材料与水化学 第2讲 金属材料的辐照损伤
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核电厂材料_2_第四章材料的辐照效应
原子位移
• 快中子的能量是MeV 级的，所以一个快中子会造 成上千个离位原子。在一定的温度下，缺陷可以 通过扩散发生复合（annealing）而消失，也可以 聚集而形成较大尺寸的缺陷团（位错环， 空洞）。 一个快中子会造成在10nm的长度上几百个位移原 子
• 中子与材料产生的核反应（n，α），（n，p）生 成的氦气会迁移到缺陷里，促使形成空洞
材料的辐照效应
• 2）辐照肿胀 辐照导致材料中产生大量的缺陷，缺陷聚集后产生空
位位错环和间隙位错环。空位位错环不易坍塌，因为核反 应产生的氦气易聚集在空位位错环内，而使其形成三维的 空洞造成体积膨胀；间隙位错环坍塌后在原晶体中多了一 个原子面，使体积增加。因此辐照导致材料的肿胀。
• 辐照肿胀与温度有关。如不锈钢大约在0.3-0.5Tm下辐 照肿胀量最大（当中子通量达1027n/m2时，肿胀可达 15%）。 低于此温度，空位、间隙原子可动性不大，被 冻结在材料中，高于此温度，缺陷复合的机会增加，肿胀 量就会减少。
核电厂材料
第四章 材料的辐照效应
• 一般概念 • 中子与材料的反应 • 原子位移 • 材料的辐照效应
概述
• 反应堆内存在各种类型的强烈核辐射 • 辐射会使得材料的物理和机械特性发生显
著的、破坏性的变化 • 辐射分类
– α、β、γ、中子、裂变产物 – β和γ对金属材料不会有永久破坏性作用 – α和裂变产物的作用主要在燃料内 – 中子的效应最显著
5）辐照诱导放射性 材料对中子的吸收会导致产生放射性核
素。在辐照下产生的长寿命同位素，会增 加废物处理的负担并给设备维修带来困难。 如Co59，通过（n，）反应产生Co60，而 Co60是长寿命同位素，放射性很强，很难 处理。所以核级材料中要严格控制钴的含 量。
反应堆材料辐照损伤概述
反应堆材料辐照损伤概述【摘要】随着能源问题日益严峻，发展核电成为人类缓解能源紧缺问题的重要手段之一。
当今核电站反应堆的技术已经比较成熟，但仍存在很多难以解决的技术问题。
反应堆材料的辐照损伤问题直接关系到反应堆的安全性和经济性。
本文对反应堆燃料芯块、包壳、压力容器的辐照损伤机理进行了概述，并提出一些减小辐照效应的措施。
【关键字】辐照损伤燃料芯块包壳压力容器材料一、引言随着能源问题日益严峻，发展核电成为人类缓解能源紧缺问题的重要手段之一。
当今核电站反应堆的技术已经比较成熟，但仍存在很多难以解决的技术问题。
其中，反应堆材料的辐照损伤问题尤为重要。
材料的辐照损伤问题与反应堆的安全性和经济性有密切的关系。
甚至直接关系到未来反应堆能否安全稳定运行。
关于反应堆的材料辐照损伤问题，主要包括三个方面：燃料芯块的辐照损伤，包壳的辐照损伤，压力容器的辐照损伤。
深入认识和了解这三方面的问题，并讨论有关缓解措施具有极大地研究价值。
二、水冷堆燃料芯块的辐照损伤1.燃料芯块的结构与辐照损伤水冷堆燃料芯块为实心圆柱体，由低富集度UO2粉末经混合、压制、烧结、磨削等工序制成。
为了减小轴向膨胀和PCI（芯块-包壳相互作用），芯块两端做成浅碟形并倒角。
芯块制造工艺必须稳定，以保证成品芯块的化学成分、密度、尺寸、热稳定性及显微组织等满足要求。
燃料芯块中的铀在辐照过程中会发生肿胀，造成尺寸的不稳定性和导热性能的下降。
随着燃耗的增加，铀的力学性能和物理性能将发生变化，铀将变得更硬、更脆，热导率减小，燃料包壳的腐蚀作用也在加剧。
对燃料芯块辐照损伤的认识和研究，一方面有助于了解在役燃料元件的运行状态和使用寿命，及时地发现并解决问题；另一方面根据辐照特性，可以采取适当的措施增强燃料元件的性能，进一步提高核电的经济效益。
2.辐照条件下燃料芯块微观结构的演化燃料芯块在辐照过程中，辐射与物质相互作用的方式可以分为原子过程和电子过程两大类。
原子过程主要产生位移效应，位移效应的主要产物是间隙-空位对。
快中子反应堆核心结构材料的辐照损伤
Abstract： Structural materials （ such as fuel cladding） for fast reactor application w ill service in high fluence neutron irradiation，high temperature and high helium environment． T his leads to the changes of microstructure and the degradation of mechanical properties． High － performance radiation － resistant materials are one of the prerequisites for the successful development of fast reactors． N eutron irradiation damage of metallic structural materials in fast reactors is review ed in this paper． Key words： fast neutron reactor； structural materials； irradiation damage； microstructure
