周起印， 李忠宇

(哈尔滨工程大学 核科学与技术学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

1 缺陷团簇扩散模拟方法

本文利用经典的分子动力学软件LAMMPS[6]进行α-Zr的模型建立和在应变条件下缺陷团簇迁移的模拟计算，利用OVITO[7]软件观察缺陷团簇的迁移现象，并计算出缺陷团簇的扩散系数继而拟合得到迁移能。对于α-Zr体系，本文采用嵌入原子势(embedded atom method, EAM)[8]描述体系中各个原子之间的相互作用力。

图1 热力学平衡状态下的α-Zr模型Fig.1 α-Zr model in thermodynamic equilibrium state

本文利用N.de Diego等[10]的方法在体系中间位置添加4个Zr间隙原子，建立典型的BS型自间隙锆原子以形成缺陷团簇，如图2所示，在微正则系综(NVE)条件下，模拟计算整个体系在4 ns时间内的微观结构变化情况，同时利用Voronoi cell[11]方法判断体系内的间隙原子并跟踪间隙缺陷质心的运动情况。

图2 α-Zr体系添加自间隙原子构建缺陷团簇Fig.2 Defect clusters constructed by adding self interstitial atoms in α-Zr system

图2(a)为平面示意图，图2(b)是体系达到稳定后间隙原子的排布情况，其中较深的原子代表处于完美晶体位置上的锆原子，较浅的原子代表间隙原子。在图2(a)中，较大的原子是间隙原子，其他较小的原子对应着图2(b)中较深的原子。

2 缺陷团簇扩散分子动力学研究结果

2.1 缺陷团簇的扩散现象

图3 300 K下无应变与沿晶向施加3%拉伸应变时缺陷团簇扩散运动的对比Fig.3 Comparison of diffusion motion of defect clusters under no strain and 3% tensile strain along direction at 300 K

图4 300 K温度下在无应变与沿各方向施加3%的应变条件下缺陷团簇的质心迁移径迹Fig.4 Centroid migration path of defect clusters at 300 K without strain and with 3% strain applied in three directions

2.2 缺陷团簇的扩散系数与迁移能

利用扩散系数与温度的相关性能够计算缺陷团簇的迁移能。其中，扩散系数的计算公式为：

(1)

扩散系数与迁移能和温度之间的函数关系为：