Экспериментальное исследование и численное моделирование кинетики процессов фазового распада твердого раствора Fe-Cr в температурных и радиационных полях

В настоящее время в области разработки новых материалов значительные усилия направлены на создание теоретических основ и формирование научных подходов, обеспечивающих возможности цифрового моделирования, расчета и проектирования как новых типов сплавов, так и конечных изделий. Крупные американские и европейские материаловедческие программы (например, 7-я рамочная программа) направлены на развитие модельных представлений протекания подобных процессов, используя многоуровневый подход в моделировании на широком диапазоне масштабов от атомарного до конечных изделий.Одним из направлений таких работ является исследование высокохромистых сплавов на основе железа, нашедших широкое применение как в индустрии конструкционных материалов, так и в областях с повышенными требованиями к физико-химическим свойствам готовых изделий, в том числе в ядерной и термоядерной энергетике, где планируется их использование в качестве материала оболочки первой стенки, тепловыделяющего элемента, дистанцирующей решетки. Уже сейчас свойства разрабатываемых перспективных высокохромистых сталей определяются наномасштабным структурно-фазовым состоянием и подвержены значительным изменениям даже при малых отклонениях в исходном составе и используемых термообработках. В процессе эксплуатации под воздействием таких факторов как термическое старение и радиационные повреждения, происходит деградация эксплуатационных характеристик, что в значительной мере связывают с масштабной перестройкой наноструктуры материала. Таким образом, для эффективного решения возникающих материаловедческих задач, исследования и модельные расчеты должны проводится на всех уровнях, начиная с атомарного. Данный проект направлен на исследование кинетики изменения структурно-фазового состояния высокохромистого сплава Fe-Cr на атомно-масштабном уровне в широком диапазоне времен высокотемпературного отжига (от 10 до 1200 часов) и доз радиационного каскадообразующего облучения (диапазон флюенсов 10^14-5*10^15 частиц/см^2 при комнатной температуре и нагреве до 500 С). Впервые будет проведено комплексное исследование сплава Fe-Cr в комбинации компьютерного и реального экспериментов, когда в качестве входных данных для многоуровневых молекулярно-динамических расчетов будут использованы адаптированные специальным образом данные атомно-зондовой томографии. Последняя широко применяется для задач, связанных с наномасштабными исследованиями распределения элементов в многокомпонентных материалах, так как обеспечивает реконструкцию 3-х мерного распределения атомов реального материала с одновременным определением их химической природы. На основе построенной молекулярно-динамической модели будет проведен большой ряд компьютерных экспериментов на Супер-ЭВМ второго поколения с пиковой производительностью 122.9 Тфп, моделирующих воздействие облучения и термического старения на конкретный сплав. Параллельно с расчетами будет проведен реальный эксперимент, который позволит верифицировать модель. Применение такого гибридного эксперимента позволит получить динамику изменения распределения атомов различных элементов и дефектов при протекании деградационных процессов, что в сравнении, позволит судить о вкладе каждого влияния. Данные результаты позволят продвинуться в понимании процессов образования и эволюции ?’-фазы в высокохромистых сплавах, также они необходимы для будущих предсказаний изменений, происходящих в конструкционных материалах энергетических установок в процессе эксплуатации. Со стороны компьютерных расчетов они помогут усовершенствовать существующие и разработать новые модели численного описания вышеуказанных процессов.