№60 – Відділ моделювання радіаційних ефектів та мікроструктурних перетворень у конструкційних матеріалах

Завідувач відділу д.ф.-м.н., проф. Харченко Д.О.

Відділ моделювання радіаційних ефектів та мікроструктурних перетворень у конструкційних матеріалах був створений 01 березня 2012 р. на базі лабораторії № 42 – мікроструктурних досліджень реакторних матерівалів. 

Напрямки досліджень

• Дослідження енергетичних характеристик цирконієвих стопів з різним вмістом ніобія при наводнюванні методами ab-initio-молекулярной динаміки за підвищених температур
• Дослідження ансамблю точкових, лінійних та двовимірних кристалічних систем методами фазового поля кристалу та в рамках швидкісної теорії з урахуванням впливу динаміки густини петель вакансійного та міжвузлового типу у матеріалах підданих сталій дії опромінення в реакторних умовах та в умовах опромінення на прискорювачах.
• Дослідження процесів атомового упорядкування методами теорії фазового поля кристалу в бінарних системах підданих дії опромінюючих потоків.
• Дослідження поведінки дислокаційного ансамблю в рамках 3D-моделювання реальних кристалів на основі теорії дислокацій та фазового поля кристалу
• Дослідження мікроструктурних перетворень та процесів упорядкування з відбором структур у бінарних кристалічних системах методами Монте-Карло та фазового поля кристалу (випадіння та розчин преципітатів у бінарних твердих розчинах)
• Моделювання методами Монте-Карло процесів зміни мікроструктури поверхні при перерозподілі енергії у при поверхневих шарах металічних систем внаслідок взаємодії речовини з іонними пучками. Дослідження взаємного впливу атомної та магнітної підсистем на процеси упорядкування в залізо-нікілієвих стопах.
• Моделювання процесів формування нанокластерів на поверхні матеріалів у процесах епітаксіального росту та конденсації з газової фази в класах систем "плазма-конденсат". Розвинення теорії зміни морфології поверхні в таких процесах.
• Дослідження дифузійної кінетики пор, розташованих на міжзеренних границях з джерелом вакансій, викликаних опроміненням матеріалу та оствальдівського визрівання виділень нової фази, розташованої на міжзеренних границях, що мають кінцеву товщину.
• Дослідження впливу магніто-пружного зв'язку феромагнетиків на збільшення міцності ядерних реакторів та з'ясування впливу магнітної підсистеми на затухання краудіонів у сталевих конструкціях ядерних реакторів.

Основні досягнення

2022

У рамках міжнародного співробітництва з Інститутом ядерної енергії Китаю було досліджено процеси випадіння преципітатів beta-фази у цирконієвих сплавах з низькою концентрацією ніобію та олова. Було показано, що конкуренція між балістичним перемішуванням і термодинамічною силою відіграє головну роль у кінетиці радіаційно-індукованого випадіння та розчинення преципітатів.

(Харченко В.О., Харченко Д.О.)

2021

Показано, що у бінарних сплавах Zr–Nb та Zr–Sn з концентрацією легуючого елементу ~1.5% розчинені атоми ніобію не можуть локалізувати навколо себе нерівноважні вакансії, атомами олова являють собою центри локалізації вакансій. У сплавах Zr–Nb при нейтронному опроміненні в реакторних умовах формуються міжвузлові А-петлі та вакансійні С-петлі, розмір яких збільшується від границі зерна до його центру, що приводить до нерівномірної деформації кристала всередині зерен; збільшення швидкості дефектоутворення підтримує ріст великих преципітатів;. утворення ліній ковзання та дислокацій починається при вищих значеннях прикладеної деформації при зростанні швидкості дефектоутворення для опромінених сплавів.
Основні публікації відділу № 60 за 2020 рік
1. L.Wu, V.O.Kharchenko, D.O.Kharchenko, R.Pan. Energetics of binary Zr–Nb, Zr–Sn and Nb–Sn alloys and solute-vacancy binding: DFT calculations. Materials Today Communications, 101765 (2020)
2. D.O.Kharchenko, O.M.Shchokotova, V.O.Kharchenko, V.V.Kupriienko, S.V.Kokhan, X.Wu. Phase field modeling precipitation of β-phase and mechanical properties change in Zr–Nb alloys under neutron irradiation. Radiation Effects and Defects in Solids, V.175, 602 (2020).
3. L.Wu, D.O.Kharchenko, V.O.Kharchenko, O.B.Lysenko, V.Kupriienko, S.Kokhan, I.A.Shuda, R.Pan. Dislocation loops growth and radiation growth in neutron irradiated Zr-Nb alloys: rate theory modeling. Condensed Matter Physics, V.23, 13604 (2020).
Автори
Д.О.Харченко, В.О.Харченко, О.М.Щокотова, О.Б.Лисенко, В.В.Купрієнко

