Frontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & Technologies2782-40392782-6074Togliatti State University55710.18323/2782-4039-2022-3-1-76-84ArticlesСтатьиSimulation of overcoming obstacles in the form of pores by dislocations in tungstenМоделирование преодоления препятствий в виде пор дислокациями в вольфрамеhttps://orcid.org/0000-0002-8278-8705KazakovArseny M.КазаковАрсений Максимович
Russian Federation

student

студент

arseny.m.kazakov@gmail.comSharapovaYuliya R.ШараповаЮлия Равильевна
Russian Federation

researcher

научный сотрудник

ulya_usinsk@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5388-3466BabichevaRita I.БабичеваРита Исмагиловна
Singapore

PhD (Physics and Mathematics), researcher of the School of Mechanical and Aerospace Engineering

кандидат физико-математических наук, научный сотрудник школы машиностроения и аэрокосмической инженерии

ri.babicheva@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1332-5125ZinovevAlexandr V.ЗиновьевАлександр Викторович
Belgium

PhD (Physics and Mathematics), researcher

кандидат физико-математических наук, научный сотрудник

aleksandr.zinovev@sckcen.beTerentyevDmitry A.ТерентьевДмитрий Александрович
Belgium

PhD (Physics and Mathematics), researcher

кандидат физико-математических наук, научный сотрудник 

dmitry.terentyev@sckcen.behttps://orcid.org/0000-0001-9940-3915SemenovAlexandr S.СеменовАлександр Сергеевич
Russian Federation

PhD (Physics and Mathematics), Associate Professor

кандидат физико-математических наук, доцент

sash-alex@yandex.ruUfa State Aviation Technical University, UfaУфимский государственный авиационный технический университет, УфаNanyang Technological University, SingaporeНаньянский технологический университет, СингапурSCK-CEN (Belgian Nuclear Research Centre), MolБельгийский центр ядерных исследований, МолMirny Polytechnic Institute (branch) of North-Eastern Federal University, MirnyПолитехнический институт (филиал) Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова в г. Мирном, Мирный300920223-1768430092022https://vektornaukitech.ru/jour/article/view/557

Tungsten is widely used as a material capable of withstanding working conditions in nuclear reactors and other extreme conditions. Under the influence of irradiation, such defects as Frenkel pairs, pores, and dislocation loops are formed in the metal. Therefore, the research aimed at studying the interactions of these defects with each other and their influence on the mechanical properties of the metal are relevant. The paper presents the theoretical study based on the molecular dynamics method, the purpose of which is to investigate the mechanism of strain hardening of tungsten associated with the interaction of dislocations and pores. The authors solved this problem using the LAMMPS package, carried out the integration of atoms motion equations by the fourth order Verlet method. The model under the study is a single crystal of a certain [111], [–1–12], [1–10] orientation along the basic X, Y, and Z coordinate axis relatively, in which the slip of edge dislocations in the main slip system of BCC metals and their interaction with pores is considered. The authors studied the influence of a pore size on the shear stress magnitude: the growth of pore diameter is proportional to the stress growth. The dependences of shear stress on the shear strain in the temperature range of 600–1400 K are calculated, whereby the temperature change does not significantly influence the stress value. The study shows that dislocations cut the pores and, upon the repeated interaction with a pore, a lower value of peak shear stress is observed than during the first one. The presence of pores leads to the flow stress increase, and such an effect becomes more evident with the increasing pore diameter. The flow stress increases thrice for pores with a diameter of 6 nm compared to the material without pores. The authors described the mechanism of interaction between the edge dislocations and pores under the influence of shear stress.

Вольфрам широко используется в качестве материала, способного выдержать условия работы в ядерных реакторах и других экстремальных условиях. Под воздействием облучения в металле образуются такие дефекты, как пары Френкеля, поры и дислокационные петли. Поэтому важными на сегодняшний день являются исследования, направленные на изучение взаимодействий этих дефектов друг с другом и влияния данных взаимодействий на механические свойства металла. В статье представлено теоретическое исследование, основанное на методе молекулярной динамики, целью которого является изучение механизма деформационного упрочнения вольфрама, связанного с взаимодействием дислокаций с порами. Решение данной задачи получено с использованием пакета LAMMPS. Интегрирование уравнений движений атомов проводится методом Верле четвертого порядка. Исследуемая модель представляет собой монокристалл ориентации [111], [-1-12], [1-10] вдоль основных координатных осей X, Y, Z соответственно, в котором рассматривается скольжение краевых дислокаций в основной системе скольжения металлов с объемно-центрированной кубической кристаллической решеткой и их взаимодействие с порами. Изучено влияние размера пор на величину сдвигающего напряжения: рост диаметра поры пропорционален росту напряжения. Рассчитаны зависимости сдвигающего напряжения от деформации сдвига в интервале температур 600–1400 K, причем изменение температуры не оказывает значительного влияния на величину напряжения. Показано, что дислокации перерезают поры, и при повторном взаимодействии с порой наблюдается меньшее значение пикового сдвигающего напряжения, чем при первом. Присутствие пор приводит к повышению напряжения течения, причем данный эффект становится более заметным с ростом диаметра пор. Для материала с порами диаметром 6 нм напряжение течения возросло в три раза по сравнению с материалом без пор. Описан механизм взаимодействия краевых дислокаций и пор под воздействием сдвигающего напряжения.