在辐照生成的杂质原子中，辐照引起的合金 组成变化一般不大． 在快堆的高温环境下，H 足够 快的扩散速率达到与环境的平衡，而 He 基本上 不溶于合金而是以 He 泡析出，因此 He 成为对合 金性能影响最重要的杂质原子． He 的积累速率一 般情况下由 He 量（ appm） 与 dpa 之比来表征，比 值 He / dpa 对中子谱敏感．
204
材料与冶金学报
在辐照生成的杂质原子中，辐照引起的合金 组成变化一般不大． 在快堆的高温环境下，H 足够 快的扩散速率达到与环境的平衡，而 He 基本上 不溶于合金而是以 He 泡析出，因此 He 成为对合 金性能影响最重要的杂质原子． He 的积累速率一 般情况下由 He 量（ appm） 与 dpa 之比来表征，比 值 He / dpa 对中子谱敏感．
204
材料与冶金学报
反应堆材料辐照损伤概述
反应堆材料辐照损伤概述【摘要】随着能源问题日益严峻，发展核电成为人类缓解能源紧缺问题的重要手段之一。
当今核电站反应堆的技术已经比较成熟，但仍存在很多难以解决的技术问题。
反应堆材料的辐照损伤问题直接关系到反应堆的安全性和经济性。
本文对反应堆燃料芯块、包壳、压力容器的辐照损伤机理进行了概述，并提出一些减小辐照效应的措施。
【关键字】辐照损伤燃料芯块包壳压力容器材料一、引言随着能源问题日益严峻，发展核电成为人类缓解能源紧缺问题的重要手段之一。
当今核电站反应堆的技术已经比较成熟，但仍存在很多难以解决的技术问题。
其中，反应堆材料的辐照损伤问题尤为重要。
材料的辐照损伤问题与反应堆的安全性和经济性有密切的关系。
甚至直接关系到未来反应堆能否安全稳定运行。
关于反应堆的材料辐照损伤问题，主要包括三个方面：燃料芯块的辐照损伤，包壳的辐照损伤，压力容器的辐照损伤。
深入认识和了解这三方面的问题，并讨论有关缓解措施具有极大地研究价值。
二、水冷堆燃料芯块的辐照损伤1.燃料芯块的结构与辐照损伤水冷堆燃料芯块为实心圆柱体，由低富集度UO2粉末经混合、压制、烧结、磨削等工序制成。
为了减小轴向膨胀和PCI（芯块-包壳相互作用），芯块两端做成浅碟形并倒角。
芯块制造工艺必须稳定，以保证成品芯块的化学成分、密度、尺寸、热稳定性及显微组织等满足要求。
燃料芯块中的铀在辐照过程中会发生肿胀，造成尺寸的不稳定性和导热性能的下降。
随着燃耗的增加，铀的力学性能和物理性能将发生变化，铀将变得更硬、更脆，热导率减小，燃料包壳的腐蚀作用也在加剧。
对燃料芯块辐照损伤的认识和研究，一方面有助于了解在役燃料元件的运行状态和使用寿命，及时地发现并解决问题；另一方面根据辐照特性，可以采取适当的措施增强燃料元件的性能，进一步提高核电的经济效益。
2.辐照条件下燃料芯块微观结构的演化燃料芯块在辐照过程中，辐射与物质相互作用的方式可以分为原子过程和电子过程两大类。
原子过程主要产生位移效应，位移效应的主要产物是间隙-空位对。
金属材料的海洋腐蚀与防护(第二章)(学生版)
第二节 金属的电化学腐蚀基础
二、宏观与微观电池 • 根据组成腐蚀电池的电极大小，可把腐蚀
电池分为两大类：宏观电池与微观电池。
第二节 金属的电化学腐蚀基础
1、宏观电池 （1）不同的金属浸在不同的电解质溶液中，如
丹尼尔电池，可简化表示为： Zn|ZnSO4|CuSO4|Cu
式中 Zn—— 阳极 Cu —— 阴极
例如： Fe 和Cu 在3%NaCl 溶液中构成腐 蚀电池，Fe2+ 与OH- 形成Fe(OH)2 的次生产物。
第二节 金属的电化学腐蚀基础
当溶液呈碱性时，Fe(OH)2 就会析出沉淀。 铁在中性介质中生成的腐蚀产物Fe(OH)2若进一 步氧化，将成为Fe(OH)3：
4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3 氢氧化铁部分脱水成为铁锈，它质地疏松起 不到保护作用。一般用FeOOH、Fe2O3·H2O或 xFeO·Fe2O3·2H2O表示铁锈。
第二节 金属的电化学腐蚀基础
3、腐蚀电池的工作过程 腐蚀电池工作的基本过程如下： （1）阳极过程：金属溶解，以离子形式迁移
到溶液中同时把当量电子留在金属上： [ ne﹒Men+] → [Men+] + [ne]
第二节 金属的电化学腐蚀基础
（2）电流电路：电流在阳极和阴极间的流动 是通过电子导体和离子导体来实现的，电 子通过电子导体（金属）从阳极迁移到阴 极，溶液中的阳离子从阳极区移向阴极区， 阴离子从阴极区向阳极区移动。
第二节 金属的电化学腐蚀基础
（3）阴离子的还原反应： NO3- + 2H+ +2e → NO2- + H2O
CrO72- + 14H+ + 6e →2Cr3+ + 7H2O （4）中性分子的还原反应：
材料与水化学 第2讲 金属材料的辐照损伤
非晶体
纯铁金属的晶体结构
晶胞
空间点阵、 空间点阵、晶格
晶体原子排列
纯铁的显微组织
晶界、晶粒、 晶界、晶粒、取向
7个晶系 种布拉菲点阵 个晶系14种布拉菲点阵 个晶系
立方 四方 三方 简单六方 正交 单斜 三斜 a=b=c a=b≠c a=b=c a=b, γ=120° a≠b≠c a≠b≠c a≠b≠c α=β=γ=90° =β=γ=90° α=β=γ≠90° α=β=90°α=β=γ=90°α=γ=90° α≠β≠γ≠90° α β≠90° 初基 底心
锆合金的微观组织
(a) Recrystallized grain structure of a Zr–1Sn–1Nb–0.2Fe alloy showing a-Zr grains with b-Zr phases as boundary phases. (b) Dislocation structures in the same alloy.