2020

У рамках схеми багатомасштабного моделювання проведено дослідження мікроструктурних перетворень в опромінюваних цирконієвих сплавах. Показано, що у бінарних сплавах Zr–Nb та Zr–Sn з концентрацією легуючого елементу ~1.5%, розчинені атоми ніобію не можуть локалізувати навколо себе нерівноважні вакансії, тоді як атомами олова являють собою центри локалізації вакансій. У сплавах Zr–Nb при нейтронному опроміненні в реакторних умовах формуються міжвузлові А-петлі та вакансійні С-петлі, розмір яких збільшується від границі зерна до його центру, що приводить до нерівномірної деформації кристала всередині зерен; збільшення швидкості дефектоутворення підтримує ріст великих преципітатів; утворення ліній ковзання та дислокацій починається при вищих значеннях прикладеної деформації при зростанні швидкості дефектоутворення для опромінених сплавів.

(Д.О.Харченко, В.О.Харченко, О.М.Щокотова, О.Б.Лисенко, В.В.Купрієнко)

2018

Розвинуто формалізм опису процесів пороутворення у бінарних твердих розчинах та у зразках із підготовленою мікроструктурою. Проведено всебічне дослідження процесів формування та росту пор у типовій моделі бінарного стопу, підданому радіаційному впливові з використанням комбінованого підходу, що грунтується на теорії фазового поля та щвидкісній теорії. Показано, що формування пор викликане взаємодією радіаційно продукованих вакансій з пружніми деформаціями гратниці та полем композиції стопу. Отримано фазові діаграми, що ілюструють формування твердого розчину, фазового розшарування та структуроутворення. Встановлено, що формування пор із пересиченого розчину вакансій супроводжуєтсья перерозподілом композиційного поля. Показано, що пружна неоднорідність, яка відповідає за утворення анізотропних преципітатів у первинно приготовленому стопі приводить до формування супер-решітки пор при опроміненні. Виявлено, що нуклеація та рост пор з ростом дози опромінення відповідає дифузійно керованим процесам випадіння фаз. Показано універсальність динаміки росту пор. Проведена оцінка основних параметрів та статистичних характеристик пор.

(Д.О.Харченко, В.О.Харченко, О.Б.Лисенко, Ю.М.Овчаренко)

2017

Вивчено просторову самоорганізацію ансамблю точкових дефектів у α-цирконії, опроміненому швидкими нейтронами за допомогою швидкісної теорії при врахуванні еластичних властивостей середовища. Встановлено умови реорганізації нерівноважних вакансій, що продукуються внаслідок опромінення, у кластери. Досліджено розподіл пружніх полів при самоорганізації вакансійного ансамблю у чистому цирконії за умови зсувної і циклічної деформації та вивчено вплив опромінення на напружено-деформований стан цирконію.