tungstenmolecular dynamics methodporesdislocationsdefects interactionshear deformationвольфрамметод молекулярной динамикипорыдислокациивзаимодействие дефектовсдвиговая деформацияThe research was financially supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation within the state assignment of FSBEI HE USATU (agreement No. 075-03-2022-318/1) “Youth Scientific Laboratory of REC “Metals and Alloys at Extreme Conditions” for A.V. Zinovyev (calculations), grant No. NSh-4320.2022.1.2 for A.M. Kazakov (analysis and discussion of obtained results), grant of the Russian Science Foundation No. 21-12-00275 for A.S. Semenov (task description, research conceptualization).Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках государственного задания ФГБОУ ВО «УГАТУ» (соглашение № 075-03-2022-318/1) «Молодежная научно-исследовательская лаборатория НОЦ «Металлы и сплавы при экстремальных воздействиях» для А.В. Зиновьева (проведение расчетов), гранта № НШ-4320.2022.1.2 для А.М. Казакова (анализ и обсуждение полученных результатов), гранта РНФ № 21-12-00275 для А.С. Семенова (постановка задачи, концептуализация исследования).Golubeva A.V., Cherkez D.I. Hydrogen retention in doped tungsten materials developed for fusion (review). Voprosy atomnoy nauki i tekhniki. Seriya: Termoyadernyy sintez, 2018, vol. 41, no. 4, pp. 26–37. DOI: 10.21517/0202-3822-2018-41-4-26-37.Голубева А.В., Черкез Д.И. Накопление водорода в разработанных для термоядерных установок сплавах вольфрама (обзор) // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Термоядерный синтез. 2018. Т. 41. № 4. С. 26–37. DOI: 10.21517/0202-3822-2018-41-4-26-37.Khripunov B.I., Koydan V.S., Ryazanov A.I., Gureev V.M., Kornienko S.N., Latushkin S.T., Muksunov A.M., Semenov E.V., Stolyarova V.G., Unezhev V.N. Radiation-damaged tungsten: production and study under steady-state plasma flux. Voprosy atomnoy nauki i tekhniki. Seriya: Termoyadernyy sintez, 2017, vol. 40, no. 4, pp. 40–49. DOI: 10.21517/0202-3822-2017-40-4-40-49.Хрипунов Б.И., Койдан В.С., Рязанов А.И., Гуреев В.М., Корниенко С.Н., Латушкин С.Т., Муксунов А.М., Семенов Е.В., Столярова В.Г., Унежев В.Н. Радиационно-повреждённый вольфрам: получение и исследование в потоке стационарной плазмы // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Термоядерный синтез. 2017. Т. 40. № 4. С. 40–49. DOI: 10.21517/0202-3822-2017-40-4-40-49.Ipatova I., Harrison R.W., Donnelly S.E., Rushton M.J.D., Middleburgh S.C., Jimenez-Melero E. Void evolution in tungsten and tungsten-5wt.% tantalum under in-situ proton irradiation at 800 and 1000 °C. Journal of Nuclear Materials, 2019, vol. 526, article number 151730. DOI: 10.1016/j.jnucmat.2019.07.030.Ipatova I., Harrison R.W., Donnelly S.E., Rushton M.J.D., Middleburgh S.C., Jimenez-Melero E. Void evolution in tungsten and tungsten-5wt.% tantalum under in-situ proton irradiation at 800 and 1000 °C // Journal of Nuclear Materials. 2019. Vol. 526. Article number 151730. DOI: 10.1016/j.jnucmat.2019.07.030.Masters B.C. Dislocation loops in irradiated iron. Philosophical Magazine, 1965, vol. 11, no. 113, pp. 881–893. DOI: 10.1080/14786436508223952.Masters B.C. Dislocation loops in irradiated iron // Philosophical Magazine. 1965. Vol. 11. № 113. P. 881–893. DOI: 10.1080/14786436508223952.Muroga T., Watanabe H., Yoshida N. Correlation of fast neutron, fusion neutron and electron irradiations based on the dislocation loop density. Journal of Nuclear Materials, 1990, vol. 174, no. 2-3, pp. 282–288. DOI: 10.1016/0022-3115(90)90241-E.Muroga T., Watanabe H., Yoshida N. Correlation of fast neutron, fusion neutron and electron irradiations based on the dislocation loop density // Journal of Nuclear Materials. 