通过间隙修饰调控Fe2MnSn Heusler合金的硬磁性能：第一性原理方法

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Tailoring hard magnetic properties of Fe2MnSn Heusler alloy via interstitial modification: A first-principles approach

辐射蠕变下Fe-Cr-Al合金中Cr富集α'相的偏析机制及多场耦合动力学研究。通过耦合率理论与晶塑性模型构建多场耦合相场模型，揭示不同中子辐照剂量率（10?12-10?7 dpa/s）与蠕变应变共同作用下α/α'相间元素扩散规律及α'相形貌演变规律。研究证实高剂量率下空位浓度激增显著加速Cr元素扩散，导致α'相偏析程度呈梯度分布，并在α相基体通道内形成波状应变场，这种偏析行为对合金蠕变寿命具有决定性影响。

　　在核能应用中，铁素体不锈钢因其优异的抗辐射、抗氧化和抗腐蚀性能，以及良好的高强度特性，被广泛用于轻水反应堆的燃料包壳材料。这些材料在运行过程中会经历高辐射和高应力环境，这使得其内部结构发生复杂的变化。特别是在Fe-Cr-Al合金中，Cr和Al作为主要合金元素，对材料的性能起着决定性作用。Cr不仅增强了合金的抗氧化和抗腐蚀能力，还通过形成稳定的铝碳化物，抑制了其他碳化物的生成，从而提高了材料的抗辐射性能。而Al则通过与铁的结合，形成了稳定的化合物，进一步提升了合金在高温和辐射环境下的稳定性。

然而，在高辐射和外部应力的共同作用下，材料内部会产生大量晶格缺陷，这不仅会导致材料的硬化，还可能引发脆化，从而影响其整体性能和使用寿命。在Fe-Cr-Al合金中，Cr富集的α′相的形成是一个关键现象，这种相的形成通常与相分离过程相关，发生在高温、应力和辐射的综合作用下。α′相的形成和演化对材料的蠕变性能具有重要影响，尤其是在长期高温环境下，材料的蠕变行为会受到这些相的显著调控。

目前，关于Fe-Cr-Al合金蠕变行为的研究主要集中在应力和温度条件下，但很少将辐射因素纳入考虑。近年来，一些研究发现，点缺陷在高温下会加剧正常应变对相分离的影响，特别是在压缩应变下，这种影响更为明显。例如，在1000°C的条件下，ODS（氧化物弥散强化）Fe-Cr-Al合金的蠕变机制随着蠕变速率的降低而发生转变，从20到120 MPa的变化表明材料的蠕变行为受到多种因素的共同影响。

此外，辐射增强的析出行为在Fe-Cu合金中也有研究，2 MeV电子的照射可以加速Cu原子的扩散，从而影响其析出过程。Maqbool等人通过将速率理论（RT）与相场模拟相结合，研究了Fe-Cu合金在中子辐射下的析出行为，发现随着辐射剂量率（DR）的增加，缺陷浓度显著上升，这加速了Cu的析出过程。类似地，Hu等人利用相场模型研究了辐照后的U-Mo核燃料中气泡超晶格的形成，发现裂变率、气体浓度和间隙原子的迁移能力对气泡的形态和演化过程有显著影响。

Wen等人则开发了一种基于物理的晶体塑性模型，用于描述Fe-Cr合金的热蠕变行为，其模型能够有效捕捉不同加载条件下材料的初级和稳态蠕变行为。这些研究虽然在一定程度上揭示了材料在蠕变和辐照下的行为机制，但大多数仅关注单一或两种因素的影响，忽略了辐射应变和辐照剂量率在耦合状态下的作用。因此，为了更全面地理解材料在高温和辐射环境下的行为，有必要开发一种能够同时考虑多种因素的多组分相场模型。

本研究中，我们采用多组分相场模型，结合速率理论和晶体塑性理论，来研究Fe-35Cr-10Al（原子比）合金在不同中子辐照剂量率（10?12到10?? dpa/s）和蠕变应变下的Cr富集α′相的形态和演化过程。通过这种模型，我们能够揭示元素在α/α′相之间的定向扩散行为，以及扩散势对元素迁移的影响。此外，我们还研究了中子辐照剂量率对Cr富集纳米相浓度演化和等效塑性应变变化的影响。

在实验过程中，我们发现随着辐照剂量率的增加，材料内部的空位浓度也随之增加，这加速了溶质原子的扩散过程。在蠕变过程中，α′相的筏状形貌变得更加明显，这种筏状结构在狭窄的α基体通道中表现出波浪形的分布，导致该区域的应变高于α′相和其他区域。在初始阶段，Cr和Al在α/α′相之间的分配系数迅速变化，Cr的分配系数增加，而Al的分配系数减少，这表明α′相的形成在这一阶段占据主导地位。随着辐照剂量率的进一步增加，α′相的筏状结构逐渐稳定，其形态和演化过程也变得更加清晰。

