氧化物弥散强化钢的辐照硬化研究

发布时间：2020-05-19 05:42

【摘要】：氧化物弥散强化(ODS)钢具有优秀的耐高温和抗辐照性能,是第四代裂变堆和未来核聚变堆结构元件的主要候选材料之一。ODS钢长期服役在高密度中子场中面临的一个重要问题是辐照硬化导致材料力学性能的下降。所以,ODS钢辐照硬化研究是其作为核结构材料安全使用的基础。本文基于五种钢材料(14Cr-non-ODS、14Cr-ODS、9Cr-ODS-A、9Cr-ODS-B和ODS-Eurofer),系统地研究了它们的硬度与微观结构的关系、辐照导致的硬化以及辐照后退火行为,具体的研究内容和结论如下:1)硬度与微观结构关系研究分别利用电子背散射衍射(EBSD)、中子小角散射(SANS)和透射电子显微镜(TEM)对不同材料的晶粒分布、氧化物颗粒分布和位错线的密度等进行了分析,并测量了材料的维氏硬度和纳米压痕硬度。研究发现Cr含量高、晶粒尺寸小、位错密度大和氧化物颗粒分布细密均匀的ODS钢具有更大的硬度值。利用微观结构参数和强化机制计算了材料的理论屈服强度,发现三种9Cr钢屈服强度的计算值与通过维氏硬度测得的实验值符合的很好。ODS钢中弥散强化、固溶强化、细晶强化和位错塞积强化对屈服强度的贡献均衡。五种钢的维氏硬度H_V与纳米压痕硬度H_(IT)服从线性关系:H_V=0.78H_(IT)。2)辐照硬化研究分别在300和500℃下对五种钢进行了多束Fe离子辐照(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))。辐照在材料中产生了1.75μm厚的均匀损伤层。辐照后测量了损伤层的硬度变化,并选取部分样品进行了TEM观察。研究发现五种钢的硬度值在离子辐照后都表现出明显的增大。对于500℃的离子辐照,辐照样品近表面区域的硬度值明显较小,这可能是因为在较高的温度下样品表面对离子碰撞产生的可移动点缺陷具有更好的吸收和湮灭作用。另外,低能离子注入在近表面区域产生的损伤缺陷也可能在后续的高能离子注入过程中被部分的恢复。14Cr钢在300℃辐照条件下表现出额外的硬化效应,这可能是因为辐照导致了富Cr-α'相生成。两种14Cr钢在离子辐照后的硬度增加程度都小于三种9Cr钢的。除了氧化物颗粒,晶粒分布和位错线密度对ODS钢的抗辐照性能及其硬化具有重要影响。9Cr-ODS-A和9Cr-ODS-B具有完全相同的氧化物颗粒分布,但9Cr-ODS-B通过热处理具有更细小的晶粒分布和更高密度的位错分布,这使得9Cr-ODS-B具有更强的抗辐照能力,因此辐照后硬度增加量更小。五种钢在500℃下多束离子辐照后硬度上升值?H_(IT)与钢自身总的捕获强度S_(total)成反比关系:?H_(IT)=170×(S_(total))~(-1.5)。3)辐照后退火行为研究在300和500℃下对三种ODS钢在进行了单束离子辐照实验(5 MeV Fe~(2+)/1.15×10~(16) cm~(-2)),辐照后对样品从辐照温度(300或者500℃)至600℃每隔50℃退火1小时,并使用纳米压痕仪测量了退火前后样品的硬度变化。研究发现所有辐照样品经过600℃热退火后完全消除了辐照硬化效应,即辐照样品硬度经退火后下降到未辐照水平。9Cr-ODS-A和9Cr-ODS-B在300℃至400℃退火过程中硬度保持不变,在更高温度的400℃至550℃退火过程中渐渐下降至未辐照水平,这表明辐照在这两种钢中产生了相似的缺陷类型,但缺陷的尺寸和密度分布不同。TEM的结果显示300℃ Fe离子辐照在9Cr-ODS-A样品中产生了明显的损伤带(dpa峰值附近),损伤带中含有大量间隙子位错环,它们的直径约为4 nm,数密度在10~(-5) nm~(-3)量级。这些位错环是导致材料硬化的主要原因。间隙原子位错环在热退火过程中会通过捕获基体中热空位而收缩乃至消失,导致材料硬度的降低,这与我们理论模拟的结果相符合。14Cr钢表现出与9Cr钢明显不同的退火行为,这可能是由于辐照缺陷种类不同引起的,14Cr-ODS钢在300℃辐照时可能产生了富Cr-α'相。
【图文】：

截面图,反应堆运行,条件,参数

各种反应堆运行参数条件汇总[2]

截面图,截面图

ITER托科马克装置的截面图和关键部位的中子辐照剂量
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TL34;TG142.1

【参考文献】