1990. Vol. 174. № 2-3. P. 282–288. DOI: 10.1016/0022-3115(90)90241-E.Jumel S., Van Duysen J.-C., Ruste J., Domain C. Interactions between dislocations and irradiation-induced defects in light water reactor pressure vessel steels. Journal of Nuclear Materials, 2005, vol. 346, no. 2-3, pp. 79–97. DOI: 10.1016/j.jnucmat.2005.04.065.Jumel S., Van Duysen J.-C., Ruste J., Domain C. Interactions between dislocations and irradiation-induced defects in light water reactor pressure vessel steels // Journal of Nuclear Materials. 2005. Vol. 346. № 2-3. P. 79–97. DOI: 10.1016/j.jnucmat.2005.04.065.Rong Z., Osetsky Y.N., Bacon D.J. A model for the dynamics of loop drag by a gliding dislocation. Philosophical Magazine, 2005, vol. 85, no. 14, pp. 1473–1493. DOI: 10.1080/14786430500036371.Rong Z., Osetsky Y.N., Bacon D.J. A model for the dynamics of loop drag by a gliding dislocation // Philosophical Magazine. 2005. Vol. 85. № 14. P. 1473–1493. DOI: 10.1080/14786430500036371.Osetsky Yu.N. Atomic-scale mechanisms of void strengthening in tungsten. Tungsten, 2021, vol. 3, no. 1, pp. 65–71. DOI: 10.1007/s42864-020-00070-6.Osetsky Yu.N. Atomic-scale mechanisms of void strengthening in tungsten // Tungsten. 2021. Vol. 3. № 1. P. 65–71. DOI: 10.1007/s42864-020-00070-6.Gerold V. Precipitation Hardening; Dislocations in Solids. Amsterdam, North-Holland Publishing Company Publ., 1979. Vol. 4, 219 p.Gerold V. Precipitation Hardening; Dislocations in Solids. Vol. 4. Amsterdam: North-Holland Publishing Company, 1979. 219 p.Shelepev I.A., Bayazitov A.M., Korznikova E.A. Modeling of supersonic crowdion clusters in FCC lattice: Effect of the interatomic potential. Journal of Micromechanics and Molecular Physics, 2021, vol. 6, no. 1, article number 2050019. DOI: 10.1142/S2424913020500198.Shelepev I.A., Bayazitov A.M., Korznikova E.A. Modeling of supersonic crowdion clusters in FCC lattice: Effect of the interatomic potential // Journal of Micromechanics and Molecular Physics. 2021. Vol. 6. № 1. Article number 2050019. DOI: 10.1142/S2424913020500198.Kolesnikov I.D., Shepelev I.A. Excitation and propagation of 1-crowdion in bcc niobium lattice. Materials. Technologies. Design, 2022, vol. 4, no. 1, pp. 5–10. DOI: 10.54708/26587572_2022_4175.Kolesnikov I.D., Shepelev I.A. Excitation and propagation of 1-crowdion in bcc niobium lattice // Materials. Technologies. Design. 2022. Vol. 4. № 1. P. 5–10. DOI: 10.54708/26587572_2022_4175.Chetverikov A.P., Shepelev I.A., Korznikova E.A., Kistanov A.A., Dmitriev S.V., Velarde M.G. Breathing subsonic crowdion in Morse lattices. Computational Condensed Matter, 2017, vol. 13, pp. 59–64. DOI: 10.1016/j.cocom.2017.09.004.Chetverikov A.P., Shepelev I.A., Korznikova E.A., Kistanov A.A., Dmitriev S.V., Velarde M.G. Breathing subsonic crowdion in Morse lattices // Computational Condensed Matter. 2017. Vol. 13. P. 59–64. DOI: 10.1016/j.cocom.2017.09.004.Yankovskaya U.I., Zakharov P.V. Heat resistance of a Pt crystal reinforced with CNT’s. Materials. Technologies. Design, 2021, vol. 3, no. 4, pp. 64–67. DOI: 10.54708/26587572_2021_34664.Янковская У.И., Захаров П.В. Устойчивость к нагреву кристалла платины, армированного углеродными нанотрубками // Materials. Technologies. Design. 2021. Т. 3. № 4. С. 64–67. DOI: 10.54708/26587572_2021_34664.Chen H.-Y., Tsou N.-T. The Analysis of Thermal-Induced Phase Transformation andMicrostructural Evolution in Ni-Ti Based Shape Memory Alloys By Molecular Dynamics. CMES - Computer Modeling in Engineering and Sciences, 2019, vol. 120, no. 2, pp. 319–332. DOI: 10.32604/cmes.2019.06447.Chen H.