材料与水化学 第2讲 金属材料的辐照损伤

金属材料的组织与性能堆内结构材料的辐照损伤金属材料的辐照损伤机理辐照后嬗变、微观成分、组织的变化辐照损伤对材料性能的变化材料成分、组织结构与性能的关系材料成分组织结构使役性能工艺各组成元素含量冶炼、锻造、焊接、热处理、表面处理、形变、等等结合键、晶体结构、组织、内部缺陷机械:强度、韧性等物理:导热、导电等化学:耐腐、相容性10μm金属材料的组织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物。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250nma'g扫描隧道显微镜C原子排列TEM纳米晶粒与重结晶晶粒原子探针Y-Ti-O团簇1nm沉淀相100nm100nm纳米复合铁素体合金三叉晶界光学显微组织:多相组织10mm晶界未经辐照的组织亚晶结构1.变形后的石英晶体中的亚晶结构2.挤出后经450oC退火后纯铝中的亚晶结构3.挤出后纯铝中被拉长的晶粒和亚晶结构123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011g200nm3.Fe-40at%Al(B2)单晶体室温变形后的位错结构。塑性应变e=13%,位错密度r=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%carbonsteel铁素体Ferrite碳钢组织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Fe-30Ni-0.31C钢的马氏体以德国科学家AdolphMartens命名的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。针状马氏体板条马氏体贝氏体组织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。锆合金的微观组织Representativedislocationfeaturesobservedin(a)n=3and(b)n=7deformationregimes(SB–sub-boundaries).(a)RecrystallizedgrainstructureofaZr–1Sn–1Nb–0.2Fealloyshowinga-Zrgrainswithb-Zrphasesasboundaryphases.(b)Dislocationstructuresinthesamealloy.I.CharitandK.L.Murty.Creepbehaviorofniobium-modifiedzirconiumalloys.JournalofNuclearMaterials374(3):354-363,2008.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材料的晶体性质晶体非晶体构成晶体的原子、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，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、陶瓷等，天然的岩石、矿物都是晶体。非晶体中的质点是无规排列的，如多数的玻璃和聚合物。金属、陶瓷材料绝大部分具有晶体结构纯铁的显微组织晶界、晶粒、取向晶体原子排列空间点阵、晶格晶胞纯铁金属的晶体结构7个晶系14种布拉菲点阵a≠b≠ca≠b≠g≠90°立方四方三方简单六方正交单斜三斜初基底心体心面心a=b=ca=b=g=90°a=b≠ca=b=g=90°a=b=ca=b=g≠90°a=b,g=120°a=b=90°a≠b≠ca=b=g=90°a≠b≠ca=g=90°b≠90°晶胞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。结构特征面心立方(fcc)体心立方(bcc)密排六方(hcp)点阵常数aaa,c(c/a=1.633)原子半径R24a34a2212234aac晶胞内原子数426配位数12812致密度0.740.680.74数量81212四面体间隙大小0.225R0.291R0.225R数量466八面体间隙大小0.414R0.154R1000.633R1100.414R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21dkYis形变强化：S＝Kεn粒子辐照引起晶格缺陷－导致材料硬化和脆化晶格内形成缺陷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，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:中性粒子:中子,gamma射线(光子)带电粒子:α粒子(He核)、质子、电子高能原子、离子:裂变产物、一次碰撞反冲原子、加速的离子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子，靶原子核具有质量，电子具有～keV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Step1-高能入射粒子与晶格上的原子发生交互作用Step2-入射粒子将动能传递给被撞原子Step3-使被撞原子离开晶格阵点，成为初级离位原子(PKA-“PrimaryKnock-onAtom”)Step4-PKA继续撞击其它原子Step5-形成原子离位峰(级联碰撞-displacementcascade)Step6-级联碰撞停止，留下空位(vacancy)和间隙原子(interstitial)，以及空位和间隙原子的团簇(cluster)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、沉淀析出中子被原子吸收后嬗变损伤(Step-8)活化、产气气体原子在材料内扩散辐照损伤原理沟道效应级联/串级碰撞快中子撞击初级离位原子，PrimaryKnockonAtoms(PKA).