Представлены результаты исследования из первых принципов энергетики взаимодействия водорода и вакансий с α-цирконием. Установлено, что наличие вакансий в цирконии увеличивает энергию связи водород−металл, а присутствие водорода в решетке циркония уменьшает энергию образования вакансий. Показано, что водород и вакансии в цирконии образуют комплексы, значительно искажающие решетку металла. Вблизи этих комплексов наблюдается повышение степени ковалентности связей металл−металл и водород−металл. DOI: 10.21883/FTT.2018.01.45282.020 ВведениеДеградация механических свойств конструкционных материалов, обусловленная водородным охрупчивани-ем [1], стимулирует интенсивные исследования влияния водорода на атомную и электронную структуру метал-лов и сплавов [2][3][4][5][6][7][8][9]. Исследования твердого раствора ниобий−водород методами электронно-позитронной ан-нигиляции, дифракции рентгеновского излучения и про-свечивающей электронной микроскопии [3,4] показали, что растворение водорода способствует образованию ва-кансий с последующим формированием сложных комп-лексов водород-вакансия, структура которых зависит как от концентрации водорода в металле, так и от спосо-ба его введения. Теоретические исследования металлов с кубической структурой [5][6][7], а также ГПУ металлов Ti [8] и Zr [9] выявили, что наличие водорода и вакансий в решетке металлов приводит к формированию различ-ных комплексов водород−вакансия. Очевидно, что на-копление этих комплексов может явиться дополнитель-ным фактором водородного охрупчивания материалов.Сплавы на основе циркония широко используются для изготовления оболочек топливных элементов ядер-ных реакторов. В процессе эксплуатации эти элемен-ты конструкции реакторов подвергаются интенсивно-му воздействию водорода [10] и высоких температур, способствующих образованию равновесных вакансий. Однако к настоящему времени нам известна лишь одна работа, посвященная исследованию комплексов водород−вакансия в цирконии [9]. Поэтому целью на-стоящего исследования явилось изучение из первых принципов атомной и электронной структуры системы цирконий−водород−вакансия (Zr−H−ν) при концентра-циях водорода и вакансий ∼ 6.5 ат.%. Метод и детали расчетаВ рамках теории функционала электронной плот-ности полнопотенциальным методом линеаризованных присоединенных плоских волн [11], реализованном в пакете программ FLEUR [12], проведена оптимизация параметров решетки и релаксация положений всех атомов в расчетной ячейке систем цирконий−водород (Zr−H), цирконий−вакансия (Zr−ν) и цирконий−водо-род−вакансия (Zr−H−ν). Обменно-корреляционные эф-фекты учитывались с использованием обобщенного градиентного приближения в форме Пердью−Бурке− Ернцерхофа (PBE) [13]. Радиусы МТ-сфер атомов Zr и H были выбраны равными 1.058 и 0.529 ¦ соответственно, что позволяло атомам водорода свободно помещаться в междоузлиях кристаллической решетки α-Zr. Самосогла-сование электронной плотности считалось достигнутым, когда среднеквадратичное отклонение между входной и выходной зарядовыми плотностями валентных элек-тронов становилось меньше 10 −3 эле...
Проведены ab initio исследования атомной структуры систем Zr−He, Zr−vac и Zr−vac−He с концентра-цией атомов гелия и вакансий (vac) ∼ 6 at.%. Обнаружена индуцированная гелием неустойчивость решетки циркония в системе Zr−He, исчезающая с появлением вакансий. Определено наиболее предпочтительное положение примеси в решетке металла. Рассчитаны энергия растворения гелия и вносимый им избыточный объем. Установлено, что присутствие гелия в решетке Zr заметно понижает энергию образования вакансии. DOI: 10.21883/FTT.2017.01.43943.188 ВведениеСплавы на основе циркония являются важнейшими конструкционными материалами для тепловыделяющих элементов водо-водяных ядерных реакторов [1]. В про-цессе эксплуатации эти сплавы накапливают примесные атомы гелия, возникающие в результате (n, α)-ядерных реакций, а также большое количество дефектов как тер-модинамического, так и радиационного происхождения. Атомы гелия из-за их низкой растворимости в метал-ле захватываются дефектами кристаллической решетки, содержащими области избыточного объема, такими как вакансии, дислокации и границы зерен. Это приводит к образованию комплексов " дефект решетки + гелий", называемых в литературе газонаполненными пузырь-ками [2][3][4][5]. В частности, в результате взаимодействия гелия с вакансиями в металле образуются наполненные гелием вакансионные комплексы [4,5]. В работах [6,7] сообщается о том, что такие гелиевые пузырьки могут формироваться при низких температурах с участием одиночной вакансии и нескольких атомов гелия.Повышение концентрации вакансий в материале при-водит к увеличению его объема, называемому распу-ханием. Кроме того, в поликристаллах из-за накопле-ния He на границах зерен и образования наполненных гелием вакансионных комплексов в их объеме проис-ходит охрупчивание материала. Эти процессы приводят к деградации эксплуатационных свойств конструкцион-ных материалов [8][9][10][11][12]. Для борьбы с такими неже-лательными явлениями необходимо глубокое изучение свойств металла, содержащего точечные дефекты типа вакансий и примесных атомов. Важная информация о свойствах материалов, содержащих указанные дефекты, может быть получена с помощью расчетов из первых принципов в рамках теории функционала плотности.Целью настоящей работы является ab initio иссле-дование атомной структуры систем Zr−He, Zr−vac, Zr−vac−He при концентрации примесных атомов и вакансий (vac) ∼ 6 at.%. В частности, определяется энер-гетически наиболее выгодное положение атома гелия в решетке идеального кристалла Zr и кристалла с вакансиями, а также вычисляются энергия его раство-рения и вносимый им в решетку металла избыточный объем, изучается влияние примеси гелия на энергию образования вакансии в Zr. Методика и детали расчетаВ рамках теории функционала электронной плотно-сти с использованием обобщенно-градиентного прибли-жения [13] линеаризованным методом присоединенных плоских волн [14,15], реализованным в пакете программ FLEUR [16], проведены самосогласованные расчеты полной энергии чистого Zr и систем Zr−He, Zr−vac, Zr−vac−He. Радиусы muffin-tin сфер атомов Zr...
scite is a Brooklyn-based organization that helps researchers better discover and understand research articles through Smart Citations–citations that display the context of the citation and describe whether the article provides supporting or contrasting evidence. scite is used by students and researchers from around the world and is funded in part by the National Science Foundation and the National Institute on Drug Abuse of the National Institutes of Health.
hi@scite.ai
10624 S. Eastern Ave., Ste. A-614
Henderson, NV 89052, USA
Copyright © 2024 scite LLC. All rights reserved.
Made with 💙 for researchers
Part of the Research Solutions Family.