论文的评审职责
授权给各学位评定分委员会,学位论文质量和学位评审过程主要由各学位
分委员会进行把关,校学位委员会负责学位管理整体工作,负责制度建设和
争议事项处理。
全面提高人才培养能力是建设世界一流大学的核心。博士生培养质量
的提升是大学办学质量提升的重要标志。我们要高度重视、充分发挥博士
生教育的战略性、引领性作用,面向世界、勇于进取,树立自信、保持特色,不
断推动一流大学的人才培养迈向新的高度。
清华大学校长
2017年12月
丛书序二
以学术型人才培养为主的博士生教育,肩负着培养具有国际竞争力的
高层次学术创新人才的重任,是国家发展战略的重要组成部分,是清华大学
人才培养的重中之重。
作为首批设立研究生院的高校,清华大学自20世纪80年代初开始,立
足国家和社会需要,结合校内实际情况,不断推动博士生教育改革。为了提
供适宜博士生成长的学术环境,我校一方面不断地营造浓厚的学术氛围,一
方面大力推动培养模式创新探索。我校从多年前就已开始运行一系列博士
生培养专项基金和特色项目,激励博士生潜心学术、锐意创新,拓宽博士生
的国际视野,倡导跨学科研究与交流,不断提升博士生培养质量。
博士生是最具创造力的学术研究新生力量,思维活跃,求真求实。他们
在导师的指导下进入本领域研究前沿,汲取本领域最新的研究成果,拓宽人
类的认知边界,不断取得创新性成果。这套优秀博士学位论文丛书,不仅是
我校博士生研究工作前沿成果的体现,也是我校博士生学术精神传承和光
大的体现。
这套丛书的每一篇论文均来自学校新近每年评选的校级优秀博士学位
论文。为了鼓励创新,激励优秀的博士生脱颖而出,同时激励导师悉心指
导,我校评选校级优秀博士学位论文已有20多年。评选出的优秀博士学位
论文代表了我校各学科最优秀的博士学位论文的水平。为了传播优秀的博
士学位论文成果,更好地推动学术交流与学科建设,促进博士生未来发展和
成长,清华大学研究生院与清华大学出版社合作出版这些优秀的博士学位
论文。
感谢清华大学出版社,悉心地为每位作者提供专业、细致的写作和出版
指导,使这些博士论文以专著方式呈现在读者面前,促进了这些最新的优秀
研究成果的快速广泛传播。相信本套丛书的出版可以为国内外各相关领域
或交叉领域的在读研究生和科研人员提供有益的参考,为相关学科领域的
发展和优秀科研成果的转化起到积极的推动作用。
感谢丛书作者的导师们。这些优秀的博士学位论文,从选题、研究到成
文,离不开导师的精心指导。我校优秀的师生导学传统,成就了一项项优秀
的研究成果,成就了一大批青年学者,也成就了清华的学术研究。感谢导师
们为每篇论文精心撰写序言,帮助读者更好地理解论文。
感谢丛书的作者们。他们优秀的学术成果,连同鲜活的思想、创新的精
神、严谨的学风,都为致力于学术研究的后来者树立了榜样。他们本着精益
求精的精神,对论文进行了细致的修改完善,使之在具备科学性、前沿性的
同时,更具系统性和可读性。
这套丛书涵盖清华众多学科,从论文的选题能够感受到作者们积极参
与国家重大战略、社会发展问题、新兴产业创新等的研究热情,能够感受到
作者们的国际视野和人文情怀。相信这些年轻作者们勇于承担学术创新重
任的社会责任感能够感染和带动越来越多的博士生,将论文书写在祖国的
大地上。
祝愿丛书的作者们、读者们和所有从事学术研究的同行们在未来的道
路上坚持梦想,百折不挠! 在服务国家、奉献社会和造福人类的事业中不断
创新,做新时代的引领者。
相信每一位读者在阅读这一本本学术著作的时候,在汲取学术创新成
果、享受学术之美的同时,能够将其中所蕴含的科学理性精神和学术奉献精
神传播和发扬出去。
清华大学研究生院院长
2018年1月5日
摘 要
核反应堆压力容器是核电站核岛的主设备,具有密封燃料放射性、维持
堆内运行压力的重要作用,是核电站安全运行的一道重要屏障。核反应堆
压力容器用钢(A508-Ⅲ钢)在辐照条件下的宏观力学性能与材料微观结构
密切相关。本书从微观组织结构入手,研究A508-Ⅲ钢辐照效应的微观机
理,建立适用于A508-Ⅲ钢的微观-细观-宏观多尺度计算框架,并给出力学
性能参数的计算和评价方法。本书的研究能为现行通用的反应堆压力容器
用钢力学性能评价方法提供理论基础和微观物理解释,同时为保障核电站
安全高效运行乃至延长反应堆压力容器寿命提供可靠技术基础。
微观尺度上,采用分子动力学方法对一维点缺陷和二维位错环进行了
研究和分析。建立了适用于A508-Ⅲ钢的位移级联和单轴拉伸分子动力学
模型,揭示了辐照损伤的影响因素以及点缺陷对单轴拉伸过程的影响; 研
究位错环与位错的相互作用过程,分析了温度和位错环直径对相互作用时
间、作用类型和作用产物的影响,揭示其作用机理。
细观尺度上,建立了考虑辐照效应的晶体塑性理论模型,基于
ABAQUS平台进行了数值实现,通过有限元方法实现了细观和宏观的联
系。基于微观尺度的研究结论,对细观模型的位错环演化公式进行修正和
完善,实现微观与细观的尺度转换,从而建立微观-细观-宏观多尺度计算框
架。针对A508-Ⅲ钢,开展了Fe离子辐照试验、纳米压痕试验和透射电子
显微镜试验,通过数值模拟与纳米压痕试验数据的对比,证明多尺度计算框
架的有效性。基于透射电子显微镜试验观察,揭示了辐照剂量和辐照温度