-TEc–仅电子能量损失，不产生离位-TEc–仅发生原子离位，产生空位和间隙原子fastneutron(oriron),energyEPKAscatteredneutron(orion),energyE?=E-TEn=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初级离位原子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PKA,TSKA,T1PKA,T?SKA,T2PKA,T?SKA,T1'SKA,T3•PKA碰撞二次撞击原子secondaryknock-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级联/串级碰撞•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:•Ed=离位能=使晶格上原子离位的最小能量(25–50eV)•EFp=形成Frenkelpair(V+I)位错对的能量(~5eV)(110)plane[100]PKA[110][111]0?[100]30?[111]60?90?[110]Polaranglefromthe[100]directionsinthe(110)planeEd100Ed110Ed111离位能(eV)dE离位能dE2Ecollision#AverageenergyperknockonNumberof慳dditional?displacedatoms0E112N......EE2424E2N2N...Nf2Ed...•当反冲原子的能量为下值时，离位停止dNE22/EffN2最终造成离位原子数量为:Kinchin-Pease模型能量为E的PKA造成的离位原子数量高速粒子撞击产生离位峰钢受快中子（＞1MeV）轰击后，被撞原子离位，其原晶格阵点位置变成一个空位，而它本身经过串级碰撞后，滞留在晶格之间成为一个间隙原子，于是就形成了Frenkel缺陷对。因快中子能量很大，而金属原子的离位阈值一般在18～30eV之间，因此，一个快中子可连续地击出许多离位原子，直至中子逸出或能量耗尽为止。初级离位原子(PKA)吸收了大量能量，它也能导致二级、三级以至更多级的串级碰撞效应。离位峰的原始形式离位峰附近留下的晶体缺陷高能PKA可使大量原子离位快中子碰撞的PKA可撞104个离位原子同样伴生出相同数量的点阵空位离位原子级数越高，能量越小，运行距离越短，最后级别离位原子形成Frenkel位错缺陷峰辐照损伤缺陷的复合及迁移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、晶界后被复合消失空位与间隙原子各自通过聚集、崩塌，形成位借环、堆垛层错环等空位迁移产生贫原子区、微空洞等。溶质原子的迁移在间隙原子的迁移过程中，产生某些元素的沉淀，热峰温度(oF)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，较大、较长。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)。辐照损伤效应：原因原子离位空位、间隙原子、位错环嬗变损伤Ni－Fe，产生HeNi－Co，产H热效应、内应力重新分布成分偏析Cu、S、P、Mn等析出辐照结果尺寸不稳定性：肿胀伸长塑性降低和蠕变失效时间缩短断裂韧性降低更高的环境促进开裂活化为什么要关心辐照效应辐照损伤是裂变、聚变反应堆、加速器等核系统中面向粒子辐照材料的主要老化原因虽然辐照产生的缺陷尺寸非常小，但使材料在宏观上表现出的力学性能、化学性能和使用寿命等方面都有较大变化辐照使材料内部产生大量缺陷，导致材料脆化对金属：空位、间隙原子、位错、空洞、偏析、沉淀相等对高分子材料：长分子链断裂，使材料失去弹性、开裂。辐照损伤的原理非常复杂，影响因素多外部因素：辐照温度、粒子类型、能谱内部因素：合金成分(损伤截面)、晶体结构、组织状态研究难点：某些微量元素、杂质元素辐照后的行为研究辐照损伤的目的：理解损伤机理、预测辐照对材料性能的影响、开发新材料选择更合适的设备材料水冷堆构件辐照损伤程度LWR部件T(℃)Φ(n/cm2·s)Φt(n/cm2)dpaHeσ(MPa)锆合金燃料包壳3502×101310211136堆内构件330-370～10121022-102410-10030-500反应堆压力容器29010102×10190.03115dpa(displacementsperatom)是一个衡量材料辐照损伤程度的一种方法，它表示晶格上的原子被粒子轰击离开原始位置的次数与晶格上的原子数量之比。例如，10dpa表示材料中每个原子被平均离开原始位置10次。不同堆型堆芯材料辐照损伤程度)()(ddtNtNdpad=displacementcrosssectiont=fluence(fast)N=atomdensity=fast-neutronflux辐照温度对材料的损伤模式的影响温度—材料内部原子自振动剧烈程度的外部表现提供了原