(Д.О. Харченко, В.О. Харченко, Ю.М. Овчаренко, О.М. Щокотова, О.О. Лисенко)

2016

Виявлено, що зi збiльшенням швидкостi дефектоутворення процеси розпаду фаз у бінарних  твердих розчинах в умовах опромінення швидкими нейтронами супроводжуються процесами формування просторових вакансiйих структур. Виявлено, що процеси відбору структур при формуванні кластерів вакансій у опромінюваних тонких металевих фольгах супроводжуються локальною зміною  температури внаслідок перерозподілу вакансій між кластерами. При дослідженні процесів формування пор у чистих металах, підданих дії опромінюючих потоків, виявлено що флуктуації швидкості дефектоутворення  збільшують критичний радіус пор, не змінюючи універсальність їх розподілу за розмірами. Встановлено, що динаміка росту пор уповільнюється за рахунок зростання інтенсивності стоків точкових дефектів.

(Д.О. Харченко, В.О. Харченко)

2015

При досліджені процесів формування нанорозмірних поверхневих структур у процесах осадження із газової фази запропоновано багатошарову модель росту поверхні з утворення нанорозмірних структур адсорбату та вакансійних стурктур. Встановлено умови реалізації стійкої нанорозмірної поверхневої структури адсорбату, досліджено закони росту островків адсорбату, виявлено розподіл таких островків за розмірами за різної геометрії гратниці осаджуваного матеріалу. Встановлено характер перерозподілу полів температури адсорбату при формування нанорозмірних об'єктів на поверхні в процесі осадження з газової фази. Виявлено умови реалізації неоднорідного розподілу полів температури адсорбату та характерні часові масштаби його існування.

Харченко Д.О., Харченко В.О.

2014

Методами числового моделювання досліджено процеси самоорганізації дефектної структури в опромінюваних кристалічних матеріалах та встановлено особливості формування стійких структур дефектів. Виявлено, що при малих швидкостях набору дози (в реакторних умовах) точкові дефекти утворюють стійкі компактні та протяжні комплекси характерного розміру 6 нм. При великих швидкостях набору дози (опромінення на прискорювачах) формуються компактні вакансійні кластери розміром 4-5нм. Виявлено, що розподіл вакансій та характер дефектних структур визначається впливом дифузійних процесів, які пригнічуються при збільшенні швидкості набору дози.

В рамках числового моделювання досліджено процеси сегрегації точкових дефектів на границях зерен та встановлено, що збільшення швидкості набору дози спричиняє подрібнення зерен з формуванням вакансійних комплексів всередині зерен. Виявлено, що універсальна динаміка росту розмірів зерен уповільнюється зі збільшенням швидкості набору дози.

(Харченко Д.О., Харченко В.О.)

2013

Запропоновано узагальнений статистичний підхід опису процесів організації точкових дефектів вакансійного типу у кластери та пори на прикладі нікелю в рамках швидкісної теорії, що враховує генерацію дефектів пружними полями та взаємодію дефектів. Проведено дослідження умов виникнення структур дефектів в робочих режимах опромінення в реакторах. В рамках застосування процедури 3D-моделювання встановлено характер зміни мікроструктури при різних температурах та швидкостях набору дози в рамках використання аналітичних підходів та методів числового моделювання. Виявлено, що при зростанні швидкості набору дози стійкими будуть протяжні просторові структури дефектів, як-то вакансійні петлі та стінки дефектів Аналогічний ефект спостерігається при варіюванні інтенсивності внутрішніх флуктуацій розмноження дефектів, що зводиться до температури. Виявлено, що збільшення швидкості набору дози та інтенсивності флуктуацій зменшує період утворюваних кластерів дефектів вакансійного типу, що мають нанорозмірний масштаб. Отримані результати узгоджуються з експериментальними спостереженнями за процесами дефектоутворення при опроміненні в реакторних умовах.

