1.28.2.1.3.1 Teilprojekt RPV-Stahl
Das Teilprojekt zu RPV-Stählen arbeitete an der Verbesserung der in PERFECT entwickelten Werkzeuge, also der Module RPV-2 und toughness.45
In Bezug auf das Zähigkeitsmodul bestand das Ziel darin, die PERFEKTEN Methoden zur Beschreibung des Spaltbruchzähigkeitsverhaltens in RPV-Stählen zu entwickeln und ein geeignetes sprödes interkristallines Bruchkriterium zu entwickeln46, indem ein physikalisches Verständnis der Kalibrierparameter gesucht und geeignete Kalibrierreferenzfälle identifiziert wurden. Für diese sollen vorzugsweise sowohl mechanische als auch mikrostrukturelle Informationen vorliegen bzw. im Laufe des Projekts zur Verfügung stehen. In diesem Zusammenhang wurde eine Verbindung zum FP7 / LONGLIFE-Projekt hergestellt, in dem eine gründliche mechanische und mikrostrukturelle Charakterisierung mehrerer RPV-Stähle durchgeführt wurde.47 Es wurde ein Advanced Fracture Toughness Module (AFTM) entwickelt, das vier Bruchmodelle mit teilweise unterschiedlichen Scopes vollständig implementierte: (1) ein mikrostrukturinformiertes Sprödbruchmodell (MIBF) basierend auf CP, mit möglichen Erweiterungen um die Bruchvorhersage auf der repräsentativen Volumen- und Probenskala, basierend auf der Arbeit in PERFECT32,48 und unter Verwendung eines verbesserten CP-Modells (siehe unten); (2) ein fortgeschrittenes lokales Modell vom Beremin-typ49, das auf die Bruchvorhersage auf der Probenskala anwendbar war; (3) das Wallin-Saario-Törrönen (WST) -Modell 33,50, das eine Verbindung zu Modellen des Bruchverhaltens auf der repräsentativen Volumenskala und Probenwaagen; (4) ein modifiziertes technisches Modell des lokalen Ansatzes Bordet51,52, das sich hauptsächlich mit der Übertragbarkeit von Bruchzähigkeitsdaten von bestrahlten Proben auf RPV-Stahlkomponenten im Betrieb befasst. Alle diese Modelle wurden an geeigneten Referenzgehäusen kalibriert.
Die Verbesserung der Zähigkeitsmodelle hing wesentlich von Fortschritten bei der Berechnung von Spannungen und Dehnungen unter Last, d. H. Fließverhalten (makroskopische Zugkurve), in bestrahlten Stählen ab, indem nacheinander Kristallplastizität und Homogenisierung kombiniert wurden. Ein wichtiger Schritt in Richtung PERFEKTION war die Entwicklung physikalisch fundierter konstitutiver Gesetze für CP-Modelle zur Beschreibung von Nieder- und Hochtemperaturdeformationsregimen in bcc-Kristallen, die vollständig auf DD-Input basierten und explizit die Wirkung von Strahlungsdefekten beinhalteten.53,54 Ein korrelierter wichtiger Schritt, der im Projekt unternommen wurde, war die Ausarbeitung einer systematischen Methode, um Informationen aus MD-Simulationen der Dislokation / Defekt-Interaktion zu extrahieren, die direkt für DD-Simulationen verwendet werden können.55-57 Dadurch konnte in späteren Projekten eine korrekte Abschätzung der Härtung, die vollständig auf einer mehrstufigen Berechnung beruhte, erreicht werden. In der Zwischenzeit befasste sich eine Reihe von MD-Simulationen mit der Untersuchung der Wechselwirkung von Versetzungen mit mehreren Klassen komplexer Defekte, beispielsweise leerstellenhaltigen Cu- und Cu-Ni-Clustern (deren Existenz durch PAS-Untersuchungen bestrahlter Modelllegierungen nahe gelegt wurde). Es wurde festgestellt, dass das Vorhandensein von Leerstellen die Festigkeit dieser Cluster als Hindernisse für Kantenversetzungen geringfügig verringert,58 Sie erhöhen jedoch signifikant die Spannung, die für Schraubenversetzungen erforderlich ist, um gelöste Cluster zu passieren, aufgrund der spiralförmigen Windungsbildung bei Absorption der Leerstellen durch die Versetzungslinie.59 Ebenso wurde die Wechselwirkung von Versetzungen mit prismatischen Versetzungsschleifen, die durch Bestrahlung erzeugt und entweder von C-Atomen 60 oder Cu-, Mn- und Ni-Atomen 61 dekoriert wurden, von MD untersucht. Die Studie ergab, dass die Schleifendekoration die Stärke dieser Defekte als Hindernisse für die Dislokationsbewegung signifikant erhöht, indem sie ihre Absorption in die Dislokationslinie behindert.
