第2讲 金属材料的辐照损伤.pdf

金属材料的组织与性能辐照损伤金属材料的组织与性能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、组织结构与性能的关系材料成分材料成分组织结构组织结构使役性能使役性能工艺工艺各组成元素含量各组成元素含量冶炼、锻造、焊接、热处理、表面处理、形变、等等冶炼、锻造、焊接、热处理、表面处理、形变、等等结合键、晶体结构、组织、内部缺陷结合键、晶体结构、组织、内部缺陷机械机械:强度、韧性等物理强度、韧性等物理:导热、导电等化学导热、导电等化学:耐腐、相容性耐腐、相容性10m10m金属材料的组织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。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图像变形304钢TEM照片AFM/MFM图像250nm250nm 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1 nm沉淀相100 nm100 nm纳米复合铁素体合金纳米复合铁素体合金三叉晶界三叉晶界光学显微组织:多相组织10 m晶界晶界未经辐照的组织未经辐照的组织亚晶结构亚晶结构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12123 3孪晶结构孪晶结构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011g200 nm3.Fe-40at%Al(B2)单晶体室温变形后的位错结构。塑性应变=13%,位错密度 =2.41010cm-2.镍中的位错镍中的位错共析钢共析钢-珠光体珠光体球化珠光体球化珠光体低碳钢低碳钢-珠光体珠光体1.4%carbon steel铁素体铁素体 Ferrite碳钢组织碳钢组织白口铸铁白口铸铁灰口铸铁灰口铸铁球墨铸铁球墨铸铁马氏体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Adolph Martens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。以德国科学家Adolph Martens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贝氏体组织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)光学显微照片光学显微照片(b,c)明场和暗场像明场和暗场像(d)羽毛状组织羽毛状组织(a)光学显微照片光学显微照片(b)TEM照片普通碳钢的下贝氏体组织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。锆合金的微观组织锆合金的微观组织Representative dislocation features observed in(a)n=3 and(b)n=7 deformation regimes(SB sub-boundaries).(a)Recrystallized grain structure of a Zr1Sn1Nb0.2Fe alloy showing a-Zr grains with b-Zr phases as boundary phases.(b)Dislocation structures in the same alloy.I.Charit and K.L.Murty.Creep behavior of niobium-modified zirconium alloys.Journal of Nuclear Materials 374(3):354-363,2008.镍基合金的微观结构碳化物析出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材料的晶体性质晶体非晶体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。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。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纯铁金属的晶体结构7个晶系个晶系14种布拉菲点阵种布拉菲点阵abc 90立方四方三方简单六方正交单斜三斜立方四方三方简单六方正交单斜三斜初基底心体心面心初基底心体心面心a=b=c=90a=bc=90a=b=c=90a=b,=120=90abc=90abc=90 90晶胞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。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 征结 构 特 征 面 心 立 方面 心 立 方(fcc)体 心 立 方体 心 立 方(bcc)密 排 六 方密 排 六 方(hcp)点 阵 常 数点 阵 常 数 a a a,c(c/a=1.633)原 子 半 径原 子 半 径 R 24a 34a 2212234aac+晶 胞 内 原 子 数晶 胞 内 原 子 数 4 2 6 配 位 数配 位 数 12 8 12 致 密 度致 密 度 0.74 0.68 0.74 数 量数 量 8 12 12 四 面 体 间 隙四 面 体 间 隙 大 小大 小 0.225R 0.291R 0.225R 数 量数 量 4 6 6 八 面 体 间 隙八 面 体 间 隙 大 小大 小 0.414R 0.154R 0.633R 0.414R 实际金属晶体中的缺陷实际金属晶体中的缺陷?