对辐照缺陷的影响,给出了辐照缺陷表征参数与辐照剂量间的数学表达式。
进一步,基于多尺度计算框架,定量给出了不同辐照条件对屈服应力和韧脆
转变温度的影响。
宏观尺度上,建立了通过多尺度框架计算断裂韧性和韧脆转变温度的
方法,基于已有的试验数据证明了方法的有效性,提高了断裂韧性和韧脆转
变温度的预测精度。更进一步地,可计算核电站重要的设计参数———调整
参考温度,为核电站的延寿提供参考。
关键词: 反应堆压力容器; 辐照效应; 多尺度框架; 晶体塑性有限元模型;
分子动力学
Abstract
The Reactor Pressure Vessel (RPV) has been the indispensable
component of the nuclear island in the nuclear power plant. It is a
significant barrier to prevent the radioactive material from overflowing and
maintain the operating pressure of the nuclear plant throughout its entire
lifetime. It is a widely held view that the macroscale mechanical properties
of A508-Ⅲ steel used as RPV steel under irradiation are closely related to
its microstructure. In this book, the microscopic mechanism of the
irradiation effect of A508-Ⅲ steel was investigated based on the
microstructure. The micro-meso-macro multi-scale calculation framework
for A508-Ⅲ steel was established, based on which the calculation and
evaluation methods of mechanical properties were given. This book was
exploratory and interpretative in the current general evaluation method of
mechanical properties of RPV steel, which would make a significant
contribution to the field of ensuring the safe and efficient operation and
extending the service life of nuclear power plants.
In the microscale, the irradiation defects containing point defects and
dislocation loops were studied and analyzed by the molecular dynamics
method. The molecular dynamics models for displacement cascade and
uniaxial tensile of A508-Ⅲ steel were established to reveal the generation
of irradiation damage and the influence of point defects on the uniaxial
tensile process, respectively. Furthermore, the interaction process
between dislocation loop and dislocation was investigated, in which the
effects of temperature and dislocation loop diameter on interaction time,
type and product were analyzed to reveal the mechanism of interaction.
In the mesoscale, a crystal plasticity finite element model (CPFEM)
coupling with irradiation effect was established and numerically
implemented based on the ABAQUS platform. Then, the meso- and
macroscale connection was established by the finite element method.
