Modelling of Radiation-Induced Segregation in Fe–9 at.% Cr Alloy with Alloy Dislocation Subsystem Considered

R. V. Skorokhod, O. V. Koropov

Институт прикладной физики НАН Украины, ул. Петропавловская, 58, 40000 Сумы, Украина

Получена: 08.09.2020; окончательный вариант - 24.12.2021. Скачать: PDF

For the Fe–9 at.% Cr alloy, radiation-induced segregation is simulated in the model based on the first and second Fick’s laws with inverse Kirkendall effect considered. The governing quantitative characteristics of radiation-induced segregation are systematized and calculated. Such characteristics include the following: concentration profiles of Cr atoms and point defects, surface concentration of Cr atoms, the value of surface enrichment (depletion) of Cr atoms, the full width of the concentration profile of Cr atoms at half maximum enrichment (depletion), segregation area of Cr and discriminant of radiation-induced segregation of Cr atoms in a steady state. The effect of the Fe–9 at.% Cr alloy dislocation subsystem on the specified characteristics of radiation-induced segregation is studied due to the absorption of nonequilibrium point defects. The dislocation subsystem is shown to suppress the effects of radiation-induced segregation. The concentration profiles of Cr atoms and point defects at the selected values of dislocation densities in the alloy dislocation subsystem (0, 10$^{12}$ m$^{-2}$, 10$^{14}$ m$^{-2}$, 10$^{16}$ m$^{-2}$) are calculated. For the values of dislocation densities, the dependence of the surface enrichment of Cr atoms on the irradiation dose increased from 10$^{-4}$ dpa to 10$^{2}$ dpa is studied and the dependences of the governing quantitative characteristics of radiation-induced segregation on temperature changed from 250°С to 650°С are analysed.

Ключевые слова: radiation-induced segregation, concentrated metal alloys, alloy dislocation subsystem, point defects, concentration profiles, surface enrichment, computer modeling.