点缺陷点缺陷?线缺陷线缺陷?面缺陷面缺陷金属材料的强化金属材料的强化(硬化硬化)机理机理固溶强化细晶强化固溶强化细晶强化沉淀强化沉淀强化/第二相强化第二相强化相变强化相变强化位错塞积位错塞积21+=dkYis形变强化：形变强化：SKn粒子辐照引起晶格缺陷导致材料硬化和脆化粒子辐照引起晶格缺陷导致材料硬化和脆化?晶格内形成缺陷晶格内形成缺陷?空位、间隙原子空位、间隙原子?位错环位错环?沉淀硬化沉淀硬化?沉淀析出第二相粒子沉淀析出第二相粒子?成分偏析成分偏析?嬗变嬗变?生成的气体形成孔洞或气泡，或在晶界聚集生成的气体形成孔洞或气泡，或在晶界聚集?合金成分改变合金成分改变辐照与固体物质之间的交互作用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:?中性粒子中性粒子:中子中子,gamma 射线射线(光子光子)?带电粒子带电粒子:粒子粒子(He核核)、质子、电子、质子、电子?高能原子、离子高能原子、离子:裂变产物、一次碰撞反冲原子、加速的离子裂变产物、一次碰撞反冲原子、加速的离子?固体物质固体物质(靶靶):?相对于入射粒子的能量，固体物质相对于入射粒子的能量，固体物质(靶靶)可看作是相对静止的原子，可看作是相对静止的原子，?靶原子核具有质量，电子具有靶原子核具有质量，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带电荷数?入射粒子的速率入射粒子的速率?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交互作用用散射截面来衡量辐照损伤过程辐照损伤过程?入射粒子入射粒子(尤其是快中子尤其是快中子)尺寸小，主要靠尺寸小，主要靠PKA造成损伤造成损伤?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，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-形成原子离位峰形成原子离位峰(级联碰撞级联碰撞-displacement cascade)?Step 6-级联碰撞停止，留下空位级联碰撞停止，留下空位(vacancy)和间隙原子和间隙原子(interstitial)，以及空位和间隙原子的团簇，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被打乱的原子重新排列?元素偏析、沉淀析出元素偏析、沉淀析出?中子被原子吸收后嬗变损伤中子被原子吸收后嬗变损伤(Step-8)?活化、产气活化、产气?气体原子在材料内扩散气体原子在材料内扩散辐照损伤原理辐照损伤原理沟道效应级联沟道效应级联/串级碰撞串级碰撞快中子撞击初级离位原子，Primary Knockon Atoms(PKA).-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 fast neutron(or iron),energy EPKAscattered neutron(or ion),energy E?=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,?TSKA,T2PKA,?TSKA,T1SKA,T3PKA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级联级联/串级碰撞串级碰撞 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 50 eV)EFp=形成Frenkel pair(V+I)位错对的能量(5eV)(110)plane100PKA110111 0?100 30?111 60?90?110Polar angle from the 100 directions in the(110)planeEd Ed Ed 离位能离位能(eV)dE离位能离位能dE2E=collision#Average energy per knockonNumber of 慳dditional?displaced atoms0E112N.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 模型能量为能量为E的的PKA造成的离位原子数量造成的离位原子数量高速粒子撞击产生离位峰高速粒子撞击产生离位峰钢受快中子（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）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缺陷对。因快中子能量很大，而金属原子的离位阈值一般在1830eV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。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的原始形式离位峰附近留下的晶体缺陷离位峰附近留下的晶体缺陷?