Based on the conclusions of microscale research, the dislocation loop
evolution formula of the CPFEM was modified and improved, which built
the micro- and mesoscale connection. Taken together, the multi-scale
calculation framework was proposed. Except that, the Fe ion irradiation
test, nano-indentation test and transmission electron microscopy (TEM)
test were carried out. At first, the validity of multi-scale framework was
proved based on the experimental data of nano-indentation. Secondly, the
effects of irradiation dose and irradiation temperature on irradiation
defects were investigated, and the mathematical expressions between
irradiation defect characterizing parameters, such as the number density
and diameter and irradiation dose were given based on TEM observation.
Thirdly, the effects of varied irradiation conditions on yield stress and
ductile-brittle transition temperature were quantified based on the multiscale
framework.
In the macroscale, the accurate calculation method of fracture
toughness and ductile-brittle transition temperature was described by
multi-scale framework, whose validity was identified by the relevant
experimental data. Last but not least, the adjusted reference temperature
(ART), an important parameter of nuclear power plant, was calculated,
which provides a reference for the life extension of the nuclear power plant
to some extent.
Keywords: Reactor pressure vessel; Irradiation effect; Multi-scale
framework; Crystal plasticity finite element model; Molecular dynamics
符号和缩略语说明
缩略语说明
APT 原子探针层析技术(atom probe tomography)
ART 调整参考温度(adjusted reference temperature)
BCC 体心立方晶体(body-centered cubic)
CD 团簇动力学(cluster dynamics)
CNA 公共近邻分析(common neighbor analysis)
CP 晶体塑性(crystal plasticity)
CPFEM 晶体塑性有限元模型(crystal plasticity finite element model)
CRSS 临界剪切应力(critical resolved shear stress)
DBTT 韧脆转变温度(ductile-brittle transition temperature)
DD 位错动力学(dislocation dynamics)
DL 位错环(dislocation loop)
DXA 位错提取分析(dislocation extraction analysis)
EAM 嵌入原子方法(embedded atom method)
FCC 面心立方晶体(face-centered cubic)
FE 有限元(finite element)
FIB 聚焦离子束(focused ion beam)
fs 飞秒(femtosecond)
HB 氦泡(He bubble)
HCP 密排六方晶体(hexagonal close packed)
KMC 动力学蒙特卡罗(kinetic Monte Carlo)
MD 分子动力学(molecular dynamics)
MEAM 修正的嵌入原子方法(modified embedded atom method)
NPH 等焓等压系综(constant-pressure,constant-enthalpy ensemble)
NPT 等温等压系综(constant-pressure, constant-temperature ensemble)
