第2讲 金属材料的辐照损伤

金属材料的组织与性能10μm

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、形状排列状况等组成关系的组成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

250nm

α'γ

纳米晶粒与重原子探针团簇

100 nm

纳米复合铁素体合金

三叉晶界

10 晶界

1

2

3孪晶结构

1. 70%Cu-30%Zn合金孪晶结构

2. 奥氏体不锈钢的孪晶结构

3. 奥氏体不锈

钢的孪晶结构

位错结构

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的位错

011

g

200 nm

3. Fe-40at%Al(B2)单晶体室温变形后的位错结构。

塑性应变ε= 13 %,

位错密度ρ= 2.4×1010cm-2.

镍中的位错共析钢-珠光体

球化珠光体

低碳钢-珠光体 1.4% carbon steel 铁素体Ferrite

含部分残余奥氏体的马氏体Fe-30Ni-0.31C钢的马氏体

针状马氏体

以德国科学家Adolph Martens命名的

Fe-0.43C-2Si-3Mn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(b) TEM照片

普通碳钢的下贝氏体组织

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非晶体

纯铁的显微组织晶界、晶粒、取向

空间点阵、晶格

β≠90°

空间点阵几何规律的基本空间单元，

一般取最小平行六面体。

面心立方(fcc) 体心立方(b cc)密排六方(h cp

a(c/a=1.63

4

3

4

a

2

34

a c

+

2 6

2 8 12

0.74 0.68 0.74

1212 0.2 0.291R0.225R

6 6

0.40.154R<10

0.633R<1100.414R

面缺陷

固溶强化

细晶强化

沉淀强化/第二相强化

相变强化

位错塞积

+=i s σσ形变强化：S ＝K εn

级联/串级碰撞

离位峰的原始形式

离位峰附近留下的晶体缺陷

离位原子级数越高，能量越小，运行距离

Frenkel位

部分空位与间隙原子相遇，复合、消失

空位与间隙原子遇到位错、晶界后被复合空位与间隙原子各自通过聚集、崩塌，形

在间隙原子的迁移过程中，产生某些元素的原子碰撞后释放的能量可使离位峰内局部微区的温度上升得很高，形成一个热峰

热峰是局部微区温度急升骤降的现象。

热峰的温度越高，其体积越小，存在的时间越短；反之，较为溶质原子的重新分布提供了能量。

使材料产生硬化和脆化(类似淬火)。

不同堆型堆芯材料辐照损伤程度

φ= fast-neutron flux

辐照温度对材料的损伤模式的影响

材料内部原子自振动剧烈程度的外部表现

提供了原子扩散的激活能

低温脆性辐照诱导蠕变

空洞肿胀

高温氦脆

氦脆氢脆

T/Tm

辐照对金属晶体的损伤

SS内的位错环和偏析

(4) 相变…

晶界气泡

SS内的空洞和析出

时间长度原子数

102

1031

Å/nm m ps 硬化ΔσY

NDTT 升高(韧脆转变温度)

未辐照辐照后

Δ(NDTT) = f(x Cu,x Ni ,T, φ, φt)

Gs 辐照损伤在多尺度范围内对材料组织产生影响

316不锈钢被辐照到2dpa 形成的位错环

空位

纯铁在BR-10实验堆中400°C 温度下辐照到25.8dpa 后的组织(a) 250%冷变形状态；(b) 退火态.

(a)

(b)

(a)(b)Fe-Cr 合金在BR-10实验堆中400°C 温度下辐照到25.8dpa 后的组织变化(a) Fe-6Cr 试样250%冷变形状态，马氏体组织；(b) Fe-12Cr 试样退火态，铁素体组织.

(a)(b)

Fe-8Cr 合金在BR-10实验堆中400°C 温度下辐照到25.8dpa 后的组织变化(a) 沉淀析出的α′相；(b) 晶界上析出的M 7C 3碳化物.

Precipitates of ε-copper in A710 steel

Figure reproduced from G.R.Odette and G.E.Lucas, JOM, 53 (7) 18Cu

不锈钢在723 K 温度下辐照到3 dpa 时在晶界上的元素偏析：Ni 在晶界处的含量升高;Cr 在晶界处形成贫化区;导致：耐腐蚀性能下降。

Materials 283-287 (2000) 152-156

不同辐照条件后不锈钢在288o C 水中慢拉伸至断裂后试样上的总裂纹长度，或沿晶裂纹百分比。