Shock Waves in Metal Crystallites at Irradiation

Abstract

Повышение радиационной стойкости металлов является одной из наиболее актуальных задач современного материаловедения. В данной работе проведено молекулярно-динамическое моделирование формирования и распространения ударных волн в кри-сталлитах железа, связанных с генерацией в них каскадов атомных смещений при радиационном воздействии. Исследовано взаимодействие ударных волн с точечными дефектами и их кластерами. Проведена оценка параметров ударных волн, исследо-вана их зависимость от энергии первично выбитого атома. Ударные волны генерируются в первую пикосекунду развития кас-када атомных смещений и распространяются значительно дальше области первичных радиационных повреждений. Первона-чально скорость распространения ударных волн превышает скорость звука, а затем быстро уменьшается до звуковой. Так как каждый субкаскад генерирует собственную ударную волну, волновой фронт имеет сложную конфигурацию. Вследствие анизо-тропии свойств материала фронт ударных волн отличается от сферического, вытягиваясь вдоль направлений <111> и <110>. Максимальной скоростью и амплитудой характеризуются волны, распространяющиеся вдоль плотноупакованного направления <111>. Исследуемые волны могут увеличивать подвижность точечных дефектов и их кластеров, вызывать их перестройку и приводить к локальному повышению температуры. В исследованном интервале температур (от 0 до 300 К) характеристики ударных волн слабо зависят от температуры. Принимая во внимание, что при генерации и развитии каскада атомных смещений образуется большое количество ударных волн, их воздействие на дефектную структуру материала может быть существенным.Ключевые слова: кристаллит железа, каскады атомных смещений, ударные волны, точечные дефекты, молекулярная динамика. Metal nuclear hardening is one of the most pressing problems in modern materials science. In this paper molecular dynamics simulation was used to study formation and propagation features of shock waves generated by atomic displacement cascades in metal crystallites exposed to radiation with iron crystallite used as an example. The shock wave characteristics dependence on the energy of primary knocked-on atom and the interaction of the shock waves with point defects and their clusters were studied. Shock waves are generated during the first picosecond of the atomic displacement cascades formation and propagate appreciably beyond the area of initial radiation damages. Originally the velocity of their propagation exceeds the speed of sound, but it lessens to the acoustic speed rapidly. Since every subcascade generates its own shock wave and due to material properties anisotropy, wave front has complicated configuration. It stretches along the directions <111> and <110>. The waves propagating along the close-packed direction <111> have maximum velocity and peak amplitude. The shock waves may lead to mobility increase and rearrangement of point defects and their clusters and give rise to local temperature. The shock wave characteristics weakly depend on temperature within the temperature interval 0-300 K. SHOCK...