Phase field modelling voids nucleation and growth in binary systems

Abstract

We present a comprehensive study of voids formation, nucleation and growth in a prototype model of binary alloys subjected to irradiation by using a combined approach based on phase field and rate theories. It is shown that voids formation is caused by interaction of irradiation-produced vacancies through elastic deformation of a lattice and vacancy coupling with composition field of the alloy. Phase diagrams illustrating the formation of states related to solid solution, phase decomposition, and patterning are obtained. Formation of voids from supersaturated ensemble of vacancies is accompanied by composition rearrangement of alloy components. It was found that elastic inhomogeneity leading to the formation of anisotropic precipitates in an initially prepared binary alloy results in the formation of a void super-lattice under irradiation. It was shown that voids nucleate and grow with dose according to diffusion controlled precipitation processes, where universal dynamics of voids growth is revealed. Estimations of main quantitative and statistical characteristics of voids by using material parameters relevant to most of alloys and steels give good agreement with experimental observations.

Проводиться всебiчне дослiдження процесiв формування та росту пор у типовiй моделi бiнарного стопу, пiдданому радiацiйному впливовi з використанням комбiнованого пiдходу, що грунтується на теорiї фазового поля та щвидкiснiй теорiї. Показано, що формування пор викликане взаємодiєю радiацiйно продукованих вакансiй з пружнiми деформацiями гратницi та полем композицiї стопу. Отримано фазовi дiаграми, що iлюструють формування твердого розчину, фазового розшарування та структуроутворення. Встановлено, що формування пор iз пересиченого розчину вакансiй супроводжується перерозподiлом композицiйного поля. Показано, що пружна неоднорiднiсть, яка вiдповiдає за утворення анiзотропних преципiтатiв у первинно приготовленому стопi приводить до формування надґратки пор при опромiненнi. Виявлено, що нуклеацiя та рiст пор з ростом дози опромiнення вiдповiдає дифузiйно керованим процесам випадiння фаз. Показано унiверсальнiсть динамiки росту пор. Проведена оцiнка основних параметрiв та статистичних характеристик пор для бiльшостi стопiв та сталей дає добре узгодження з експериментально отриманими результатами.