2025年11月14日，上海交通大学副教授刘桂森在深圳核博会材料老化与服役安全论坛发表《金属材料辐照硬化及蠕变的介观模拟》主旨报告。
报告围绕金属核材料在辐照、温度和应力等复杂服役条件下的力学性能退化，介绍了从微观缺陷机制出发建立介观尺度模型的思路。研究通过位错动力学、晶体塑性有限元和黏塑性自洽方法，模拟辐照硬化、辐照蠕变及辐照生长，并用钨、锆合金和钼合金等材料的实验结果进行了验证。报告还指出后续将拓展气泡硬化、辐照脆化以及结合实验数据和机器学习的力学行为数据库建设。
关键点
1. 报告主题与研究团队（00:00）
报告人来自上海交通大学材料学院，主题为金属材料辐照硬化及蠕变的介观模拟。团队主要开展核材料力学行为的计算研究，并有少量实验工作。
2. 辐照导致材料力学性能退化（00:41）
在辐照、温度和应力等复杂服役条件下，结构材料会出现辐照硬化、韧脆转变温度升高、肿胀以及锆合金中的典型辐照蠕变等现象。微观上，辐照产生的大量缺陷与位错、晶界和析出相等相互作用，是宏观力学性能退化的根本原因。
3. 介观模型的目标（01:50）
研究希望在介观尺度上建立微观结构、微观机制与宏观力学性能之间的关系。报告强调从物理机制出发开发模型，以辅助预测材料力学性能，并为服役安全评估提供基础，但当前模型距离直接用于完整服役安全评估仍有距离。
4. 主要模拟方法（02:24）
报告采用位错动力学和晶体塑性有限元两类方法。位错动力学用于处理大量位错及辐照缺陷之间的相互作用，晶体塑性有限元用于描述多晶材料的变形行为；报告以辐照硬化和辐照蠕变为例说明模型开发与验证。
5. 从原子尺度机制出发描述辐照硬化（02:52）
辐照硬化来源于空洞、位错环等辐照缺陷对位错运动的阻碍。分子动力学模拟可给出有无缺陷时的应力响应，以及缺陷尺寸、位错环柏氏矢量取向等因素对临界应力的影响，这些结果被用作位错动力学建模和参数标定的依据。
6. 辐照缺陷与位错相互作用模型（03:51）
在单晶尺度，模型关注高密度辐照缺陷与高密度位错的相互作用及其对单晶本构的影响。位错动力学中将位错离散为线段并追踪节点运动；引入辐照缺陷后，需要描述缺陷对位错节点受力的改变，包括长程弹性作用和短程接触作用。
7. 空洞和位错环模型的标定与验证（06:17）
空洞模型通过分子动力学结果标定位错线段在空洞表面运动时的附加拖曳力参数，并用不同尺寸缺陷导致的位错运动阻力变化进行验证。位错环模型同样结合分子动力学临界应力，描述位错反应形成的节点及其热激活运动，用于模拟高密度缺陷对位错运动的影响。
8. 提炼单晶硬化规律（07:20）
通过已建立的位错动力学模型，可以研究单一缺陷、多种缺陷混合、不同尺寸和空间分布条件下，缺陷密度与尺寸对位错运动平均阻力的定量关系。模型可分别提炼空洞、位错环的硬化规律，并研究空洞与位错环共同存在时的协同硬化效应。
9. 将硬化规律输入晶体塑性有限元（08:21）
单晶硬化规律被引入晶体塑性有限元模型，用于模拟多晶变形。晶体塑性本构将塑性变形分解到各滑移系，位错滑移率受应力状态、晶粒取向和位错运动阻力影响，其中辐照缺陷导致的硬化来自前述位错动力学模拟结果。
10. 辐照硬化模型的实验验证（10:13）
模型被用于模拟面向等离子体钨材料的硬度压痕，并与多组实验辐照缺陷信息和硬度测量值对照，平均相对误差在百分之二十以内，但模拟结果整体偏低。可能原因包括实验统计中小尺寸缺陷缺失，以及模型未纳入氦等其他缺陷贡献；类似方法也用于锆合金辐照硬化并与实验屈服强度变化比较。
11. 锆合金辐照蠕变与辐照生长模型（12:23）
锆合金辐照变形包括有应力条件下的辐照蠕变，以及无应力时由温度和辐照缺陷作用引起的辐照生长。模型先描述单晶辐照变形，再考虑多晶之间的变形协调，以研究不同温度、应力、辐照条件和初始微观组织下的变形行为。
12. 辐照变形机制与点缺陷演化（13:27）
辐照蠕变机制包括位错滑移、位错攀移、辐照增强扩散蠕变以及高温下可能的晶界滑移。辐照生长主要与点缺陷、位错和晶界相互作用有关，锆合金中点缺陷运动各向异性会导致特定方向的变形；点缺陷演化采用反应扩散理论，并可与低尺度计算获得的缺陷信息耦合。
13. 黏塑性自洽方法处理多晶协调（15:00）