高能高能PKA可使大量原子离位可使大量原子离位?快中子碰撞的快中子碰撞的PKA可撞可撞104个离位原子个离位原子?同样伴生出相同数量的点阵空位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位错缺陷峰位错缺陷峰?辐照损伤缺陷的复合及迁移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。空位迁移产生贫原子区、微空洞等。?溶质原子的迁移溶质原子的迁移?在间隙原子的迁移过程中，产生某些元素的沉淀，在间隙原子的迁移过程中，产生某些元素的沉淀，热峰热峰温度温度(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。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。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使材料产生硬化和脆化(类似淬火类似淬火)。辐照损伤效应：辐照损伤效应：?原因原因?原子离位原子离位?空位、间隙原子、位错环空位、间隙原子、位错环?嬗变损伤嬗变损伤?NiFe，产生，产生He?NiCo，产，产H?热效应、内应力重新分布热效应、内应力重新分布?成分偏析成分偏析?Cu、S、P、Mn等析出等析出?辐照结果辐照结果?尺寸不稳定性：肿胀伸长尺寸不稳定性：肿胀伸长?塑性降低和蠕变失效时间缩短塑性降低和蠕变失效时间缩短?断裂韧性降低断裂韧性降低?更高的环境促进开裂更高的环境促进开裂?活化活化为什么要关心辐照效应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，导致材料脆化辐照使材料内部产生大量缺陷，导致材料脆化?对金属：对金属：空位、间隙原子、位错、空洞、偏析、沉淀相等空位、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。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、能谱外部因素：辐照温度、粒子类型、能谱?内部因素：合金成分内部因素：合金成分(损伤截面损伤截面)、晶体结构、组织状态、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：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选择更合适的设备材料水冷堆构件辐照损伤程度水冷堆构件辐照损伤程度1510.03210191010290反应堆压力容器反应堆压力容器30-50010-1001022-1024 1012330-370堆内构件堆内构件3611102121013350锆合金燃料包壳锆合金燃料包壳(MPa)Hedpat(n/cm2)(n/cm2s)T()LWR部件部件dpa(displacements per atom)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=displacement cross section t=fluence(fast)N=atom density =fast-neutron flux辐照温度对材料的损伤模式的影响辐照温度对材料的损伤模式的影响?温度温度材料内部原子自振动剧烈程度的外部表现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提供了原子扩散的激活能?高温下，辐照产生的缺陷发生回复、气体扩散、上坡扩散高温下，辐照产生的缺陷发生回复、气体扩散、上坡扩散(Kirkendall效应效应)?低温下，辐照后留下的缺陷可动性不足，晶格畸变严重，导致脆化低温下，辐照后留下的缺陷可动性不足，晶格畸变严重，导致脆化?实际上，离位原子绝大部分都与空位复合而消失，仅留少量晶体缺陷实际上，离位原子绝大部分都与空位复合而消失，仅留少量晶体缺陷低温脆性辐照诱导蠕变空洞肿胀高温氦脆氦脆氢脆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辐照对金属晶体的损伤SS内的位错环和偏析(1)辐照形成位错、空位陷(2)中子辐照后嬗变，释放He气如10B(n,)，58Ni(n,)59Ni(n,)反应、56Fe(n,)，基体形成空洞造成的肿胀、发生脆化；(3)微观成分变化：在晶界附近形成成分偏析(4)相变晶界气泡SS内的空洞和析出时间时间长度长度原子数原子数1021031/nmmps硬化硬化YNDTT 升高升高(韧脆转变温度韧脆转变温度)未辐照辐照后(NDTT)=f(xCu,xNi,T,t)Gs辐照损伤在多尺度范围内对材料组织产生影响辐照损伤在多尺度范围内对材料组织产生影响辐照缺陷辐照缺陷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 25.8 dpa后的组织(a)250%冷变形状态；(b)退火态.