1. Д.О.Харченко, В.О.Харченко, А.І.Баштова. Моделювання просторової організації точкових дефектів в опромінюваних системах. УФЖ, 58, 10, 994-1109 (2013)
2. Vasyl O. Kharchenko, Dmitrii O. Kharchenko, Properties of spatial organization of V-type defects in irradiated materials: 3D–modeling, Cond.Mat.Phys., 16, 3, 33001(12), (2013)

2012

Методами молекулярної динаміки та фазового поля кристалу досліджено процеси формування дефектів у кристалічних матеріалах, підданих радіаційному впливові та досліджено процеси рекристалізації опроміненої системи з встановленням кількісних характеристик кількості дефектів та властивостей фізичних процесів перебудови мікроструктури при відпалі. Досліджено процеси структуроутворення в опромінюваних системах з балістичної дифузією, що моделює формування структурного безладу при взаємодії опромінюючих частинок з атомами мішені. Встановлено конкуруючу роль регулярної та флуктуаційної компонент балістичного дифузійного потоку, наслідком чого є реверсивне проходження процесів мікростурктурних перетворень та фазової декомпозиції.

Д.О.Харченко, В.О.Харченко, С.В.Кохан, І.О.Лисенко. Моделювання зміни мікроструктури опромінюваних систем методом фазового поля кристалу. УФЖ, 57, №10, с.1069-1082, 2012
Д.О.Харченко, І.О.Лисенко, В.О.Харченко. Моделювання мікроструктурних перетворень у системах, підданих радіаційному впливу. УФМ, 13, с.1001-1090, 2012

Із використанням процедури моделювання вакансійного ансамблю в рамках швидкісної теорії встановлено фазову діаграму щодо визначення інтервалів значень температури та дози опромінення, за яких можливим є утворення вакансійних пор, зерен з виходом вакансій на границі зерен, та стінок дефектів. Виявлено основні закономірності щодо кінетики формування просторових структур точкових дефектів та динаміки росту зерен при виході вакансій на границі зерен. При дослідженні впливу флуктуаційних джерел на процеси структуроутворення в системі точкових дефектів встановлено організуючу роль флуктуаційних сил при упорядкуванні, що проходить за сценарієм нерівноважного фазового переходу першого роду.

V.O.Kharchenko, D.O.Kharchenko. Noise-induced pattern formation in system of point defects subjected to irradiation. Eur.Phys.Jour. B, 85, 383(12) 2012

В рамках наближень самоузгодженого поля та середнього („молекулярного”) поля, досліджено термодинаміку стопів ГЦК-Ni–Fe підданих дії зовнішнього магнетного поля. Для впорядкованих фаз за типами L12 та L10 проаналізовано ефект дії магнетного поля на топологію фазової діяграми та залежностей параметрів ладу, зміни значень температур у пертвореннях лад–безлад. Отримані результати узгоджуються з наявними теоретичними та експериментальними даними.

I.V.Vernyhora, V.A.Tatarenko, S.M.Bokoch. Thermodynamics of f.c.c-Ni–Fe alloys in a static applied magnetic field. ISRN Thermodynamics, Vol. 2012, Article ID 917836

Досліджено динаміку формування островів адсорбату нано-розмірного масштабу використовуючи узагальнений підхід, який включає умову постійного руху частинок, що мають кінцеву швидкість на початковій стадії і дифузійної кінетики на остаточній. Встановлено, що стабілізація нано-структур в такому класі реакційних моделях досягається за рахунок нерівноважних хімічних реакцій. Показано, що під час еволюції системи, реалізуються процеси вибору структур. Встановлено, що осциляторний режим формування островів реалізується за умови кінцевої швидкості розповсюдження, що пов'язано з ненульовим часом релаксації дифузійного потоку. Отримані результати можуть бути використані для опису формування структур нано-розмірного масштабу при процесах конденсації з газової фази.

V.O. Kharchenko, D.O. Kharchenko. Nanosize pattern formation in overdamped stochastic reaction-diffusion systems with interacting adsorbate. Phys.Rev.E, 86, 041143, 2012
V.O.Kharchenko, D.O.Kharchenko, S.V.Kokhan, I.V.Vernyhora, V.V.Yanovsky. Properties of nano-islands formation in nonequilibrium reaction–diffusion systems with memory effects. Phys. Scr., Vol. 86, 055401 2012