2 a 4
4 12 0.74 8 0.225R 4 0.414R
3 a 4
2 8 0.68 12 0.291R 6 0.154R < 100> 0 . 6 3 3 R < 11 0 >
a 2
1 2
a2 c2 + 3 4
6 12 0.74 12 0.225R 6 0.414R
晶格内形成缺陷
空位、 空位、间隙原子 位错环
沉淀硬化
沉淀析出第二相粒子 成分偏析
嬗变
生成的气体形成孔洞或气泡， 生成的气体形成孔洞或气泡，或在晶界聚集 合金成分改变
辐照与固体物质之间的交互作用
辐照入射粒子包括下列三种: 辐照入射粒子包括下列三种
9.损伤模式识别
√一、损伤、失效及检验方法概述√二、常见损伤模式、案例及检验策略1.腐蚀损伤2.材质劣化3.机械损伤4.其他损伤√三、小结一、损伤、失效及检验方法概述几个概念：损伤损伤模式失效失效分析事故事故调查检验技术＝检测技术＋评价技术检测技术＝无损检测＋性能试验——发现和量化缺陷。
——想办法找出缺陷评价技术＝应用断裂力学、损伤力学等应用科学，分析设备的安全性。
——能不能用？能用多久？解决方案？关于检验种类及评定方法>>依据法规的检验>>基于失效模式的检验（或针对性检验、预知检验）>>基于风险的检验（RBI）>>在线检验>>基于安全状况等级的评定方法>>基于损伤寿命的评定方法>>可靠性、失效概率评定方法等等二、常见损伤模式、案例及检验策略GB/T30579－2014《承压设备损伤模式识别》（5类73种）第1类：腐蚀减薄（25）①全面腐蚀（均匀腐蚀）：盐酸、硫酸、氢氟酸、磷酸、二氧化碳（碳酸）、环烷酸、苯酚、有机酸、高温氧化、大气（有、无隔热层）、冷却水、土壤、苛性碱、氯化铵、胺、高温硫化物、酸性水、甲铵腐蚀等②局部腐蚀（非均匀腐蚀、局部减薄）：微生物腐蚀、锅炉冷凝水腐蚀、燃灰腐蚀、烟气露点腐蚀等等第2类：环境开裂（13）氯化物应力腐蚀开裂、碳酸盐、硝酸盐、碱、氨、胺、湿硫化氢破坏（氢鼓包、氢致开裂、应力导向型氢致开裂、硫化物应力腐蚀开裂）、氢氟酸致氢应力开裂、氢氰酸致氢应力开裂、氢脆、高温水、连多硫酸、液体金属脆断等第3类：材质劣化（15）晶粒长大、渗氮、球化、石墨化、渗碳、脱碳、金属粉化、σ相脆化、475°C脆化、回火脆化、辐照脆化、钛氢化、再热裂纹、脱金属腐蚀、敏化—晶间腐蚀等等第4类：机械损伤（11）机械疲劳、热疲劳、振动疲劳、接触疲劳、机械磨损、冲刷、汽蚀、过载、热冲击、蠕变、应变时效等等第5类：其他损伤（9）高温氢腐蚀、腐蚀疲劳、冲蚀、蒸汽阻滞、低温脆断、过热、耐火材料退化、铸铁石墨化腐蚀、微动腐蚀等等1.腐蚀损伤（腐蚀减薄＋环境开裂）腐蚀概述金属与周围介质间由于化学或电化学作用而引起的破坏称为腐蚀。
材料腐蚀与防护第二章
钝化原因
金属的钝化
• 根据金属钝化产生的原因，可将钝化分为化学钝化和电 化学钝化
• 金属与钝化剂的化学作用而产生的钝化现象称为化学钝 化或自钝化
• 采用外加阳极电流的方法使阳极极化，使金属由活性状 态变为钝态的现象，称为电化学钝化或阳极钝化。如铁、 镍、铬、钼等金属在稀硫酸中均可发生因阳极极化而引 起的电化学钝化。
耗氧腐蚀的主要特征
• (1)电解质溶液中，只要有氧存在，无论在酸性、 中性还是碱性溶液中都有可能首先发生耗氧腐蚀。 这是由于在相同条件下氧的平衡电位总是比氢的 平衡电位高的缘故。
• (2)氧在稳态扩散时，其耗氧腐蚀速率将受氧浓差 极化的控制。氧的离子化过电位将是影响耗氧腐 蚀的重要因素。
