氧化物彌散強化鋼的輻照硬化研究

發(fā)布時間：2020-05-19 05:42

【摘要】：氧化物彌散強化(ODS)鋼具有優(yōu)秀的耐高溫和抗輻照性能,是第四代裂變堆和未來核聚變堆結(jié)構(gòu)元件的主要候選材料之一。ODS鋼長期服役在高密度中子場中面臨的一個重要問題是輻照硬化導致材料力學性能的下降。所以,ODS鋼輻照硬化研究是其作為核結(jié)構(gòu)材料安全使用的基礎(chǔ)。本文基于五種鋼材料(14Cr-non-ODS、14Cr-ODS、9Cr-ODS-A、9Cr-ODS-B和ODS-Eurofer),系統(tǒng)地研究了它們的硬度與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系、輻照導致的硬化以及輻照后退火行為,具體的研究內(nèi)容和結(jié)論如下:1)硬度與微觀結(jié)構(gòu)關(guān)系研究分別利用電子背散射衍射(EBSD)、中子小角散射(SANS)和透射電子顯微鏡(TEM)對不同材料的晶粒分布、氧化物顆粒分布和位錯線的密度等進行了分析,并測量了材料的維氏硬度和納米壓痕硬度。研究發(fā)現(xiàn)Cr含量高、晶粒尺寸小、位錯密度大和氧化物顆粒分布細密均勻的ODS鋼具有更大的硬度值。利用微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)和強化機制計算了材料的理論屈服強度,發(fā)現(xiàn)三種9Cr鋼屈服強度的計算值與通過維氏硬度測得的實驗值符合的很好。ODS鋼中彌散強化、固溶強化、細晶強化和位錯塞積強化對屈服強度的貢獻均衡。五種鋼的維氏硬度H_V與納米壓痕硬度H_(IT)服從線性關(guān)系:H_V=0.78H_(IT)。2)輻照硬化研究分別在300和500℃下對五種鋼進行了多束Fe離子輻照(0.5 MeV Fe~+/3.7×10~(15) cm~(-2)+2 MeV Fe~+/6.1×10~(15)cm~(-2)+5 MeV Fe~(2+)/1.15×10~(16) cm~(-2))。輻照在材料中產(chǎn)生了1.75μm厚的均勻損傷層。輻照后測量了損傷層的硬度變化,并選取部分樣品進行了TEM觀察。研究發(fā)現(xiàn)五種鋼的硬度值在離子輻照后都表現(xiàn)出明顯的增大。對于500℃的離子輻照,輻照樣品近表面區(qū)域的硬度值明顯較小,這可能是因為在較高的溫度下樣品表面對離子碰撞產(chǎn)生的可移動點缺陷具有更好的吸收和湮滅作用。另外,低能離子注入在近表面區(qū)域產(chǎn)生的損傷缺陷也可能在后續(xù)的高能離子注入過程中被部分的恢復。14Cr鋼在300℃輻照條件下表現(xiàn)出額外的硬化效應,這可能是因為輻照導致了富Cr-α'相生成。兩種14Cr鋼在離子輻照后的硬度增加程度都小于三種9Cr鋼的。除了氧化物顆粒,晶粒分布和位錯線密度對ODS鋼的抗輻照性能及其硬化具有重要影響。9Cr-ODS-A和9Cr-ODS-B具有完全相同的氧化物顆粒分布,但9Cr-ODS-B通過熱處理具有更細小的晶粒分布和更高密度的位錯分布,這使得9Cr-ODS-B具有更強的抗輻照能力,因此輻照后硬度增加量更小。五種鋼在500℃下多束離子輻照后硬度上升值?H_(IT)與鋼自身總的捕獲強度S_(total)成反比關(guān)系:?H_(IT)=170×(S_(total))~(-1.5)。3)輻照后退火行為研究在300和500℃下對三種ODS鋼在進行了單束離子輻照實驗(5 MeV Fe~(2+)/1.15×10~(16) cm~(-2)),輻照后對樣品從輻照溫度(300或者500℃)至600℃每隔50℃退火1小時,并使用納米壓痕儀測量了退火前后樣品的硬度變化。研究發(fā)現(xiàn)所有輻照樣品經(jīng)過600℃熱退火后完全消除了輻照硬化效應,即輻照樣品硬度經(jīng)退火后下降到未輻照水平。9Cr-ODS-A和9Cr-ODS-B在300℃至400℃退火過程中硬度保持不變,在更高溫度的400℃至550℃退火過程中漸漸下降至未輻照水平,這表明輻照在這兩種鋼中產(chǎn)生了相似的缺陷類型,但缺陷的尺寸和密度分布不同。TEM的結(jié)果顯示300℃ Fe離子輻照在9Cr-ODS-A樣品中產(chǎn)生了明顯的損傷帶(dpa峰值附近),損傷帶中含有大量間隙子位錯環(huán),它們的直徑約為4 nm,數(shù)密度在10~(-5) nm~(-3)量級。這些位錯環(huán)是導致材料硬化的主要原因。間隙原子位錯環(huán)在熱退火過程中會通過捕獲基體中熱空位而收縮乃至消失,導致材料硬度的降低,這與我們理論模擬的結(jié)果相符合。14Cr鋼表現(xiàn)出與9Cr鋼明顯不同的退火行為,這可能是由于輻照缺陷種類不同引起的,14Cr-ODS鋼在300℃輻照時可能產(chǎn)生了富Cr-α'相。
【圖文】：

截面圖,反應堆運行,條件,參數(shù)