NVE 微正则系综(micro-canonical ensemble)
NVT 正则系综(canonical ensemble)
PADB 正电子湮灭多普勒展宽(positron annihilation Doppler broadening)
PD 点缺陷(point defect)
PKA 初级碰撞原子(primary knocked-on atom)
ps 皮秒(picosecond)
RPV 反应堆压力容器(reactor pressure vessel)
RVE 代表性体积单元(representative volume element)
SC 溶质团簇(solute cluster)
SFE 堆垛层错能(stacking fault energy)
SFT 堆垛层错四面体(stacking fault tetrahedron)
TEM 透射电子显微镜(transmission electron microscopy)
UMAT 用户材料子程序(user-defined material subroutine)
符号说明(大写英文)
Aαβ 硬化系数
C 刚度张量
Cθ 约束系数
D 变形率张量
Ed Fe的临界阈能,取40 eV
F 总变形梯度
F* 弹性变形梯度
FP 塑性变形梯度
F·P 塑性变形梯度变化率
Fi 第i 个原子嵌入电子云中的能量,即嵌入能函数
G0 0 K的剪切模量(MPa)
L 变形梯度张量
Li 系统i 方向上的尺寸
M 单元总数
Nf 系统自由度
Nα
i 位错环数密度(mm-3)
Pmax 最大压入载荷(mN)
Q0 无外载时滑移所需的激活自由能(J)
12 A508-Ⅲ钢在辐照作用下的多尺度力学行为研究
Rα
i 湮灭半径(mm)
Si 系统i 方向上的应力
T 开尔文温度(K)
Ue 弹性位移场
W 旋转张量
符号说明(小写英文)
a 晶格常数(nm)
b 伯格斯矢量的模(mm)
aj(t) 第j 个原子的加速度矢量(m/s2)
c0,c1,c2 常数参量,一般可通过试验获得
dα
i 位错环直径(mm)
f 部分吸收位错环比重
fj(rij) 第i 个原子处受到的第j 个原子产生的电子云密度
gα 滑移阻力(MPa)
kB 玻尔兹曼常数,1.38×10-23 J/K
kdyn 动态回复系数
kmul 位错增殖速率
ld 移动位错段平均长度(mm)
l-α
位
错
的
前
缘
平
均
长
度
(
mm)
mα 第α 个滑移系的滑移面法向的单位向量
mj 第j 个原子的质量
pi 第i 个单元的状态参量(如应力和应变等)
p-
整体模型的状态参量
qρ 统计参数
qi 其他辐照缺陷等价为位错环的作用系数
r0 原子间斥力和引力平衡时两个原子的间距
rj(t) 第j 个原子的位置矢量
rij 第i 个原子和第j 个原子的间距
sα 第α 个滑移系的滑移方向的单位向量
vj(t) 第j 个原子的速度矢量
符号和缩略语说明 13
符号说明(其他符号)
γP 单位体积内的塑性变形功
γ·α 塑性剪切变化率
κ 热浴时间
λ 速度标度因子
λα 第α 个滑移系的有效自由程
ν 位错振动频率
vi 第i 个单元的体积
vD 德拜频率,取值为1×1013 s-1
v-α 移动位错运动的平均速度
ξ ·
摩擦系数率
ξα 位错环被位错吸收的概率
ρi 第i 个原子处其他原子产生的电子云的密度和
ραI
固定位错的密度(mm-2)
ρα
M 移动位错的密度(mm-2)
τα 分解剪应力(MPa)
τ^α 无热激活能情况下,位错运动所需克服最大滑移阻力(MPa)
φij 第i 个原子和第j 个原子间的对势能量
??i 第i 个原子的体积
ωα 位错环吸收频率
ΔX 参考构型中柏氏回路对应的位移段
ΔGα 自由焓变化量
δαβ 克罗内克函数
<σn> 非负应力(MPa)
注: 若本书中对符号有其他说明,以具体说明为准。
14 A508-Ⅲ钢在辐照作用下的多尺度力学行为研究
目 录
第1章 绪论………………………………………………………………… 1
1.1 选题背景及意义 ………………………………………………… 1
1.2 核反应堆压力容器用钢 ………………………………………… 2
1.3 RPV钢的辐照效应 ……………………………………………… 4
1.4 RPV钢在辐照作用下的多尺度研究 …………………………… 6
1.4.1 分子动力学方法研究辐照缺陷研究现状……………… 8
1.4.2 晶体塑性有限元模型研究辐照效应研究现状 ……… 11
1.4.3 RPV钢辐照效应试验研究现状 ……………………… 14
1.4.4 不同尺度间的联系及转换 …………………………… 17
1.5 研究目标与内容………………………………………………… 19
第2章 辐照缺陷的产生、性质以及与位错的相互作用研究…………… 22
2.1 分子动力学方法………………………………………………… 22
2.1.1 主要计算过程 ………………………………………… 23
2.1.2 积分算法 ……………………………………………… 23
2.1.3 势函数 ………………………………………………… 25
2.1.4 边界条件 ……………………………………………… 27
2.1.5 系综与约束 …………………………………………… 27
2.1.6 模拟环境与分析软件 ………………………………… 29
2.1.7 分析表征方法 ………………………………………… 29
2.2 辐照缺陷的产生———位移级联过程…………………………… 31
2.2.1 体系构建和模拟过程 ………………………………… 31
2.2.2 点缺陷的产生过程 …………………………………… 32