• (3)氧的双重作用主要表现在，对于易钝化金属， 可能起着腐蚀剂作用，也可能起着阻滞剂的作用。
• 这些固相产物大多为金属氧化物。
• 此外，磷酸盐、铬酸盐、硅酸盐以及难熔的硫酸盐、卤化 物等在一定的条件下也可构成钝化膜。
钝化理论
• 2.吸附理论
• 吸附理论队为，金属钝化并不需要在金属表面生成固相的 成相膜，而只要在金属表面或部分表面上生成氧或含氧粒 子的吸附层就足够了。一旦这些粒子吸附在金属表面上， 就会改变金属—溶液界面的结构．并使阳极反应的活化能 显著提高而产生钝化。
• ②腐蚀电池中的阳极金属电位EA必须低于氢的析 出电位EH即EA<EH
• 所谓氢的析出电位是指在一定的阴极电流密度下，氢电
极的平衡电位EHo与阴极上氢过电位H的差值。
EA< -0.0591pH - H
析氢腐蚀的特征
(1)在酸性溶液中，当没有其他氧化还原电位较正的去极化剂(如 负、氧化性物质)存在时，金属腐蚀过程属于典型的析氢腐蚀。
核材料辐照效应
》 离位损伤的计算机模拟
模拟和定量计算材料中的级联碰撞和离位原子在材料中的分布形态。
右图为约500个原子的铜单晶点 阵原子的受撞模拟：
图a：级联碰撞过程 图b：缺陷 （离位原子和空位）
的分布
注意，本章中离位损伤的计算均未考虑缺陷的. 回复（如间隙原子与邻近空位的复合）
离位峰和热峰
》 离位峰
Brinkman提出描绘级联碰撞结束时的Frenkel缺 陷分布模型：PKA的高密度碰撞会驱使沿途碰撞 链上的原子向外运动，因此在级联碰撞区域中心 附近的缺陷主要是空位，而间隙原子则分布在中 心空位区的周边外围。这种空位和间隙原子相互 分离的现象称为离位峰。
.
Brinkman离位峰 热峰周围的温度变化
沟道效应与聚焦碰撞
》 沟道效应
离位原子沿材料中点阵密排晶向围成的间隙腔入 射时，碰撞距离比较长的现象。
沟道效应易出现在级联碰撞的高能阶段。
特点是不产生大量点缺陷。
》 聚焦碰撞
指级联碰撞时每级离位原子的散射角逐级减
小，并按某一晶向以准直线方式传递能量和输 送原子的碰撞过程。
.
碰撞与能量传递
先不考虑晶体效应和原子间的作用势，仅从经 典力学计算。设质量为M1和能量为E0的中子 与质量为M2的靶原子发生碰撞。
》正碰
根据弹性碰撞中能量和动量的守恒方程，可 求出中子传给靶原子的最大能量（二体迎头 正碰撞时） 为
（μ：中子能量损失系数）
》随机碰撞 将直角坐标换成质心系(二体质心同速运动)坐标参数后，代入能
与撞出概率的关系中建立的。
K-P模型有如下许多简化假定： (1) 所有串级碰撞都是同类原子刚性球的二体碰撞； (2) 只计两原子间的作用势，不考虑晶格影响； (3) PKA撞出晶格原子的离位概率Pd(T)与被击原子接受的能量T的关系用单值
模拟和定量计算材料中的级联碰撞和离位原子在材料中的分布形态。
右图为约500个原子的铜单晶点 阵原子的受撞模拟：
图a：级联碰撞过程 图b：缺陷 （离位原子和空位）
的分布
注意，本章中离位损伤的计算均未考虑缺陷的. 回复（如间隙原子与邻近空位的复合）
离位峰和热峰
》 离位峰
Brinkman提出描绘级联碰撞结束时的Frenkel缺 陷分布模型：PKA的高密度碰撞会驱使沿途碰撞 链上的原子向外运动，因此在级联碰撞区域中心 附近的缺陷主要是空位，而间隙原子则分布在中 心空位区的周边外围。这种空位和间隙原子相互 分离的现象称为离位峰。
.