在单晶辐照蠕变和辐照生长本构基础上，报告采用黏塑性自洽方法描述多个晶粒之间弹性和塑性变形的分配。该方法将一个晶粒视为嵌入等效介质中的夹杂，通过迭代使所有晶粒平均响应与外部等效介质达到自洽平衡。
14. 包壳管与钼合金的辐照蠕变应用（15:48）
模型被用于锆合金包壳管辐照变形，能够描述不同加工态、不同应力和不同初始微观组织条件下的行为，并引入辐照缺陷硬化以描述不同注量率下的变形。对于不涉及辐照生长的钼合金，模型考虑位错蠕变、扩散蠕变和晶界滑移，用于分析不同温度、应力、注量率和微观组织下主导机制的变化。
15. 总结与后续方向（18:27）
报告总结了辐照硬化介观模型和辐照变形模型的开发，并提到相应软件已得到较好验证。后续方向包括气泡硬化、由硬化进一步发展到辐照脆化，以及将物理模型、实验数据和机器学习结合，建设材料力学行为专题数据库并服务于服役安全评价。
时间线
00:00 - 会议首先介绍报告人、所在单位和报告题目，随后报告人说明团队主要从事核材料力学行为的计算研究。
00:41 - 报告进入研究背景，说明辐照条件下材料力学性能退化的宏观表现和微观缺陷根源，并提出建立介观尺度关联模型的必要性。
02:52 - 报告开始讲述辐照硬化模型，从空洞、位错环等缺陷阻碍位错运动的原子尺度机制出发，说明分子动力学结果如何支撑后续建模。
03:51 - 随后重点介绍位错动力学模型的构建，包括位错离散化、节点运动追踪，以及辐照缺陷与位错之间弹性作用和接触作用的处理。
07:20 - 报告进一步说明如何通过位错动力学提炼空洞、位错环及其协同作用的单晶硬化规律，并将其作为多晶晶体塑性模型的输入。
10:13 - 辐照硬化模型被用于钨和锆合金等材料的实验对比验证，报告讨论了预测误差、整体偏低趋势及可能原因。
12:23 - 报告转向辐照蠕变与辐照生长，围绕锆合金说明总辐照变形的组成、单晶机制以及多晶变形协调问题。
15:00 - 报告介绍黏塑性自洽方法，用于求解多晶材料中不同晶粒之间的弹性和塑性变形分配。
15:48 - 随后给出模型在锆合金包壳管和钼合金中的应用，展示其可分析加工态、微观组织、温度、应力和注量率等因素对辐照变形的影响。
18:27 - 最后报告总结已完成的模型和软件工作，并展望气泡硬化、辐照脆化以及结合实验数据和机器学习的材料力学行为数据库建设。
AI 延伸阅读(下文由AI生成，其内容可能存在偏差，请注意甄别)：
刘桂森在深圳核博会阐释金属材料辐照硬化与蠕变介观模拟研究进展
2025年11月14日，在深圳核博会材料老化与服役安全论坛上，上海交通大学材料学院副教授刘桂森作题为《金属材料辐照硬化及蠕变的介观模拟》的主旨报告，围绕核材料在复杂服役环境下的力学性能退化机制、多尺度建模方法以及模型在钨、锆合金、钼合金等材料中的应用进行了系统介绍。
刘桂森介绍，其团队主要开展核材料力学行为的计算模拟研究，并结合少量实验工作对模型进行验证。核结构材料在中子辐照、温度和应力等多重因素作用下，往往会出现辐照硬化、韧脆转变温度升高、辐照肿胀、辐照蠕变和形状改变等性能退化现象。辐照过程中产生的大量点缺陷、位错环、空洞和析出相，会与材料中原有的位错、晶界等缺陷相互作用，进而影响宏观力学性能。报告指出，相关研究的核心目标是在介观尺度上建立微观结构、缺陷机制与宏观力学性能之间的定量联系。
在模拟方法方面，报告重点介绍了位错动力学、晶体塑性有限元和连续塑性自洽等多尺度建模手段。位错动力学方法将位错离散为由节点连接的线段，通过追踪节点运动模拟位错网络演化，适用于研究高密度辐照缺陷与高密度位错之间的集体相互作用，并提取单晶尺度下缺陷对位错运动阻力和硬化行为的影响规律。晶体塑性有限元方法则可描述多晶材料中不同晶粒取向和滑移系对整体变形的贡献，将单晶本构关系嵌入多晶有限元模型，用于模拟拉伸、压缩和压痕等力学响应。连续塑性自洽方法用于处理多晶材料中不同晶粒之间的应力、应变协调问题，将单个晶粒视为嵌入等效介质中的夹杂体，通过迭代求解获得整体平均响应与晶粒响应之间的自洽平衡。
针对辐照硬化问题，刘桂森表示，空洞、位错环等辐照缺陷会显著阻碍位错运动，缺陷尺寸、密度、空间分布以及位错环柏氏矢量取向都会影响位错运动临界应力。团队在模型构建中结合分子动力学模拟结果，对缺陷与位错相互作用的关键参数进行标定。对于空洞与位错相互作用，模型同时考虑长程弹性作用和短程接触作用，描述位错线段与空洞接触后可能在空洞表面滑移并受到额外拖曳力的行为。对于位错环与位错相互作用，模型进一步考虑二者反应后形成位错节点并钉扎原有位错线的过程，并采用热激活概率模型描述反应节点的运动。