(a)(b)纯纯Fe在在400oC的辐照损伤缺陷的辐照损伤缺陷Fe-Cr合金合金400oC辐照损伤缺陷辐照损伤缺陷(a)(b)Fe-Cr合金在BR-10实验堆中 400 C温度下辐照到 25.8 dpa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.Fe-Cr合金合金400oC辐照损伤缺陷辐照损伤缺陷(a)(b)Fe-8Cr合金在BR-10实验堆中 400 C温度下辐照到 25.8 dpa后的组织变化(a)沉淀析出的相；(b)晶界上析出的M7C3碳化物.Precipitates of-copperin A710 steelInterstitiaSolutesVacancy Radiation damage crystal lattice defects Dislocation Slip(c)Cluster obstacles to slipCleavage cracking at high stress(b)(a)(d)Stress concentration(e)Embrittlement due to copper precipitate after irradiationFigure reproduced from G.R.Odette and G.E.Lucas,JOM,53(7)18 2001辐照后元素偏析辐照后元素偏析 RPV钢中的钢中的Cu辐照后的元素偏析不锈钢中的辐照后的元素偏析不锈钢中的Cr、Ni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。S.Watanabe et al.Journal of Nuclear Materials 283-287(2000)152-156不同辐照条件后不锈钢在288oC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。J.T.Busby et al./Journal of Nuclear Materials 302(2002)2040辐照诱导的晶界偏析辐照诱导的晶界偏析From:J.T.Busby,G.S.Was,and E.A.Kenik.Journal of Nuclear Materials 302(1):20-40,2002.304不锈钢(工业纯度)在360不同质子注量下，主要元素(a)、微量元素(b)的偏析，以及位错密度(c)和屈服强度的升高辐照损伤对材料力学性能的影响辐照损伤对材料力学性能的影响?辐照后屈服强度升高、塑性降低辐照后屈服强度升高、塑性降低?位错运动障碍：空位、间隙原子、位错、沉淀析出相等位错运动障碍：空位、间隙原子、位错、沉淀析出相等?在体心立方结构在体心立方结构(bcc)的钢中容易发生的钢中容易发生?辐照脆化辐照脆化?位错运动障碍：空位、间隙原子、位错、沉淀析出相等位错运动障碍：空位、间隙原子、位错、沉淀析出相等?晶界弱化：杂质元素在晶界偏析、嬗变产物晶界弱化：杂质元素在晶界偏析、嬗变产物He、H等在晶界形成气泡等在晶界形成气泡?辐照诱导的蠕变辐照诱导的蠕变?在粒子轰击应力作用下，原子发生定向迁移，可在低温发生在粒子轰击应力作用下，原子发生定向迁移，可在低温发生?辐照诱导应力松弛辐照诱导应力松弛?(大变形量大变形量)冷作强化钢在辐照后残余应力发生松弛冷作强化钢在辐照后残余应力发生松弛材料经过辐照后力学性能变化趋势材料经过辐照后力学性能变化趋势?韧性降低，屈服强度升高，出现屈服点韧性降低，屈服强度升高，出现屈服点G.V.Muller et al,J.Nucl.Mat.212-215,pt.B,1283(1994)BCC质子辐照质子辐照中子辐照中子辐照HCPFCCFCC中子辐照中子辐照质子辐照质子辐照M.A.Meyers and K.K.Chawla,Mechanical Metallurgy:Principles and ApplicationsB.N.Singh et al,J.Nucl.Mat.224,131(1995).M.Victoria et al,Proceedings of the 1998 Int.Workshop on Differences in Irradiation Effects Between FCC,BCC,and HCP Metals and Alloys.Austurias,Spain 276,114(2000)中子注量对材料的机械性能的影响中子注量对材料的机械性能的影响不锈钢氦脆化不锈钢氦脆化?氦的生成：氦的生成：?10B1n?7Li+4He:产量高，少量产量高，少量B易偏析于晶界，危害大易偏析于晶界，危害大?58Ni1n?59Ni+；59Ni1n?56Fe+4He Ni在不锈钢中含量多，一直会有发生在不锈钢中含量多，一直会有发生?氦在材料内部的聚集形成气泡氦在材料内部的聚集形成气泡?氦属于惰性气体，不能固溶于金属基体氦属于惰性气体，不能固溶于金属基体?氦容易在空位、位错、晶界等处聚集，长大形成气泡氦容易在空位、位错、晶界等处聚集，长大形成气泡?PWR环境辐照形成约为环境辐照形成约为1nm尺寸的尺寸的He气泡，密度达气泡，密度达61023/m3?气泡导致材料发生肿胀气泡导致材料发生肿胀?氦脆氦脆?氦气泡在基体和晶界上的聚集，造成材料的弱化氦气泡在基体和晶界上的聚集，造成材料的弱化?