Brinkman离位峰 热峰周围的温度变化
沟道效应与聚焦碰撞
》 沟道效应
离位原子沿材料中点阵密排晶向围成的间隙腔入 射时，碰撞距离比较长的现象。
沟道效应易出现在级联碰撞的高能阶段。
特点是不产生大量点缺陷。
》 聚焦碰撞
指级联碰撞时每级离位原子的散射角逐级减
小，并按某一晶向以准直线方式传递能量和输 送原子的碰撞过程。
.
碰撞与能量传递
先不考虑晶体效应和原子间的作用势，仅从经 典力学计算。设质量为M1和能量为E0的中子 与质量为M2的靶原子发生碰撞。
》正碰
根据弹性碰撞中能量和动量的守恒方程，可 求出中子传给靶原子的最大能量（二体迎头 正碰撞时） 为
（μ：中子能量损失系数）
》随机碰撞 将直角坐标换成质心系(二体质心同速运动)坐标参数后，代入能
与撞出概率的关系中建立的。
K-P模型有如下许多简化假定： (1) 所有串级碰撞都是同类原子刚性球的二体碰撞； (2) 只计两原子间的作用势，不考虑晶格影响； (3) PKA撞出晶格原子的离位概率Pd(T)与被击原子接受的能量T的关系用单值
人教版高中化学选修一：3.2《金属的腐蚀和防护》(第2课时)课件
3
金属的防护
金属腐蚀的防护思路和方法是？
主要从金属的本质和介质两方面考虑，如: 改变金属的内部组织结构，在金属表面覆盖 保护层等等
请根据以下的生活中的例子，总结金 属防护常用的方法，并解释这些方法为什 么可以达到防止金属腐蚀的目的？
2019/12/12
4
金属的防护
自行车如何防生锈？
自行车的车把、 车辐条、钢圈和 车铃防锈措施是 什么？
2019/12/12
19
金属的防护
3、如图, 水槽中试管内有一枚铁钉， 放置数天观察：
(1)、若液面上升，则溶液呈__弱__酸__性___或__中__性__性，发 生___吸__氧___腐蚀,电极反应式为：
负极：________2_F__e__-___4_e_-_＝___2_F_e__2_+________, 正极：_____O__2_+_2_H_2_O__+_4_e_-_＝___4_O_H__－__________
2019/12/12
14
金属的防护
2019/12/12
15
金属的防护
2019/12/12
16
金属的防护
P52思考与交流 如何选用防锈方法---请你决策2
P53请你当设计师，假设用钢材在杭州西湖内建 造能使用20年左右的一座大桥，有三种防锈措 施供选择，你优先选择哪种方法？各种方法有 什么优、缺点？你还有没有其他的防锈措施？
22
金属的防护
6、以下现象与电化学腐蚀无关的是（ D ）
A.黄铜(铜锌合金)制作的铜制品不易被腐蚀
B.生铁比纯铁容易腐蚀
C.铁质器件附有铜质配件，在接触处易生铁锈
D.银制奖牌久置后表面变暗
人教版高中化学选修1 3.2 金属的腐蚀和防护 课件(21张PPT) (共21张PPT)
1967年12月，位于美国 俄亥俄洲名为“银桥” 的 桥 突 然 塌 入 河 中 ， 死 亡 46 人，此次事故是由于钢梁 发生电化学腐蚀产生裂缝 所致。俄亥俄州气候潮湿； 银桥所用的钢材不像普通 钢材只含0.2% 的碳，它的 含碳量高达0.6%。
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被口水冲垮的大桥
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【小组讨论】 名师课件免费课件下载优秀公开课课件人教版高中化学选修1 3.2 金属的腐蚀和防护 课件（21张PPT） (共21张PPT)
综合分析以上两个案例，在什么条 件下钢铁更易腐蚀?
