بررسی خواص نقیصه‌های نقطه‌ای در ساختار زیرکونیوم خالص و آلیاژ zr- 1%nb با استفاده از نظریه تابعی چگالی و شبیه‌سازی اتمی

نقیصه‌های بلوری نقش بسیار موثری در استحکام و خواص مکانیکی مواد دارند. آلیاژ zr 1%nb به دلیل سطح مقطع جذب پایین برای نوترون‌های حرارتی، مقاومت در برابر خوردگی در آب، و همچنین خواص مکانیکی مناسب، کاربرد وسیعی در راکتورهای هسته‌ای دارد. این آلیاژ در دماهای پایین و به ازای غلظت‌های کم نیوبیوم، ساختار hcp دارد. در این پژوهش ما با استفاده از محاسبات ابتدا به ساکن نظریه تابعی چگالی و همچنین استفاده از پتانسیل بین اتمی در دینامیک مولکولی، به بررسی خواص نقیصه‌های نقطه‌ای مانند تهی-جای و خود-بین-نشین در ساختار زیرکونیوم خالص پرداخته‌ایم. انرژی و حجم تشکیل تهی-جای و خود-بین-نشین محاسبه شده‌اند و نتایج توافق خوبی با تجربه دارد. کمیت‌های فوق در مورد آلیاژ zr-1%nb نیز به دست آمده‌اند و نتایج تفاوت چندانی با مورد zr خالص نشان نمی‌دهند. همچنین برهم‌کنش بین دو تهی-جای بررسی شده و با محاسبه انرژی پیوندی خوشه‌های تهی-جای دوتایی برای پیکربندی‌های متفاوت نشان داده شده که فقط خوشه‌هایی پایدارند که در آنها تهی-جای‌ها در همسایگی اول قرار داشته باشند. در نهایت انرژی جابه‌جایی یک تهی-جای در صفحه قاعده نیز محاسبه شد که توافق خوبی با مقدار تجربی دارد.

The study of the properties of point defects in pureZr and Zr1%Nb alloy using densityfunctional theory and atomic simulation

Crystal defects play an important role in the material strength and its mechanical properties. The Zr1%Nb alloy, because of its low crosssection for thermalneutron capture, corrosion resistance in water and suitable mechanical properties, is widely used in nuclear reactors. This alloy has an HCP structure at low temperatures and for low concentrations of Nb impurity. In this work, using the firstprinciples densityfunctional theory calculations, as well as molecular dynamics calculations with interatomic potentials, we have investigated the properties of vacancy and selfinterstitial point defects in pure zirconium. The formation energy and formation volume are calculated; the results show a good agreement with the  experimental values. These quantities are calculated for the Zr1%Nb alloy as well; the  results do not show any significant differences with those of the pure Zr. In addition, the interaction between two vacancies is investigated; by the calculation of the binding energies for divacancy clusters in different configurations, it is shown that only those clusters are stable for which the vacancies are in the first neighbor positions. Finally, the displacement energy of a vacancy in the basal plane is calculated, showing a  good agreement with experiment.