-Y., Tsou N.-T. The Analysis of Thermal-Induced Phase Transformation andMicrostructural Evolution in Ni-Ti Based Shape Memory Alloys By Molecular Dynamics // CMES - Computer Modeling in Engineering and Sciences. 2019. Vol. 120. № 2. P. 319–332. DOI: 10.32604/cmes.2019.06447.Yoon T., Kang S., Kang T.Y., Kim T.-S. Detection of Graphene Cracks By Electromagnetic Induction, Insensitive to Doping Level. CMES - Computer Modeling in Engineering and Sciences, 2019, vol. 120, no. 2, pp. 351–361. DOI: 10.32604/cmes.2019.06672.Yoon T., Kang S., Kang T.Y., Kim T.-S. Detection of Graphene Cracks By Electromagnetic Induction, Insensitive to Doping Level // CMES - Computer Modeling in Engineering and Sciences. 2019. Vol. 120. № 2. P. 351–361. DOI: 10.32604/cmes.2019.06672.Daw M.S., Foiles S.M., Baskes M.I. The embedded-atom method: a review of theory and applications. Materials Science Reports, 1993, vol. 9, no. 7-8, pp. 251–310. DOI: 10.1016/0920-2307(93)90001-U.Daw M.S., Foiles S.M., Baskes M.I. The embedded-atom method: a review of theory and applications // Materials Science Reports. 1993. Vol. 9. № 7-8. P. 251–310. DOI: 10.1016/0920-2307(93)90001-U.Osetsky Yu.N., Bacon D.J. An atomic-level model for studying the dynamics of edge dislocations in metals. Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, 2003, vol. 11, no. 4, pp. 427–440. DOI: 10.1088/0965-0393/11/4/302.Osetsky Yu.N., Bacon D.J. An atomic-level model for studying the dynamics of edge dislocations in metals // Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. 2003. Vol. 11. № 4. P. 427–440. DOI: 10.1088/0965-0393/11/4/302.Bonny G., Terentyev D., Elena J., Zinovev A., Minov B., Zhurkin E.E. Assessment of hardening due to dislocation loops in bcc iron: Overview and analysis of atomistic simulations for edge dislocations. Journal of Nuclear Materials, 2016, vol. 473, pp. 283–289. DOI: 10.1016/j.jnucmat.2016.02.031.Bonny G., Terentyev D., Elena J., Zinovev A., Minov B., Zhurkin E.E. Assessment of hardening due to dislocation loops in bcc iron: Overview and analysis of atomistic simulations for edge dislocations // Journal of Nuclear Materials. 2016. Vol. 473. P. 283–289. DOI: 10.1016/j.jnucmat.2016.02.031.Zhou X.W., Johnson R.A., Wadley H.N.G. Misfit-energy-increasing dislocations in vapor-deposited CoFe/NiFe multilayers. Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics, 2004, vol. 69, no. 14, article number 144113. DOI: 10.1103/physrevb.69.144113.Zhou X.W., Johnson R.A., Wadley H.N.G. Misfit-energy-increasing dislocations in vapor-deposited CoFe/NiFe multilayers // Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics. 2004. Vol. 69. № 14. Article number 144113. DOI: 10.1103/physrevb.69.144113.Shepelev I.A., Dmitriev S.V., Kudreyko A.A., Velarde M.G., Korznikova E.A. Supersonic voidions in 2D Morse lattice. Chaos, Solitons & Fractals, 2020, vol. 140, article number 110217. DOI: 10.1016/j.chaos.2020.110217.Shepelev I.A., Dmitriev S.V., Kudreyko A.A., Velarde M.G., Korznikova E.A. Supersonic voidions in 2D Morse lattice // Chaos, Solitons & Fractals. 2020. Vol. 140. Article number 110217. DOI: 10.1016/j.chaos.2020.110217.Shepelev I.A., Korznikova E.A., Bachurin D.V., Semenov A.S., Chetverikov A.P., Dmitriev S.V. Supersonic crowdion clusters in 2D Morse lattice. Physics Letters, Section A: General, Atomic and Solid State Physics, 2020, vol. 384, no. 1, article number 126032. DOI: 10.1016/j.physleta.2019.126032.Shepelev I.A., Korznikova E.A., Bachurin D.V., Semenov A.S., Chetverikov A.P., Dmitriev S.V. Supersonic crowdion clusters in 2D Morse lattice // Physics Letters, Section A: General, Atomic and Solid State Physics. 