【科学探究】不同条件下铁钉的腐蚀 名师课件免费课件下载优秀公开课课件人教版高中化学选修1 3.2 金属的腐蚀和防护课件（21张PPT）(共21张PPT)
实验
一周后 铁钉生 锈程度
结论
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化学腐蚀与电化学腐蚀的比较
条件
化学腐蚀 金属跟氧化性物质
直接接触
电化学腐蚀 不纯金属或合金
跟电解质溶液及氧化剂
接触
有无电流 本质
无电流产生 金属被氧化
有微弱电流产生 较活泼金属被氧化
相互联系 两者往往同时发生，电化学腐蚀更普遍且腐蚀 速率较快
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核电厂材料_2_第四章材料的辐照效应
• 热峰: 一个快中子会经历几次弹性碰撞，速度下降到不可 能再造成原子位移时，剩余的能量会以振动的形式消散在 一个很小的范围内，形成一个热峰。局部温度可达几千度。
离位峰模型
辐照效应
• 金属点阵中存在大量的空位和间隙原子会大大增 加金属的硬度， 降低它的延性。许多材料的体积 会明显增加（如石墨、金属铀）。在各向异性的 晶体中会发生定向生长和严重畸变。
辐照效应
• 位移峰: 一个高能粒子击出的级联碰撞原子趋向于积聚在 粒子运动的初级方向上，影响的区域称为位移峰，其长度 约10nm。被击出的初级位移原子将沿垂直于初级原子径 迹方向，继续运动几个原子的距离，然后停留在间隙位置 上，形成一个间隙原子壳。
这个极小体积所获得的能量在短时间内转变为热能，并 使间隙原子壳发生熔化。在此熔融区内原子重新排列，由 于接着而来的迅速冷却使原子冻结在畸变后的位置上，出 现了包含大量空位和间隙原子的离位峰。
材料的辐照效应
• 2）辐照肿胀 辐照导致材料中产生大量的缺陷，缺陷聚集后产生空
位位错环和间隙位错环。空位位错环不易坍塌，因为核反 应产生的氦气易聚集在空位位错环内，而使其形成三维的 空洞造成体积膨胀；间隙位错环坍塌后在原晶体中多了一 个原子面，使体积增加。因此辐照导致材料的肿胀。
• 辐照肿胀与温度有关。如不锈钢大约在0.3-0.5Tm下辐 照肿胀量最大（当中子通量达1027n/m2时，肿胀可达 15%）。 低于此温度，空位、间隙原子可动性不大，被 冻结在材料中，高于此温度，缺陷复合的机会增加，肿胀 量就会减少。
– 核转化生成异种原子的反应（n, α), ( Nhomakorabea, p)反应
例
10 5
B
n
37
Li 24
He
离位峰模型
辐照效应
• 金属点阵中存在大量的空位和间隙原子会大大增 加金属的硬度， 降低它的延性。许多材料的体积 会明显增加（如石墨、金属铀）。在各向异性的 晶体中会发生定向生长和严重畸变。
辐照效应
• 位移峰: 一个高能粒子击出的级联碰撞原子趋向于积聚在 粒子运动的初级方向上，影响的区域称为位移峰，其长度 约10nm。被击出的初级位移原子将沿垂直于初级原子径 迹方向，继续运动几个原子的距离，然后停留在间隙位置 上，形成一个间隙原子壳。
这个极小体积所获得的能量在短时间内转变为热能，并 使间隙原子壳发生熔化。在此熔融区内原子重新排列，由 于接着而来的迅速冷却使原子冻结在畸变后的位置上，出 现了包含大量空位和间隙原子的离位峰。
材料的辐照效应
• 2）辐照肿胀 辐照导致材料中产生大量的缺陷，缺陷聚集后产生空
位位错环和间隙位错环。空位位错环不易坍塌，因为核反 应产生的氦气易聚集在空位位错环内，而使其形成三维的 空洞造成体积膨胀；间隙位错环坍塌后在原晶体中多了一 个原子面，使体积增加。因此辐照导致材料的肿胀。
• 辐照肿胀与温度有关。如不锈钢大约在0.3-0.5Tm下辐 照肿胀量最大（当中子通量达1027n/m2时，肿胀可达 15%）。 低于此温度，空位、间隙原子可动性不大，被 冻结在材料中，高于此温度，缺陷复合的机会增加，肿胀 量就会减少。
– 核转化生成异种原子的反应（n, α), ( Nhomakorabea, p)反应
例
10 5
B
n
37
Li 24
He
最新-2021学年高中化学选修化学与生活课件 3.1.2金属的腐蚀与防护 精品
问题导学 即时检测 1 2 3 4 5 6
(3)若试管内液面下降,则原溶液呈 电极反应:负极
性,发生 ,正极
腐蚀, 。
答案：较强的酸 析氢 Fe-2e- Fe2+ 2H++2e- H2↑
解析：根据原电池的构成条件,两种不同的材料在有电解质溶液时,若形 成闭合回路,即可构成原电池。铁钉实际上是钢制成的,在这种情况下具 备形成原电池的条件,此时发生的腐蚀属于电化学腐蚀。根据金属腐蚀的 条件、原理及结果可知:试管内液面上升,说明试管内压强减小,气体被吸 收所致,是铁钉吸氧腐蚀的结果,据此写出电极反应;试管内液面下降,说明 试管内气体压强变大,试管内产生了新气体所致,是铁钉析氢腐蚀的结果, 据此写出电极反应。
(2)一周后,编号为
的试管中的铁钉生锈现象明显。
答案：C
(3)用相同材料制作,经过相同时间防锈处理的铁栏杆,安装在南方比安
装在北方更易生锈,其原因是
。
答案：南方比北方空气潮湿,铁更易生锈
(4)在焊接铁管时,为了使接口更加牢固,常用稀盐酸清洗接口处的铁锈,
该反应的化学方程式为
。
答案：Fe2O3+6HCl 2FeCl3+3H2O
1.电化学腐蚀的原因。 2.析氢腐蚀和吸氧腐 蚀的电极反应方程式。 3.防止金属腐蚀的常 用方法