MD-Simulationen des gerade beschriebenen Typs wurden dadurch möglich, dass der stetig zunehmende Einsatz von DFT im Rahmen des Projekts62,63 Daten lieferte, um interatomare Potentiale für Legierungen wachsender Komplexität bis hin zum quartären Fe-Cu-Ni-Mn64–66-System unter Verwendung fortschrittlicher Methoden anzupassen.64,67 DFT war auch die Grundlage für die Entwicklung immer verfeinerter AKMC-Modelle, die es ermöglichten, die (kurzfristige) Entwicklung von so komplexen Legierungen wie Fe-Cu-Mn-Ni-Si-P unter Bestrahlung zu untersuchen.68,69
Die kombinierte Verwendung von DFT-Berechnungen, MD-Simulationen und AKMC-Studien zusammen mit der Analyse der experimentellen Untersuchung bestrahlter Modelllegierungen und RPV-Stähle von REVE und PERFECT, bestätigt durch neue Ionenbestrahlungs- und Nachbestrahlungsglühergebnisse, die im Rahmen des Projekts 70-72 erzielt wurden, ergab ein neues Bild über die Bildung gelöster Cluster und den Ursprung der Strahlenhärtung und Versprödung von RPV-Stählen. Es wurde nämlich immer klarer, dass die meisten gelösten Stoffe von Interesse in diesen Stählen durch migrierende Punktdefekte (Leerstellen und Selbstzwischenräume) gezogen werden, wobei das erste Beispiel Cu ist, das auch mobile Komplexe mit Leerstellen bildet,73 was zu einer Trennung der gelösten Stoffe auf Punktdefekt-Clustern führt. Dies wurde später durch eingehende Studien bestätigt.74,75 Dieser Prozess wird durch die Tatsache begünstigt, dass eine Affinität zwischen gelösten Stoffen und Punktdefektclustern (kleine Hohlräume und prismatische Versetzungsschleifen) besteht, die im Projekt anhand von interatomaren Potentialen hervorgehoben wurde,76-78 sowie Experimente,70-72 und wurde später durch maßgeschneiderte groß angelegte DFT-Simulationen als allgemeiner Trend bestätigt.79,80 Somit katalysieren Punktdefektcluster die Bildung von gelösten Clustern, die thermodynamisch stabilen Phasen entsprechen können (aber nicht müssen). Darüber hinaus verschwimmt die herkömmliche Unterscheidung zwischen Matrixschäden (Punkt-Defekt-Cluster) und Niederschlägen (gelöste Cluster). Das Projekt widmete sich auch der Nutzung des DFT-Wissens und der von PERFECT übernommenen interatomaren Potentiale, um die Wirkung von Kohlenstoff in Lösung zu verstehen, deren Rolle bei der Schaffung von Kohlenstoff-Vakanz-Komplexen, die eindimensional migrierende prismatische Schleifen einfangen, immer klarer wurde.81 Gleichzeitig wurde die Spezifität von Cu als Fällspezies nicht vernachlässigt und umfangreiche Studien wurden der Stabilität von Cu-Präzipitaten gewidmet,82 die durch Leerstellen erhöht wird,83 und die Simulation von Cu-Präzipitationen.84
Dieses Bild löste den Versuch aus, die auf atomarer Ebene identifizierten Mechanismen (Ziehen und Akkumulation gelöster Stoffe an Punktdefektclustern) schrittweise in Mikrostrukturentwicklungsmodelle einzuführen, die entweder auf OKMC oder RT basieren: Ein Prozess, der in späteren Projekten fortgesetzt wurde und noch andauert (siehe H2020 / SOTERIA-Projekt unten). Dementsprechend wurden OKMC-Modelle für Fe-C85, 86 und Fe-Cu-C87 zuerst und später für Fe-C-MnNi in einer grauen Legierungsnäherung,88,89, d. H. einschließlich der Wirkung von gelösten Stoffen durch Parameter und nicht explizit, entwickelt. Diese Modelle lieferten zum ersten Mal eine einigermaßen zufriedenstellende Erklärung für die Beobachtungen aus dem PIE des REVE-Experiments.22-26 Aufgrund der Rechenintensität der OKMC-Simulationen konnte die Art der Modelle, die im integrierten Modul zur Vorhersage der Streckgrenze von RPV-Stählen verkettet werden sollten, jedoch nur auf Ratengleichungen basieren, wie dies in den Modulen RPV-13 und RPV-228 der Fall war. Es war daher notwendig, auch entlang der RT-Linie voranzukommen, indem an dem Crescendo Cluster Dynamics-Code 70,87,90 gearbeitet wurde, der eine signifikant verbesserte numerische Stabilität in Bezug auf den zuvor in RPV-1 und RPV-2 verwendeten Code aufwies. Die Haupteinschränkung des CD-Ansatzes besteht darin, dass die Einführung von Mechanismen wie das Einfangen eindimensional wandernder Schleifen durch Kohlenstoff-Vakanzkomplexe oder das Ziehen gelöster Stoffe durch Punktdefekte nicht so einfach ist wie in OKMC, während die chemische Komplexität bleibt auf einen gelösten Stoff (in diesem Fall Cu) beschränkt, siehe auch z. B. Ref. 91.