2020. Vol. 384. № 1. Article number 126032. DOI: 10.1016/j.physleta.2019.126032.Babicheva R.I., Evazzade I., Korznikova E.A., Shepelev I.A., Zhou K., Dmitriev S.V. Low-energy channel for mass transfer in Pt crystal initiated by molecule impact. Computational Materials Science, 2019, vol. 163, pp. 248–255. DOI: 10.1016/j.commatsci.2019.03.022.Babicheva R.I., Evazzade I., Korznikova E.A., Shepelev I.A., Zhou K., Dmitriev S.V. Low-energy channel for mass transfer in Pt crystal initiated by molecule impact // Computational Materials Science. 2019. Vol. 163. P. 248–255. DOI: 10.1016/j.commatsci.2019.03.022.Shepelev I.A., Bachurin D.V., Korznikova E.A., Bayazitov A.M., Dmitriev S.V. Mechanism of remote vacancy emergence by a supersonic crowdion cluster in a 2D Morse lattice. Chinese Journal of Physics, 2021, vol. 70, pp. 355–362. DOI: 10.1016/j.cjph.2021.01.010.Shepelev I.A., Bachurin D.V., Korznikova E.A., Bayazitov A.M., Dmitriev S.V. Mechanism of remote vacancy emergence by a supersonic crowdion cluster in a 2D Morse lattice // Chinese Journal of Physics. 2021. Vol. 70. P. 355–362. DOI: 10.1016/j.cjph.2021.01.010.Moradi Marjaneh A.M., Saadatmand D., Evazzade I., Babicheva R., Soboleva E.G., Srikanth N., Zhou K., Korznikova E.A., Dmitriev S.V. Mass transfer in the Frenkel-Kontorova chain initiated by molecule impact. Physical Review E, 2018, vol. 98, no. 2, article number 023003. DOI: 10.1103/PhysRevE.98.023003.Moradi Marjaneh A.M., Saadatmand D., Evazzade I., Babicheva R., Soboleva E.G., Srikanth N., Zhou K., Korznikova E.A., Dmitriev S.V. Mass transfer in the Frenkel-Kontorova chain initiated by molecule impact // Physical Review E. 2018. Vol. 98. № 2. Article number 023003. DOI: 10.1103/PhysRevE.98.023003.Singh M., Morkina A.Y., Korznikova E.A., Dubinko V.I., Terentiev D.A., Xiong D., Naimark O.B., Gani V.A., Dmitriev S.V. Effect of discrete breathers on the specific heat of a nonlinear chain. Journal of Nonlinear Science, 2021, vol. 31, no. 1, article number 12. DOI: 10.1007/s00332-020-09663-4.Singh M., Morkina A.Y., Korznikova E.A., Dubinko V.I., Terentiev D.A., Xiong D., Naimark O.B., Gani V.A., Dmitriev S.V. Effect of discrete breathers on the specific heat of a nonlinear chain // Journal of Nonlinear Science. 2021. Vol. 31. № 1. Article number 12. DOI: 10.1007/s00332-020-09663-4.Korznikova E., Shunaev V.V., Shepelev I.A., Glukhova O.E., Dmitriev S.V. Ab initio study of the propagation of a supersonic 2-crowdion in fcc Al. Computational Materials Science, 2022, vol. 204, article number 111125. DOI: 10.1016/j.commatsci.2021.111125.Korznikova E., Shunaev V.V., Shepelev I.A., Glukhova O.E., Dmitriev S.V. Ab initio study of the propagation of a supersonic 2-crowdion in fcc Al // Computational Materials Science. 2022. Vol. 204. Article number 111125. DOI: 10.1016/j.commatsci.2021.111125.Terentyev D., Malerba L., Bacon D.J., Osetsky Yu.N. The effect of temperature and strain rate on the interaction between an edge dislocation and an interstitial dislocation loop in α-iron. Journal of Physics: Condensed Matter, 2007, vol. 19, no. 45, article number 456211. DOI: 10.1088/0953-8984/19/45/456211.Terentyev D., Malerba L., Bacon D.J., Osetsky Yu.N. The effect of temperature and strain rate on the interaction between an edge dislocation and an interstitial dislocation loop in α-iron // Journal of Physics: Condensed Matter. 2007. Vol. 19. № 45. Article number 456211. DOI: 10.1088/0953-8984/19/45/456211.