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。
报告介绍了面向核材料力学行为的介观尺度模拟工作，重点围绕金属材料在辐照、温度和应力耦合作用下出现的硬化、蠕变和形状变化。研究从微观辐照缺陷与位错、晶界等相互作用出发，发展位错动力学、晶体塑性有限元和自洽模型，并用钨、锆合金和钼合金等体系进行验证与应用。报告最后指出模型和软件已获得一定验证，后续将拓展到气泡硬化、辐照脆化以及结合实验数据和机器学习的专题数据库建设。
关键点
1. 报告主题与团队方向（00:00）
报告题目为金属材料辐照硬化及蠕变的介观模拟，报告人来自上海交通大学材料学院。团队主要开展核材料力学行为的计算研究，也包含少量实验工作。
2. 辐照导致力学性能退化的基本背景（00:41）
在辐照、温度和应力等复杂服役条件下，结构材料会出现硬度升高、韧脆转变温度变化、肿胀以及锆合金中的典型辐照蠕变等现象。其根本原因是辐照产生的大量缺陷随时间累积，并与位错、晶界和析出相等原有微结构发生相互作用。
3. 介观模型的目标与主要方法（01:50）
研究目标是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联系，从物理机制出发开发可用于力学性能预测的模型。报告采用的主要方法包括位错动力学和晶体塑性有限元，分别用于处理大量位错交互作用和多晶变形行为。
4. 辐照硬化的底层机制与参数来源（02:52）
辐照硬化源于空洞、位错环等辐照缺陷对位错运动的阻碍。研究利用分子动力学等原子尺度模拟获得缺陷尺寸、取向等因素对位错临界运动应力的影响，并将这些结果作为位错动力学模型的建模依据和参数标定参考。
5. 位错动力学模型描述缺陷与位错交互作用（03:52）
在单晶尺度，模型考虑高密度辐照缺陷与高密度位错的集体相互作用，以获得单晶变形规律和本构影响。位错动力学将位错离散为线段和节点，通过追踪节点运动描述位错网络演化，并在辐照缺陷引入后处理弹性长程作用和接触短程作用两类核心机制。
6. 空洞和位错环模型的验证与硬化规律提炼（06:17）
空洞模型通过不同尺寸缺陷对位错运动阻力的增加规律进行验证；位错环模型则结合分子动力学临界应力，并用热激活概率模型描述反应生成位错节点的运动。基于这些模型，可计算同类缺陷、多种缺陷、不同尺寸和空间分布下缺陷密度与尺寸对位错平均阻力的定量关系。
7. 晶体塑性有限元连接单晶规律与多晶行为（08:21）
位错动力学得到的辐照缺陷硬化规律被引入晶体塑性有限元本构中，用于描述多晶体变形。模型将塑性变形分解到各滑移系，位错滑移率受应力状态、晶粒取向以及位错运动阻力控制，其中阻力包括晶格摩擦、位错相互作用硬化和辐照缺陷硬化。
8. 辐照硬化模型的材料验证（10:13）
研究通过硬度压痕、多晶拉伸或压缩等方式验证模型，并以面向等离子体的钨为例，用实验辐照缺陷信息输入模型预测硬度。模拟与实验平均相对误差较小但整体偏低，可能与小尺寸缺陷未统计或氦等其他缺陷未纳入有关；类似方法也用于锆合金辐照硬化验证。
9. 锆合金辐照变形由蠕变和生长共同构成（12:23）
锆合金辐照变形包括有应力条件下的辐照蠕变，以及无应力但有温度和辐照缺陷作用下的辐照生长。研究先建立单晶辐照变形模型，再处理多晶之间的变形协调，以预测不同温度、应力、辐照条件和初始微观组织下的变形行为。
10. 辐照蠕变与辐照生长的机制建模（13:27）
辐照蠕变模型包含位错蠕变、辐照增强扩散蠕变以及高温下可能出现的晶界滑移贡献。辐照生长主要来自辐照缺陷与位错、晶界的作用，点缺陷各向异性运动会导致锆合金沿特定方向发生收缩，模型中还使用反应扩散理论描述点缺陷演化。
11. 自洽方法求解多晶变形协调（15:00）
在获得单晶本构后，研究使用黏塑性自洽方法求解多个晶粒之间弹性变形和塑性变形的分配。该方法将单个晶粒视为等效夹杂体，通过迭代使所有晶粒平均变形与外部等效介质相一致，从而得到多晶协调变形的平衡解。