在高密度缺陷条件下，团队通过位错动力学模拟大量空洞、位错环与位错的相互作用，分别提取空洞硬化规律、位错环硬化规律以及二者共同存在时的协同硬化规律，建立缺陷密度、缺陷尺寸与位错平均阻力增量之间的定量关系。这些规律被进一步引入单晶晶体塑性本构模型中，将塑性变形分解到各滑移系，并通过位错运动速度描述滑移率。报告指出，位错运动阻力不仅来自晶格摩擦力和位错间相互作用硬化，也包括辐照缺陷硬化；同时，辐照缺陷还会影响变形过程中的位错密度演化，例如小尺寸位错环可能被运动位错吸收，导致位错环密度下降。
在模型验证和应用方面，报告以面向等离子体材料钨为例，介绍了基于实验测得辐照缺陷信息的多晶压痕硬度模拟。通过将辐照缺陷信息输入多晶模型并模拟硬度压痕响应，团队将预测结果与实验硬度值进行比较，结果显示平均相对误差通常在20%以内。对于部分模拟值偏低的情况，报告分析认为，实验统计中可能遗漏小尺寸辐照缺陷，导致输入缺陷信息不足；同时，当前模型主要考虑空洞和位错环，尚未完全纳入氦泡等其他缺陷贡献，这也可能造成硬化预测整体偏低。针对锆合金辐照硬化，团队则重点建立位错环与位错相互作用的位错动力学模型，并将提取的硬化规律用于预测辐照后屈服强度变化，与实验结果进行对比验证。
围绕辐照蠕变与辐照生长，刘桂森介绍，锆合金的总辐照变形通常包括辐照蠕变和辐照生长两部分。辐照蠕变是在应力作用下发生的形状变化，而辐照生长是在无外加应力时由温度、辐照缺陷和晶体各向异性引起的形状变化。在单晶尺度上，位错滑移和位错攀移会贡献位错蠕变，辐照增强扩散可引起扩散蠕变，温度较高时晶界滑移也可能发挥作用。对于辐照生长，点缺陷与位错、晶界之间的相互作用是重要来源，锆合金中点缺陷沿不同晶向迁移具有显著各向异性，位错攀移和晶界吸收点缺陷共同影响总辐照生长变形。
报告还介绍了基于反应扩散理论的点缺陷演化模型。该模型可进一步耦合低尺度模拟结果，获得不同辐照条件下点缺陷浓度和迁移行为的演化规律，为预测辐照蠕变与辐照生长提供重要输入。在多晶尺度上，团队以单晶本构为基础，采用连续塑性自洽方法求解多晶弹性变形与塑性变形分配，进而模拟不同温度、应力、剂量率和初始微观组织条件下的辐照变形行为，并分析晶粒取向、位错密度和晶粒尺寸等因素对整体变形的影响。
在工程应用层面，团队将辐照蠕变模型用于锆合金包壳管辐照变形分析，模拟再结晶态和去应力退火态等不同加工态包壳管的服役响应。对于相同初始加工态材料，模型可使用同一组参数描述不同应力下的辐照变形；对于不同初始组织材料，则可通过初始位错密度和材料参数差异反映其辐照响应。模型还能够分别预测包壳管环向应变和轴向应变，研究晶粒尺寸、初始位错密度等微观组织因素对不同方向应变的影响，从而为包壳管服役过程中的形状稳定性评估提供支撑。
针对剂量率效应，刘桂森表示，辐照蠕变行为与辐照缺陷导致的硬化密切相关，团队在模型中引入辐照缺陷硬化对蠕变的影响，建立了耦合剂量率效应的辐照蠕变模型，可在统一框架下描述不同剂量率条件下的辐照变形。报告还提到，针对空间堆用钼合金，模型主要考虑辐照蠕变而不涉及辐照生长，重点分析位错蠕变、扩散蠕变和晶界滑移等机制在不同温度、应力和服役状态下的主导作用。
刘桂森表示，团队已开发辐照硬化介观模型和辐照变形模型，并建立了相应模拟软件工具，现阶段模型和软件已获得较好的实验验证。后续研究将进一步发展气泡硬化模型，特别是氦泡对位错运动和材料硬化的影响，并从辐照硬化预测拓展至辐照脆化预测。在晶内硬化机制基础上，团队还将进一步耦合晶界脆化机制，考虑氦泡析出和晶界析出相等因素对材料力学性能退化的影响。
报告还展望了物理模型、实验数据与机器学习方法结合的发展方向。刘桂森介绍，团队正尝试将已有实验数据与介观物理模型结合，建立材料力学行为专题数据库，目前已初步建立锆合金蠕变相关数据库。由于该体系实验数据相对丰富，物理模型可用于反向验证参数、筛选实验数据离散性，并辅助构建更可靠的数据基础。未来，通过结合实验数据、介观物理模型和机器学习方法，有望进一步提升核材料力学行为预测能力，服务于材料服役安全评价与寿命预测。
