【摘要】：CuZnAl合金具有形狀記憶效應(yīng)、超彈性、價(jià)格便宜及易于加工等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于核反應(yīng)堆和航空航天等領(lǐng)域。然而在輻照環(huán)境下,輻照效應(yīng)是引起材料功能失效的主要原因之一。因此,本文通過SRIM、XRD、OM、SEM、EDS、TEM和AFM等方法系統(tǒng)的研究了氦離子輻照下,CuZnAl合金的表面形貌及微觀組織的變化,并對(duì)其變化機(jī)理進(jìn)行分析,研究成果如下:首先,通過SRIM模擬軟件分析氦離子輻照CuZnAl過程中離子的傳輸過程,計(jì)算出在50 keV氦離子輻照下,氦離子在CuZnAl合金中的射程以及濃度分布;反沖原子(Cu、Zn、Al)的分布情況以及各原子(Cu、Zn、Al)的移位能、晶格束縛能和表面束縛能;輻照過程中的能量損失與濺射現(xiàn)象等。分析得出氦離子輻照CuZnAl合金中產(chǎn)生的點(diǎn)缺陷(空位、間隙原子)是輻照效應(yīng)的根源,而輻照過程中的濺射雖可以加重?fù)p傷,但是濺射原子的再沉積則可以在一定程度上修復(fù)損傷。氦離子輻照后,CuZnAl合金中并未形成新的析出相。此外,CuZnAl合金的表面產(chǎn)生了很大的殘余拉應(yīng)力,而殘余拉應(yīng)力的存在導(dǎo)致XRD中的衍射峰向低角度偏移。輻照坑是氦離子輻照CuZnAl合金表面的主要損傷形貌。通過對(duì)CuZnAl合金表面損傷機(jī)制進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)合金表面的損傷主要是由濺射現(xiàn)象造成的。相較低輻照劑量(0.1 dpa和1 dpa),提高氦離子的輻照劑量(10 dpa)雖然會(huì)造成一些輻照坑的長(zhǎng)大,但濺射過程中的再沉積可以在一定程度上修復(fù)缺陷。此外,輻照過程中的自退火效應(yīng)也可以很好的修復(fù)缺陷,這便使得高劑量下的輻照坑的數(shù)量有所降低。研究還發(fā)現(xiàn),氦離子輻照還會(huì)使得CuZnAl合金的表面粗糙度值隨劑量(0.1 dpa和1 dpa)的增加而增大,但在最高劑量(10 dpa)下反而有所降低。在不同劑量下氦離子輻照CuZnAl合金中的主要缺陷為位錯(cuò)、氦泡、孿晶、層錯(cuò)、位錯(cuò)墻與亞晶等。位錯(cuò)密度與輻照劑量密切相關(guān)。在低劑量(0.1 dpa和1 dpa)情況下,與未輻照試樣相比,位錯(cuò)數(shù)量明顯增加。這是由于隨著輻照劑量增加,Frankel缺陷對(duì)數(shù)量增加,位錯(cuò)數(shù)量增加。而在最高劑量下,由于在缺陷聚集處間隙原子的非相關(guān)復(fù)合加強(qiáng)以及晶界對(duì)點(diǎn)缺陷和缺陷簇的吸收作用使得位錯(cuò)數(shù)量有所降低。此外,通過對(duì)位錯(cuò)和氦泡之間相互作用的分析,發(fā)現(xiàn)它們之間主要是Orowan作用機(jī)制,在Orowan機(jī)制下,會(huì)出現(xiàn)彎曲的位錯(cuò)線,直的位錯(cuò)線以及氦泡。氦離子輻照CuZnAl合金實(shí)驗(yàn)中,氦易于被空位(Vacancy,V)捕獲形成He-V團(tuán)簇,形成氦泡。在最高劑量(10 dpa)下形成的亞晶以及位錯(cuò),為氦泡形核提供了大量的擴(kuò)散通道以及形核位置,而氦泡在晶界處的粗化使得氦泡在晶界處的平均尺寸大于基體內(nèi)部的尺寸。根據(jù)位錯(cuò)和晶界對(duì)氦泡的釘扎作用,可以得出氦泡只有長(zhǎng)大到超過臨界尺寸時(shí),才可以從位錯(cuò)和晶界處逃脫。此外,氦泡的長(zhǎng)大增加了Orowan應(yīng)力,使得位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻進(jìn)而堆積形成位錯(cuò)墻,而當(dāng)位錯(cuò)墻在外力作用下進(jìn)行滑移時(shí),便形成亞晶結(jié)構(gòu),這也是氦離子輻照(10 dpa)下,位錯(cuò)墻和亞晶大量形成的原因。本實(shí)驗(yàn)還對(duì)氦離子輻照過程中形成的形變孿晶與層錯(cuò)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)大塊狀的形變孿晶以臺(tái)階式的凸出機(jī)制逐漸長(zhǎng)大;而細(xì)長(zhǎng)的形變孿晶則以合并的方式逐漸長(zhǎng)大。由于相鄰亞晶以及新的亞晶會(huì)吞并層錯(cuò)與孿晶,所以在10 dpa劑量下造成了層錯(cuò)和孿晶的退化與消失。
【圖文】：

