氧化物彌散強(qiáng)化鋼的輻照硬化研究

發(fā)布時(shí)間：2020-05-19 05:42

【摘要】：氧化物彌散強(qiáng)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(zhǎng)期服役在高密度中子場(chǎng)中面臨的一個(gè)重要問題是輻照硬化導(dǎo)致材料力學(xué)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(dǎo)致的硬化以及輻照后退火行為,具體的研究?jī)?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(duì)不同材料的晶粒分布、氧化物顆粒分布和位錯(cuò)線的密度等進(jìn)行了分析,并測(cè)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(cuò)密度大和氧化物顆粒分布細(xì)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(qiáng)化機(jī)制計(jì)算了材料的理論屈服強(qiáng)度,發(fā)現(xiàn)三種9Cr鋼屈服強(qiáng)度的計(jì)算值與通過維氏硬度測(cè)得的實(shí)驗(yàn)值符合的很好。ODS鋼中彌散強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化和位錯(cuò)塞積強(qiáng)化對(duì)屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)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(duì)五種鋼進(jìn)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(cè)量了損傷層的硬度變化,并選取部分樣品進(jìn)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(duì)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?yàn)樵谳^高的溫度下樣品表面對(duì)離子碰撞產(chǎn)生的可移動(dòng)點(diǎn)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(fù)。14Cr鋼在300℃輻照條件下表現(xiàn)出額外的硬化效應(yīng),這可能是因?yàn)檩椪諏?dǎo)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(cuò)線密度對(duì)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(xì)小的晶粒分布和更高密度的位錯(cuò)分布,這使得9Cr-ODS-B具有更強(qiáng)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(qiáng)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(duì)三種ODS鋼在進(jìn)行了單束離子輻照實(shí)驗(yàn)(5 MeV Fe~(2+)/1.15×10~(16) cm~(-2)),輻照后對(duì)樣品從輻照溫度(300或者500℃)至600℃每隔50℃退火1小時(shí),并使用納米壓痕儀測(cè)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(yīng),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(cuò)環(huán),它們的直徑約為4 nm,數(shù)密度在10~(-5) nm~(-3)量級(jí)。這些位錯(cuò)環(huán)是導(dǎo)致材料硬化的主要原因。間隙原子位錯(cuò)環(huán)在熱退火過程中會(huì)通過捕獲基體中熱空位而收縮乃至消失,導(dǎo)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(shí)可能產(chǎn)生了富Cr-α'相。
【圖文】：

截面圖,反應(yīng)堆運(yùn)行,條件,參數(shù)