12. 辐照蠕变模型在包壳管和钼合金中的应用（15:48）
模型被用于不同加工态锆合金包壳管的辐照变形，能够描述不同应力、初始组织和剂量率下的变形行为，并分析环向和轴向应变受晶粒尺寸、初始位错密度等因素影响。对于不涉及辐照生长的钼合金，模型用于比较位错蠕变、扩散蠕变和晶界滑移在不同温度、应力和变形阶段中的主导作用。
13. 总结与后续方向（18:31）
报告总结称，团队已开发辐照硬化介观模型、辐照变形模型及相应软件，并获得较好验证。后续工作包括进一步研究气泡硬化、从硬化扩展到辐照脆化，并将物理模型、实验数据和机器学习结合，建设材料力学行为专题数据库以服务服役安全评价。
时间线
00:00 - 主持人介绍报告人、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，说明辐照环境下结构材料的宏观性能退化及其微观缺陷根源，并提出建立微观机制到力学性能之间介观联系的目标。
02:52 - 报告开始讲辐照硬化建模，从原子尺度缺陷—位错相互作用出发，引出分子动力学结果对位错动力学模型参数标定和验证的作用。
03:52 - 内容转向单晶尺度位错动力学模型，讨论高密度辐照缺陷与位错网络的相互作用，以及空洞、位错环等缺陷的弹性作用和接触作用处理。
07:20 - 报告进一步展示如何从位错动力学中提炼空洞、位错环及其协同作用的硬化规律，并将其作为后续晶体塑性本构输入。
08:21 - 内容扩展到晶体塑性有限元框架，说明单晶滑移、本构阻力、缺陷演化与多晶有限元模型之间的耦合关系。
10:13 - 报告给出辐照硬化模型应用与验证，包括钨材料硬度压痕模拟、实验对比及偏差原因分析，并简要介绍锆合金硬化验证。
12:23 - 报告进入辐照蠕变部分，以锆合金为例说明辐照总变形由辐照蠕变和辐照生长组成，并介绍单晶机制与多晶协调求解思路。
13:27 - 这一阶段详细说明辐照蠕变、扩散蠕变、晶界滑移、点缺陷演化以及辐照生长等机制如何进入模型。
15:00 - 报告介绍黏塑性自洽方法，用于在多晶材料中求解不同晶粒之间的应力、应变和变形协调。
15:48 - 内容转向应用案例，展示锆合金包壳管和钼合金在不同应力、温度、剂量率及微观组织条件下的辐照变形模拟。
18:31 - 报告最后总结已完成的模型和软件工作，提出气泡硬化、辐照脆化以及结合实验数据和机器学习建设数据库等后续方向。
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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中的力学性能退化问题，介绍了辐照缺陷演化、介观模拟方法、辐照硬化与辐照蠕变模型构建及其工程应用进展。
报告指出，核材料在中子辐照、温度和应力耦合作用下，力学性能会发生显著变化，典型表现包括辐照硬化、韧脆转变温度升高、辐照肿胀，以及锆合金中的辐照蠕变和形状改变。辐照过程中会产生大量点缺陷、位错环、空洞和析出相等微观缺陷，这些缺陷不断累积，并与材料中原有位错、晶界等微结构相互作用，最终影响宏观力学行为。因此，建立微观缺陷、位错和晶界等结构与材料宏观性能之间的跨尺度联系，是介观模拟的重要目标。
在模拟方法方面，刘桂森介绍了位错动力学、晶体塑性有限元和黏塑性自洽等主要技术路线。位错动力学方法可将位错离散为由节点连接的线段，通过追踪节点运动描述位错网络演化以及位错与辐照缺陷之间的相互作用；晶体塑性有限元方法则将单晶本构关系嵌入有限元积分点中，用于模拟多晶材料在压痕、拉伸和压缩等条件下的力学响应；黏塑性自洽方法将单个晶粒视为嵌入等效介质中的夹杂体，通过迭代求解晶粒间弹性和塑性变形分配，适用于辐照蠕变和辐照生长中的多晶变形协调问题。