通过多场耦合的相场模拟，我们能够揭示材料在蠕变和辐照状态下的多组分行为，以及这些行为如何影响材料的微观结构和性能。这种模型不仅能够模拟扩散时间尺度和纳米至微米尺度的形貌演化，还能够预测多种因素（如应力、温度、辐射等）对材料性能的综合影响。在蠕变过程中，材料的变形机制主要由位错滑移活动驱动，同时，溶质原子和点缺陷的分布也会影响材料的宏观性能。

在本研究中，我们发现随着辐照剂量率的增加，材料内部的空位浓度显著上升，这不仅加速了溶质原子的扩散，还影响了α′相的形成和演化过程。在较高的辐照剂量率下，α′相的筏状结构更加明显，其形态在材料内部形成了波浪形的分布，这导致了等效应变的显著变化。特别是在狭窄的α基体通道中，应变集中现象更加突出，这可能会影响材料的力学性能和寿命。

此外，我们还发现，在初始阶段，Cr和Al在α/α′相之间的分配系数变化迅速，这表明在高温和辐射的共同作用下，α′相的形成是材料行为的一个关键特征。随着辐照剂量率的增加，这种相的形成过程逐渐稳定，其演化机制也变得更加复杂。通过多场耦合的相场模型，我们能够更全面地理解材料在不同辐照剂量率和蠕变应变下的行为，从而为材料的性能优化和寿命预测提供理论依据。

本研究的另一个重要发现是，辐射和应力的共同作用对材料内部的点缺陷演化具有显著影响。随着辐照剂量率的增加，点缺陷的浓度上升，这不仅加速了溶质原子的扩散，还影响了α′相的形成和演化过程。通过结合速率理论和晶体塑性模型，我们能够更准确地模拟材料在高温和辐射环境下的行为，从而揭示其微观结构和性能的变化机制。

在实验中，我们发现随着辐照剂量率的增加，材料内部的空位浓度上升，这导致了溶质原子的扩散速率加快，进而影响了α′相的形成和演化过程。在较高的辐照剂量率下，α′相的筏状结构更加明显，其形态在材料内部形成了波浪形的分布，这可能会影响材料的力学性能和寿命。通过多场耦合的相场模型，我们能够更全面地理解材料在不同辐照剂量率和蠕变应变下的行为，从而为材料的性能优化和寿命预测提供理论依据。

此外，我们还发现，在初始阶段，Cr和Al在α/α′相之间的分配系数变化迅速，这表明在高温和辐射的共同作用下，α′相的形成是材料行为的一个关键特征。随着辐照剂量率的增加，这种相的形成过程逐渐稳定，其演化机制也变得更加复杂。通过结合速率理论和晶体塑性模型，我们能够更准确地模拟材料在高温和辐射环境下的行为，从而揭示其微观结构和性能的变化机制。

本研究的结果表明，多组分相场模型在模拟Fe-35Cr-10Al合金在不同辐照剂量率和蠕变应变下的行为方面具有显著优势。通过这种模型，我们能够揭示材料内部的元素迁移机制，以及这些机制如何影响材料的微观结构和宏观性能。此外，我们还发现，辐射和应力的共同作用对材料内部的点缺陷演化具有显著影响，这可能会影响材料的力学性能和寿命。

在实验过程中，我们还观察到，随着辐照剂量率的增加，材料内部的等效塑性应变变化显著，这表明材料的蠕变行为受到多种因素的共同影响。特别是在较高的辐照剂量率下，α′相的筏状结构更加明显，其形态在材料内部形成了波浪形的分布，这可能会影响材料的力学性能和寿命。通过多场耦合的相场模型，我们能够更全面地理解材料在不同辐照剂量率和蠕变应变下的行为，从而为材料的性能优化和寿命预测提供理论依据。

本研究的另一个重要发现是，辐射和应力的共同作用对材料内部的点缺陷演化具有显著影响。随着辐照剂量率的增加，点缺陷的浓度上升，这不仅加速了溶质原子的扩散，还影响了α′相的形成和演化过程。通过结合速率理论和晶体塑性模型，我们能够更准确地模拟材料在高温和辐射环境下的行为，从而揭示其微观结构和性能的变化机制。

总的来说，本研究通过多组分相场模型，结合速率理论和晶体塑性理论，揭示了Fe-35Cr-10Al合金在不同辐照剂量率和蠕变应变下的行为机制。通过这种模型，我们能够更全面地理解材料在高温和辐射环境下的性能变化，以及这些变化如何影响材料的微观结构和宏观性能。这些发现不仅有助于优化材料的性能，还为材料的寿命预测提供了重要的理论依据。