识
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一、金属的腐蚀 1.金属腐蚀概念:金属腐蚀是金属与周围介质发生化学、电化学 或物理作用成为金属化合物而受破坏的一种现象。金属腐蚀分为 化学腐蚀和电化学腐蚀。其中最主要的就是电化学腐蚀。 2.电化学腐蚀。 (1)概念:电化学腐蚀是指金属与电解质因发生电化学反应而产生 破坏的现象。 (2)腐蚀原因:在潮湿的空气里,铁器表面吸附了一层水膜。水膜 中溶解有氧和少量盐类等,形成一薄层电解质溶液,与铁器中的铁 和碳构成了许多微小的原电池,发生原电池反应,加快铁器的腐蚀。
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En = 中子初始能量 En’ = 碰撞后中子的能量 E = 被撞粒子的能量 (PKA 或 SKA) T = 传递给靶原子的能量
级联/串级碰撞 级联 串级碰撞
•PKA碰撞二次撞击原子 secondary knock-on (SKA) • SKA再撞击其它原子，形成三级碰撞 TKA，甚至更多级碰撞 • 每次碰撞，其能量都被在入射粒子(反冲 原子)和靶原子之间均分 •这样的碰撞一直持续到被撞原子获得的能 量低于离位阈能 Ed
固体物质(靶 固体物质 靶):
相对于入射粒子的能量，固体物质(靶)可看作是相对静止的原 相对于入射粒子的能量，固体物质 靶 可看作是相对静止的原 子， 靶原子核具有质量，电子具有～ 的能量 靶原子核具有质量，电子具有～keV的能量 的能量
入射粒子与固体之间的交互作用取决于
入射粒子的带电荷数 入射粒子的速率 入射粒子与原子的原子核和核外电子之间的作用是相对独立的 交互作用用散射截面来衡量
非晶体
纯铁金属的晶体结构
晶胞
空间点阵、 空间点阵、晶格
晶体原子排列
纯铁的显微组织
晶界、晶粒、 晶界、晶粒、取向
7个晶系 种布拉菲点阵 个晶系14种布拉菲点阵 个晶系
立方 四方 三方 简单六方 正交 单斜 三斜 a=b=c a=b≠c a=b=c a=b, γ=120° a≠b≠c a≠b≠c a≠b≠c α=β=γ=90° =β=γ=90° α=β=γ≠90° α=β=90°α=β=γ=90°α=γ=90° α≠β≠γ≠90° α β≠90° 初基 底心
镍基合金的微观结构－ 镍基合金的微观结构－碳化物析出
A类，碳化物在晶界析出
B类，重结晶后，碳化物 在原始晶界网状析出
B类，重结晶后，碳化物在 晶内和原始晶界网状析出
金属、 金属、陶瓷材料绝大部分具有晶体结构
材料的晶体性质
晶体
构成晶体的原子、 构成晶体的原子、分子或原子集团 在空间是按一定的几何规律规则排 列的，因而晶体具有一定的熔点， 列的，因而晶体具有一定的熔点， 且具有各向异性的特点。 且具有各向异性的特点。绝大多数 的工程材料，如金属及其合金、 的工程材料，如金属及其合金、陶 瓷等，天然的岩石、矿物都是晶体。 瓷等，天然的岩石、矿物都是晶体。 非晶体中的质点是无规排列的， 非晶体中的质点是无规排列的，如 多数的玻璃和聚合物。 多数的玻璃和聚合物。
(110) plane [111]
Ed <111> Ed <110> Ed <100>
离位能 (eV)
[100]
0? [100] 30? [111] 60? 90? [110]
PKA
• Ed
[110]
Polar angle from the [100] direcቤተ መጻሕፍቲ ባይዱions in the (110) plane
八面体间隙
实际金属晶体中的缺陷
点缺陷
线缺陷
面缺陷
金属材料的强化(硬化 机理 金属材料的强化 硬化)机理 硬化
位错塞积
σ s = σ i + kY d
固溶强化 细晶强化
−1
2
形变强化： ＝ 形变强化：S＝Kεn
沉淀强化/第二相强化 沉淀强化 第二相强化 相变强化
粒子辐照引起晶格缺陷－ 粒子辐照引起晶格缺陷－导致材料硬化和脆化
板条马氏体
贝氏体组织
钢经过淬火+高温回火处理后， 可以得到贝氏体组织，分上贝 氏体和下贝氏体，上贝氏体组 织粗大，脆性大；下贝氏体组 织精细，亚结构为位错型，因 此强度高、塑性和韧性好。
Fe-0.43C-2Si-3Mn钢部分转变形成的上贝氏体组织 钢部分转变形成的上贝氏体组织 (a) 光学显微照片 (b,c) 明场和暗场像 (d) 羽毛状组织 (a)光学显微照片 光学显微照片 (b) TEM照片 照片 普通碳钢的下贝氏体组织
快中子撞击初级离位原子，Primary Knockon Atoms (PKA).
scattered neutron (or ion), energy E?= E - T
- T > Ec – 仅电子能量损失， 不产生离位
-
T < Ec – 仅发生原子离位， 产生空位和间隙原子
PKA
fast neutron (or iron), energy E
锆合金的微观组织
(a) Recrystallized grain structure of a Zr–1Sn–1Nb–0.2Fe alloy showing a-Zr grains with b-Zr phases as boundary phases. (b) Dislocation structures in the same alloy.