针对辐照硬化，报告从位错运动受阻这一核心机制出发，阐述了空洞、位错环等辐照缺陷如何提高位错滑移所需的临界应力。相关模型通过分子动力学模拟获取位错与缺陷相互作用的临界应力、缺陷尺寸效应和取向效应等参数，并进一步在介观尺度上建立空洞与位错、位错环与位错之间的相互作用模型。对于空洞缺陷，模型同时考虑位错接触前的弹性相互作用以及接触后的表面滑移、接触力和拖曳力；对于位错环缺陷，则重点描述运动位错与辐照位错环反应后形成节点、产生钉扎以及通过热激活过程脱钉和运动的行为。
在此基础上，研究进一步提炼了空洞、位错环等单一缺陷对硬化的贡献，并分析多种辐照缺陷同时存在时的协同硬化规律。通过将这些硬化贡献引入晶体塑性本构模型，可以把塑性变形分解到不同滑移系上，并综合考虑晶格摩擦阻力、位错间相互作用硬化和辐照缺陷硬化等因素。同时，模型还纳入位错密度演化、小尺寸位错环被运动位错吸收等变形过程中的缺陷演化机制，使辐照硬化预测更接近实际服役条件。
报告还展示了模型在典型材料中的验证应用。以面向等离子体钨材料为例，研究将实验测得的辐照缺陷信息输入模型，对硬度压痕行为进行模拟并与实验结果对比。模拟结果整体低于实验值，可能与小尺寸缺陷未被充分统计、氦泡等其他缺陷尚未纳入模型有关。针对锆合金中主要由位错环引起的辐照硬化，研究建立了位错环动力学模型，并将计算结果与辐照后屈服强度实验数据进行对比，验证了模型对辐照硬化趋势的描述能力。
在辐照蠕变与辐照生长方面，刘桂森指出，锆合金包壳管的辐照变形通常由辐照蠕变和辐照生长共同组成。辐照蠕变是在应力作用下由辐照促进的随时间累积的形状变化，而辐照生长则是在无外加应力条件下，由温度和辐照缺陷共同作用导致的各向异性变形。单晶尺度上，辐照蠕变可由位错滑移、位错攀移、扩散蠕变以及较高温度下的晶界滑移等机制共同贡献；辐照生长则与锆合金中点缺陷沿基面和柱面方向的各向异性迁移、位错吸收点缺陷并攀移、晶界吸收点缺陷等机制密切相关。
为描述点缺陷演化，相关研究采用反应扩散理论刻画辐照点缺陷的产生、迁移、复合和吸收过程，并结合低尺度模拟结果获取不同辐照条件下的缺陷演化信息，再将其用于辐照变形模拟。在多晶材料求解中，黏塑性自洽框架通过自洽迭代确定不同晶粒之间的弹性和塑性变形分配，当所有晶粒平均响应与外部等效介质一致时，即认为多晶变形达到协调平衡。
面向工程应用，报告介绍了锆合金包壳管辐照变形模拟工作。研究针对再结晶态和去应力退火态等不同初始组织状态，模拟包壳管在辐照环境下的变形行为，并在相同初始加工态下使用同一组参数描述不同应力条件下的辐照变形。模型还引入辐照缺陷硬化对蠕变行为的影响，建立耦合剂量率效应的辐照蠕变模型，可用于分析包壳管环向和轴向应变，以及晶粒尺寸、初始位错密度等微观组织因素对服役变形的影响。
除锆合金外，相关模型也可用于钼合金辐照蠕变研究。与锆合金不同，钼合金辐照变形主要不涉及辐照生长机制，其变形主要由位错蠕变、扩散蠕变和晶界滑移等过程控制。通过模型计算，可以分析不同温度、应力和辐照条件下滑移、攀移、扩散和晶界滑移等机制的相对贡献，为材料服役行为预测提供依据。
报告还介绍了介观模拟软件和模型验证进展。目前，研究团队已开发用于描述空洞、位错环等辐照缺陷硬化行为的介观模型和软件工具，并建立了描述辐照蠕变与辐照生长行为的模型框架。通过与硬度、屈服强度、包壳管变形等实验数据对比，模型已获得较好的验证效果，但在缺陷类型、损伤机制和复杂服役条件耦合方面仍需进一步完善。
面向后续研究，刘桂森提出，辐照硬化模型需要进一步向辐照脆化预测拓展。当前模型主要描述晶内平均辐照缺陷对位错运动的阻碍作用，而辐照脆化还需要考虑晶界特殊性，例如氦泡在晶界析出、析出相在晶界偏聚等机制。未来研究将推动晶内硬化与晶界脆化机制耦合，并将氦泡等气泡缺陷纳入位错动力学和晶体塑性框架。同时，研究还将结合实验数据、物理模型和机器学习方法，构建面向材料力学行为的专题数据库，利用已有实验数据反向验证和修正模型参数，并借助物理模型评估实验数据离散性的合理性，为核材料服役安全预测和评价提供支撑。