量運(yùn)用的緊密件和緊固件、熱敏閥門；能源開發(fā)方面如固體溫室窗戶自動(dòng)調(diào)節(jié)彈簧等；空間技術(shù)領(lǐng)域中的月面天線、人窗門自動(dòng)啟閉等；甚至日常生活中的凈水器、淋浴器噴頭、形狀記憶合金的發(fā)展前景十分誘人。 合金的特點(diǎn)狀記憶合金是銅基形狀記憶合金中最具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值記憶合金的晶體結(jié)構(gòu)為體心立方，其母相為β相，是一種有是 CuZnAl 合金形狀記憶效應(yīng)的根本來源[10-11]。熱彈性馬氏度的變化密切相關(guān)，當(dāng)應(yīng)力增大或溫度降低時(shí)，有利于其形圖 1.1 為母相與馬氏體相互轉(zhuǎn)變的示意圖，其中 Ms 為母相Mf 為馬氏體轉(zhuǎn)變完成的溫度；As 為馬氏體逆相變?yōu)槟赶嗟牡臏囟�。從圖 1.1 可以看出，當(dāng)溫度升到一定程度，馬氏體而當(dāng)溫度開始降低時(shí)，CuZnAl 合金則由母相開始轉(zhuǎn)變?yōu)轳R

點(diǎn)陣損傷示意圖，(a) 完整點(diǎn)陣，(b) 近距 Frenkel 對(duì)，(c) 遠(yuǎn)距 Frenkel 對(duì)，(d) 級(jí)聯(lián)碰撞對(duì) Diagram of lattice damage, (a) a complete lattice, (b) a close Frenkel pair , (c) a long-rangepair, (d) cascade collisions with Frenkel pair位錯(cuò)環(huán)缺陷照合金中的輻照缺陷與粒子的種類、能量、劑量以及靶材的成分等有關(guān)，，述合金中常見的缺陷之一，即位錯(cuò)環(huán)。位錯(cuò)環(huán)根據(jù)其形成過程可以分為間空位型位錯(cuò)環(huán)[41]。圖 1.4 為間隙型位錯(cuò)環(huán)和空位型位錯(cuò)環(huán)的形成示意圖。從可以看出當(dāng)聚集在晶面上的空位塌陷時(shí)，便形成了空位型位錯(cuò)環(huán)；而聚集間隙原子塌陷時(shí)，便形成了間隙型位錯(cuò)環(huán)。Yi 等人[42]在 W+離子輻照 W 和中發(fā)現(xiàn)間隙型位錯(cuò)環(huán)。Wan 等人[43]在氫離子輻照純鐵實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了空位型激光輻照中也可以觀察到空位型位錯(cuò)環(huán)[44]。
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG146.11

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2609234