2.2.3 位移级联过程的影响因素 …………………………… 33
2.2.4 位移级联过程对应力-应变曲线的影响 ……………… 34
2.3 点缺陷的性质———对单轴拉伸过程的影响…………………… 35
2.3.1 体系构建和模拟过程 ………………………………… 35
2.3.2 点缺陷对应力-应变曲线的影响 ……………………… 36
2.3.3 拉伸过程中的缺陷演化 ……………………………… 37
2.4 二维辐照缺陷———位错环与位错的相互作用研究…………… 42
2.4.1 体系构建和模拟过程 ………………………………… 42
2.4.2 相互作用过程 ………………………………………… 43
2.4.3 温度与位错环尺寸的影响 …………………………… 44
2.5 本章小结………………………………………………………… 47
第3章 考虑辐照效应的A508-Ⅲ钢晶体塑性理论模型及应用 ……… 48
3.1 考虑辐照效应的晶体塑性理论框架…………………………… 48
3.1.1 晶体塑性变形基本框架 ……………………………… 48
3.1.2 本构方程 ……………………………………………… 50
3.1.3 流动方程 ……………………………………………… 51
3.1.4 硬化方程 ……………………………………………… 52
3.1.5 滑移系 ………………………………………………… 52
3.1.6 位错密度演化 ………………………………………… 53
3.1.7 位错环密度演化 ……………………………………… 54
3.2 晶体塑性理论模型的数值实现方法…………………………… 54
3.2.1 有限元求解的数值实现方法 ………………………… 54
3.2.2 ABAQUS UMAT …………………………………… 57
3.3 离子辐照情况下基于纳米压痕过程的应力-应变响应研究 … 58
3.3.1 有限元模型 …………………………………………… 58
3.3.2 结果与讨论 …………………………………………… 60
3.4 本章小结………………………………………………………… 65
第4章 离子辐照下A508-Ⅲ钢的TEM 和纳米压痕试验研究………… 66
4.1 辐照试验………………………………………………………… 66
4.1.1 离子辐照试验与SRIM 计算 ………………………… 66
4.1.2 辐照样品制备 ………………………………………… 67
4.1.3 试验装置及流程 ……………………………………… 67
4.2 透射电子显微镜显微观察……………………………………… 68
4.2.1 试验设备及制样 ……………………………………… 68
16 A508-Ⅲ钢在辐照作用下的多尺度力学行为研究
4.2.2 试验结果及讨论 ……………………………………… 69
4.3 纳米压痕试验…………………………………………………… 78
4.4 本章小结………………………………………………………… 83
第5章 多尺度框架的建立和验证以及辐照硬化研究 ………………… 85
5.1 尺度转换与联系………………………………………………… 85
5.1.1 微观尺度的位错环吸收研究 ………………………… 85
5.1.2 微观-细观尺度转换与联系 …………………………… 87
5.1.3 细观-宏观尺度转换与联系 …………………………… 89
5.1.4 状态参量的均匀化处理 ……………………………… 90
5.1.5 模型正确性验证 ……………………………………… 90
5.1.6 微观参数演化 ………………………………………… 92
5.2 离子辐照A508-Ⅲ钢纳米压痕过程的晶体塑性有限元模拟…… 97
5.2.1 有限元模型 …………………………………………… 97
5.2.2 结果与讨论 …………………………………………… 99
5.3 辐照导致的硬化研究 ………………………………………… 108
5.4 本章小结 ……………………………………………………… 110
第6章 基于晶体塑性理论的辐照脆化以及工程评价研究…………… 111
6.1 断裂韧性 ……………………………………………………… 111
6.1.1 J 积分与断裂韧性…………………………………… 112
6.1.2 解理断裂局部法……………………………………… 113
6.1.3 有限元模型…………………………………………… 114
6.1.4 结果与讨论…………………………………………… 115
6.2 韧脆转变温度 ………………………………………………… 119
6.2.1 脆性断裂概率模型…………………………………… 119
6.2.2 有限元模型…………………………………………… 122
6.2.3 结果与讨论…………………………………………… 123
6.3 辐照导致的脆化研究 ………………………………………… 124
6.4 调整参考温度 ………………………………………………… 129
6.5 本章小结 ……………………………………………………… 131
第7章 总结和展望……………………………………………………… 133
7.1 主要结论 ……………………………………………………… 133
目 录 17
7.2 主要创新点 …………………………………………………… 135
7.3 建议与展望 …………………………………………………… 135
参考文献…………………………………………………………………… 137
在学期间完成的相关学术成果…………………………………………… 155
致谢………………………………………………………………………… 158