011 g
碳钢组织
铁素体 Ferrite
球化珠光体
共析钢-珠光体 共析钢 珠光体
低碳钢-珠光体 低碳钢 珠光体
1.4% carbon steel
白口铸铁
灰口铸铁
球墨铸铁
马氏体
含部分残余奥氏体的马氏体
针状马氏体
Fe-30Ni-0.31C钢的马氏体
以德国科学家Adolph Martens命名的 以德国科学家Adolph Martens命名的 一种钢的淬火硬化相。 一种钢的淬火硬化相。一般认为马氏 体是指钢被快速从高温奥氏体区中淬 火得到的碳在α Fe中的过饱和固溶 火得到的碳在α－Fe中的过饱和固溶 原子嵌入体心立方晶格的间隙， 体，C原子嵌入体心立方晶格的间隙， 使晶格畸变为四方结构。 使晶格畸变为四方结构。
粒子所带能量散失过程中，在路径附近形成热峰 粒子所带能量散失过程中，在路径附近形成热峰(Step-7)
被打乱的原子重新排列 元素偏析、 元素偏析、沉淀析出
中子被原子吸收后嬗变损伤 (Step-8)
活化、 活化、产气 气体原子在材料内扩散
辐照损伤原理
级联/串级碰撞 级联 串级碰撞
沟道效应
初级离位原子
Representative dislocation features observed in (a) n = 3 and (b) n = 7 deformation regimes (SB – subboundaries) .
I. Charit and K. L. Murty. Creep behavior of niobium-modified zirconium alloys. Journal of Nuclear Materials 374 (3):354-363, 2008.
辐照损伤过程
入射粒子(尤其是快中子 尺寸小 主要靠PKA造成损伤 入射粒子 尤其是快中子)尺寸小，主要靠 尤其是快中子 尺寸小， 造成损伤
Step 1-高能入射粒子与晶格上的原子发生交互作用 高能入射粒子与晶格上的原子发生交互作用 Step 2-入射粒子将动能传递给被撞原子 入射粒子将动能传递给被撞原子 Step 3-使被撞原子离开晶格阵点，成为初级离位原子 使被撞原子离开晶格阵点， 使被撞原子离开晶格阵点 成为初级离位原子(PKA“Primary Knock-on Atom”) Step 4-PKA继续撞击其它原子 继续撞击其它原子 Step 5-形成原子离位峰 级联碰撞 形成原子离位峰(级联碰撞 形成原子离位峰 级联碰撞-displacement cascade) Step 6-级联碰撞停止，留下空位 级联碰撞停止， 和间隙原子(interstitial) 级联碰撞停止 留下空位(vacancy)和间隙原子 和间隙原子 以及空位和间隙原子的团簇(cluster) ，以及空位和间隙原子的团簇
...
Nf
=
最终造成离位原子数量 为:
...
.. .
ν=
ν=
Kinchin-Pease 模型
Average energy per knockon
E
E 2 2
E 4 4
E 2N 2N
Number of 慳dditio nal? 1 displaced atoms
...
2Ed ν
高速粒子撞击产生离位峰
金属材料的组织
扫描隧道显微镜 C原子排列
组织是指用金相观察方法观察材料内部时看到的涉及晶 体或晶粒大小、方向、 体或晶粒大小、方向、形状排列状况等组成关系的组成 物。
α' γ
250nm 250nm
10μm 10μm
20钢退火态组织照片 304不锈钢SEM照片 变形304 TEM照片 AFM/MFM图像 不锈钢SEM 304钢 20钢退火态组织照片 304不锈钢SEM照片 变形304钢TEM照片 AFM/MFM图像
3
孪晶结构
2. 奥氏体不锈钢的孪晶结构
1. 70%Cu-30%Zn合金孪晶结构
3. 奥氏体不锈 钢的孪晶结构
位错结构
200 nm
1. TEM下观察到316L不 锈钢(00Cr17Ni14Mo2)的 位错线与位错缠结 2. 马氏体钢固溶处理 后急冷残余奥氏体中 3. Fe-40at%Al(B2)单晶体室温 的位错 变形后的位错结构。 塑性应变ε = 13 %, 位错密度 ρ = 2.4×1010 cm-2. 镍中的位错
SKA, T1' SKA, T1 PKA, T SKA, T3
PKA, T PKA, T SKA, T2
V = 空位: 晶格阵点上的原子被撞离后留下的空阵点 I = 间隙原子: 离位原子最终停留下来，占据了晶格的间隙
离位能
• 对于特定晶体，离位能取决于 PKA 的入射方向 • Ed 代表所有入射方向上的平均离位能 • 对于fcc晶体:
晶格内形成缺陷
空位、 空位、间隙原子 位错环
沉淀硬化
沉淀析出第二相粒子 成分偏析
嬗变
生成的气体形成孔洞或气泡， 生成的气体形成孔洞或气泡，或在晶界聚集 合金成分改变