URL: https://mfint.imp.kiev.ua/ru/abstract/v44/i06/0691.html

PACS: 07.05.Tp, 61.72.J-, 61.80.Az, 61.80.Hg, 61.82.Bg, 66.30.-h


ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
  1. G. S. Was, Fundamentals of Radiation Materials Science. Metals and Alloys. 2nd Ed. (New York: Springer: 2017). Crossref
  2. A. Aitkaliyeva, L. He, H. Wen, B. Miller, X. M. Bai, and T. Allen, Structural Materials for Generation IV Nuclear Reactors (Ed. P. Yvon) (Amsterdam: Elsevier: 2017), p. 253. Crossref
  3. S. J. Zinkle, H. Tanigawa and B. D. Wirth, Structural Alloys for Nuclear Energy Applications (Eds. G. R. Odette and S. J. Zinkle) (Amsterdam: Elsevier: 2019), p. 163. Crossref
  4. G. S. Was and S. Ukai, Structural Alloys for Nuclear Energy Applications (Eds. G. R. Odette and S. J. Zinkle) (Amsterdam: Elsevier: 2019), p. 293.
  5. В. Н. Воеводин, И. М. Неклюдов, Эволюция структурно-фазового состояния и радиационная стойкость конструкционных материалов (Київ: Наукова думка: 2006).
  6. В. Н. Воеводин, И. М. Неклюдов, «Вісник Харківського національного університету». Серія фізична «Ядра, частинки, поля», 746, вип. 4 (32): 3 (2006).
  7. А. Гриценко, В. Демехин, В. Илькович, В. Буканов, Е. Васильева, Ядерна та радіаційна безпека, 50: 29 (2011).
  8. J. P. Wharry and G. S. Was, J. Nucl. Mater., 442: 7 (2013). Crossref
  9. C. Zheng and D. Kaoumi, Mater. Charact., 134: 152 (2017). Crossref
  10. C. Zheng, M. A. Auger, M. P. Moody, and D. Kaoumi, J. Nucl. Mater., 491: 162 (2017). Crossref
  11. H.-H. Jin, S. S. Hwang, M. J. Choi, G.-G. Lee, and J. Kwon, J. Nucl. Mater., 513: 271 (2019). Crossref
  12. X. Liu, J. G. Gigax, J. D. Poplawsky, W. Guo, H. Kim, L. Shao, F. A. Garner, and J. F. Stubbins, Materialia, No. 9: 100542 (2020). Crossref
  13. B. D. Wirth, G. R. Odette, J. Marian, L. Ventelon, J. A. Young-Vandersall, and L. A. Zepeda-Ruiz, J. Nucl. Mater., 329–333 (Part A): 103 (2004). Crossref
  14. A. J. Ardell and P. Bellon, Current Opinion in Solid State and Materials Science, 20, No. 3: 115 (2016). Crossref
  15. Я. И. Френкель, Введение в теорию металлов (Ленинград: Наука: 1972).
  16. A. M. Косевич, Физическая механика реальных кристаллов (Киев: Наукова Думка: 1981).
  17. С. А. Котречко, Ю. Я. Мешков, Предельная прочность. Кристаллы, металлы, конструкции (Киев: Наукова Думка: 2008).
  18. A. S. Bakai, O. V. Borodin, V. V. Bryk, V. N. Voyevodin, V. F. Zelenskij, I. M. Neklyudov, P. V. Platonov, and A. A. Turkin, J. Nucl. Mater., 185: 260 (1991). Crossref
  19. А. С. Бакай, А. А. Туркин, Радиационно-индуцированная модификация фазовой диаграммы бинарного сплава (Москва: ЦНИИатоминформ: 1988).
  20. А. А. Туркин, А. С. Бакай, Вопросы атомной науки и техники, Вып. 4 (89): 47 (2006).
  21. А. А. Туркин, Проблемы теоретической и математической физики. Научные труды, Вып. 3 (Ред. А. Г. Загородний, Н. Ф. Шульга, В. В. Яновский) (Харьков: ХНУ имени В. Н. Каразина: 2019), с. 58.
  22. А. А. Туркин, Теорія фазових перетворень у неупорядкованих сплавах заміщення під опроміненням (Дис.  докт. фіз.-мат. наук) (Харків: 2010).
  23. R. Bullough and R. C. Newman, Rep. Prog. Phys., 33, No. 1: 101 (1970). Crossref
  24. H. Wiedersich, P. R. Okamoto, and N. Q. Lam, J. Nucl. Mater., 83: 98 (1979). Crossref
  25. J. P. Wharry, Z. Jiao, and G. S. Was, J. Nucl. Mater., 425: 117 (2012). Crossref
  26. J. P. Wharry and G. S. Was, Acta Mater., 65: 42 (2014). Crossref
  27. R. V. Skorokhod, O. M. Buhay, V. M. Bilyk, V. L. Denysenko, and O. V. Koropov, Східно-європейський фізичний журнал, 5, № 1: 61 (2018).
  28. О. В. Коропов, Р. В. Скороход, ІX Міжнародна науково-практична конференція «Математика в сучасному технічному університеті» (28–29 грудня 2020, Київ) (Вінниця: ФОП Ю. В. Кушнір: 2021), c. 80. Crossref
  29. О. В. Коропов, 18 Міжнародна наукова конференція ім. академіка Михайла Кравчука (7–10 жовтня 2017) (Київ: НТУУ «КПІ»: 2017), т. 1, c. 86.
  30. О. В. Коропов, 17 Міжнародна наукова конференція ім. академіка Михайла Кравчука (19–20 травня 2016) (Київ: НТУУ «КПІ»: 2016), т. 1, c. 161.
  31. F. Soisson, J. Nucl. Mater., 349: 235 (2006). Crossref
  32. K. G. Field, L. M. Barnard, C. M. Parish, J. T. Busby, D. Morgan, and T. R. Allen, J. Nucl. Mater., 435: 172 (2013). Crossref
  33. D. S. Gelles, J. Nucl. Mater., 108–109: 515 (1982). Crossref
  34. S. I. Porollo, A. M. Dvoriashin, A. N. Vorobyev, and Yu. V. Konobeev, J. Nucl. Mater., 256: 247 (1998). Crossref
  35. Yu. V. Konobeev, A. M. Dvoriashin, S. I. Porollo, and F. A. Garner, J. Nucl. Mater., 355: 124 (2006). Crossref
  36. W.-Y. Chen, Y. Miao, J. Gan, M. A. Okuniewski, S. A. Maloy, and J. F. Stubbins, Acta Mater., 111: 407 (2016). Crossref
  37. S. Choudhury, L. Barnard, J. D. Tucker, T. R. Allen, B. D. Wirth, M. Asta, and D. Morgan, J. Nucl. Mater., 411: 1 (2011). Crossref
  38. C.-C. Fu, J. Dalla Torre, F. Willaime, J.-L. Bocquet, and A. Barbu, Nat. Mater., 4: 68 (2005). Crossref
  39. K. Vörtler, M. Mamivand, L. Barnard, I. Szlufarska, F. A. Garner, and D. Morgan, J. Nucl. Mater., 479: 23 (2016). Crossref
  40. P. Olsson, C. Domain, and J. Wallenius, Phys. Rev. B, 75: 014110 (2007). Crossref
  41. H.-E. Schaefer, K. Maier, M. Weller, D. Herlach, A. Seeger, and J. Diehl, Scripta Metallurgica, 11: No. 9: 803 (1977). Crossref
  42. T. R. Allen and G. S. Was, Acta Mater., 46, No. 10: 3679 (1998). Crossref
  43. S. J. Zinkle and J. T. Busby, Mater. Today, 12, No. 11: 12 (2009). Crossref
  44. D. Buckthorpe, Structural Materials for Generation IV Nuclear Reactors (Ed. P. Yvon) (Amsterdam: Elsevier: 2017), p. 1. Crossref