基体内的氦以间隙原子形式存在，造成晶格畸变，材料变脆基体内的氦以间隙原子形式存在，造成晶格畸变，材料变脆不同中子能谱反应堆产氦量不同中子能谱反应堆产氦量John Paul Foster,Douglas L.Porter,D.L.Harrod,T.R.Mager,and M.G.Burke.316 stainless steel cavity swelling in a PWR.Journal of Nuclear Materials 224(3):207-215,1995.PWR:Pressurized Water Reactor，压水堆HFIR:High Flux Isotope Reactor，高通量同位素生产堆EBR-II:Experimental Breeder Reactor-II，实验增殖堆IIFFTF:Fast Flux Test Facility，快中子高通量实验装置奥氏体不锈钢辐照后的耐腐蚀性能变化奥氏体不锈钢辐照后的耐腐蚀性能变化不锈钢辐照助长应力腐蚀开裂模型不锈钢辐照助长应力腐蚀开裂模型在辐照到高dpa后，晶界出现Ni,Si,P,C,S的偏析，晶界处Cr贫化Ni,Si,P,C,S偏析高注量晶界晶界附近Cr贫化在高温水环境下，S以离子形式释放到水中，O在辐照和拉应力影响下沿GB快速迁移，形成Fe-Cr尖晶石结构氧化物，而Ni保持金属态O快速迁移，晶界氧化Ni不氧化，为金属态S离子Ni和S从氧化膜中析出以薄膜或岛状形式存在S离子S离子向富Ni层迁移Ni和S以薄膜或颗粒状从晶界氧化膜中析出，溶解到溶液中的S离子向富Ni层迁移，并吸附到Ni层附近小空洞大空泡S离子在高S含量时，富S的Ni层和颗粒在辐照和应力作用下融化，或非晶化，形成空洞，优先在氧化膜/金属界面和尖端分布当富S的Ni层和颗粒被融化，Ni-S多面体束缚被破坏，S重新扩散回金属基体。这样，当从反应堆中取出时，富S区可能无法被检测到，这取决于融化的程度和服役历史辐照损伤对不锈钢断裂韧性的影响辐照损伤对不锈钢断裂韧性的影响(BWR环境环境)奥氏体不锈钢经过奥氏体不锈钢经过288不同程度辐照后断裂韧性不同程度辐照后断裂韧性(J1C)的变化奥氏体不锈钢经的变化奥氏体不锈钢经289辐照后在超纯水环境应力腐蚀裂纹扩展速率的变化辐照后在超纯水环境应力腐蚀裂纹扩展速率的变化From:http:/www.ne.anl.gov/capabilities/cmm/highlights/ssc_austenic_ss.html基体中微量元素基体中微量元素S和和C含量与含量与IASCC敏感性敏感性PWR环境下不锈钢对环境下不锈钢对IASCC敏感的敏感的S和和C含量范围含量范围IASCC-Irradiation Assisted Stress Corrosion Cracking辐照助长的应力腐蚀开裂辐照助长的应力腐蚀开裂BWR和和PWR环境下，环境下，Nb稳定的稳定的348不锈钢对不锈钢对IASCC敏感的敏感的S和和C含量范围含量范围辐照后的断裂时间辐照后的断裂时间V合金肿胀FFTF-52dpa不锈钢辐照肿胀不锈钢辐照肿胀-脆化的微观机制脆化的微观机制?随着辐照剂量的增加，有两种方式使不锈钢基体中的随着辐照剂量的增加，有两种方式使不锈钢基体中的Ni被贫化：被贫化：?辐照诱起的第二相沉淀辐照诱起的第二相沉淀(如如和和G相相)将大量的将大量的Ni和和Si从基体中剥夺，基体中从基体中剥夺，基体中Ni含量的降低导致空洞肿胀的增加；含量的降低导致空洞肿胀的增加；?空洞肿胀增加时，空洞肿胀增加时，Ni元素上坡扩散元素上坡扩散(Kirkendall效应效应)在空洞表面偏析在空洞表面偏析?基体中基体中Ni的贫化导致的材料性能变化：的贫化导致的材料性能变化：?降低了层错能，而低层错能会使材料在发生变形时，容易导致形变马氏体转变降低了层错能，而低层错能会使材料在发生变形时，容易导致形变马氏体转变(马氏体马氏体)。?断裂会发生在奥氏体与断裂会发生在奥氏体与马氏体相界面处，剪切模量几乎变为马氏体相界面处，剪切模量几乎变为0；?以上情况在低温下最容易发生，而在不同的反应堆环境温度下，不锈钢发生的肿胀脆化是不同的，如：以上情况在低温下最容易发生，而在不同的反应堆环境温度下，不锈钢发生的肿胀脆化是不同的，如：?316不锈钢管在不锈钢管在400辐照到辐照到130dpa时会造成时会造成14%的肿胀，此时肿胀脆化非常严重的肿胀，此时肿胀脆化非常严重?冷变形冷变形20的的316不锈钢在不锈钢在PWR环境下环境下(300-400)辐照到辐照到100dpa，预计肿胀量可能低于，预计肿胀量可能低于3(曾认为可能达曾认为可能达10，需更多的数据确认，需更多的数据确认)?压水堆压水堆CW316SS中子测量管在辐照到中子测量管在辐照到35dpa时，肿胀量为时，肿胀量为0.03%轻水堆内部结构辐照损伤轻水堆内部结构辐照损伤典型900MW-PWR堆芯围板工况:吊篮桶体:10dpa,T=300-330围板:80-100dpa,T=370围板螺栓:70dpa,300RPV的辐照脆化的辐照脆化?大型大型PWR的的RPV重达重达800吨吨?快中子辐照在快中子辐照在RPV材料中形成材料中形成23nm尺寸尺寸富富Cu和富和富Mn的沉淀相的沉淀相?沉淀相与基体共格沉淀相与基体共格?使屈服强度升高，韧性下降使屈服强度升高，韧性下降MnCu10nmTemperatureFracture Toughness磁约束聚变堆磁约束聚变堆磁约束聚变堆材料的挑战磁约束聚变堆材料的挑战:-辐照损伤辐照损伤-高热流密度高热流密度-面向等离子体的第一壁材料溅射和鼓泡面向等离子体的第一壁材料溅射和鼓泡-低活化聚变堆材料与裂变堆材料的活性对比低活化聚变堆材料与裂变堆材料的活性对比聚变堆上的等离子体的冲蚀和鼓泡聚变堆上的等离子体的冲蚀和鼓泡Blistering(鼓泡鼓泡):-(He)ion irradiation of PFC leads to blisteringby growth of sub-surface He bubblesPFC-Plasma Facing Components(materials)面向等离子体面向等离子体