離子加速器注氫和高壓電子顯微鏡電子顯微鏡輻照誘導(dǎo)偏析

1研究對象的確定高能量顆粒的工作環(huán)境（例如核反應(yīng)層中的中性）的性能和組織結(jié)構(gòu)發(fā)生了許多新的變化，這是由于輻射誘導(dǎo)的結(jié)果，例如核反應(yīng)層中的中子層。ris的主要原因是，由于吸收擴散引起的銅化中的雜質(zhì)元素的再分布。從1973年開始，在核反應(yīng)層材料中觀察到由中性輻射引起的元素的反演。在研究了基于這種材料的鐵屑氧化物時，人們對材料的反演、分離和變形進行了大量研究。作為鐵屑鋼的一個獨特問題，ris將導(dǎo)致材料的耐腐蝕性轉(zhuǎn)化為溫度（用特定的cu表示），這直接影響材料的使用壽命。此外，除了cu之外，還有一些因素導(dǎo)致了molni及其行為的參考模式。對于ni含量分別為0.07%、0.76%、1.24%和1.85%。在相同條件下，中日輻射產(chǎn)生的dap分別為57、84、134、115。與cu相比，影響材料反射干燥所需的ni含量遠(yuǎn)高于ct，且作為核電站壓力容器材料的代表性鋼種而言，cu的含量小于0.09wt%，ni的含量（0.40-1.0）wt%。RIS狀態(tài)取決于溶質(zhì)元素與填隙原子或空位的相互作用.一般認(rèn)為,原子半徑小于基體原子的溶質(zhì)元素易于與填隙原子結(jié)合,而原子半徑大于基體原子的溶質(zhì)元素則易于與空位結(jié)合.但是這方面的認(rèn)識還很不充分.另外,人們從Kirkendall效應(yīng)中早已認(rèn)識了溶質(zhì)元素與空位的相互作用.在Kirkendall效應(yīng)中,溶質(zhì)元素的擴散是通過與空位相互交換位置來實現(xiàn)的,即溶質(zhì)元素的擴散方向與空位的擴散方向剛好相反.然而在粒子輻照這種特殊條件下,除了Kirkendall效應(yīng),溶質(zhì)元素還有可能出現(xiàn)與空位擴散方向一致的偏析.這種RIS又可稱為“逆Kirkendall效應(yīng)”(inverseKirdendalleffect).研究不同溶質(zhì)元素與空位相互作用的不同機制,對于材料輻照性能的理解十分重要.因RIS而產(chǎn)生的析出物的形態(tài)對于材料的性能關(guān)系甚大.已往研究表明,輻照狀態(tài)下,Cu在體心立方結(jié)構(gòu)的鐵素體鋼中是以面心立方結(jié)構(gòu)析出的.這種與基體完全不同的非共格的晶體結(jié)構(gòu)使得析出物對位錯滑移的阻力大大增加,從而增大了輻照脆性.然而,關(guān)于Ni的輻照析出物的具體形態(tài)尚不明了.中子輻照在材料中產(chǎn)生的核嬗變反應(yīng)會導(dǎo)致出現(xiàn)大量的氫.這些氫的存在對材料的輻照性能亦會產(chǎn)生很大影響.本文研究利用離子加速器在材料中注入氫,然后利用超高壓電子顯微鏡進行電子輻照,研究Fe-1wt%Ni鐵素體鋼中溶質(zhì)元素Ni的RIS及其所產(chǎn)生的析出物的微觀形態(tài),分析氫和輻照點缺陷對Ni的RIS的影響.2強化材料和實驗方法.采用機械方法將實驗用試樣Fe-1wt%Ni與純Fe軋制成厚度為0.2mm的薄板,然后沖制成直徑為3mm的圓片.為了消除機械加工時產(chǎn)生的位錯等晶體缺陷,將圓片試樣封入高真空石英管內(nèi)進行高溫退火.退火溫度為970K,退火時間為1h.熱處理后隨之進行水冷.利用電解雙噴方法將經(jīng)過退火處理的圓片試樣減薄成透射電子顯微鏡實驗用薄膜試樣.電解液為HClO4:CH3COOH=1:19.注氫實驗在日本北海道大學(xué)工學(xué)部的離子加速器上進行.注氫能量為75kV,注氫溫度為室溫和720K,注氫量為1×1017離子/cm2.電子輻照實驗在日本北海道大學(xué)超高壓電子顯微鏡上進行.電子加速電壓為1000kV,電子輻照速率為2×10-3?dpa/s(dpa,displacementperatom),輻照溫度為670K.在進行輻照的同時,利用電子顯微鏡對試樣組織結(jié)構(gòu)的變化進行原位觀察.3輻照下的條紋衍射在注氫后的試樣中出現(xiàn)了大量的小位錯環(huán)(小黑點襯度象),但沒有觀察到氣泡產(chǎn)生.在隨后的電子輻照中,發(fā)現(xiàn)了輻照空洞.這些空洞隨著電子輻照劑量的增加而不斷長大.圖1為室溫注氫Fe-1%?wtNi試樣在670K進行電子輻照至14dpa時的微觀組織結(jié)構(gòu).圖1中白色襯度象為由輻照產(chǎn)生的空位聚集而成的空洞(Void).空洞的數(shù)密度為1.6×1021?m-3,平均尺寸為17nm.從這些空洞計算得到的材料輻照腫脹率為0.6%.在圖1中,還可觀察到在空洞附近出現(xiàn)了許多長條形析出物.這些析出物的長度為50—100nm.而純鐵試樣的相同輻照實驗則在空洞附近觀察不到這種析出現(xiàn)象.因此可以認(rèn)為這種析出物是Ni在電子輻照時出現(xiàn)富集的結(jié)果.這一現(xiàn)象表明,在空位聚集形成空洞的過程中,與空位結(jié)合的Ni原子也同時遷移到空洞附近,造成空洞附近的Ni元素濃度增加,出現(xiàn)Ni溶質(zhì)元素的析出.Ni在空洞附近的這種析出說明Ni與空位的擴散方向一致,其擴散機制是逆Kirkendall效應(yīng).尤其值得注意的是,這種Ni的析出條件除了在720K進行電子輻照,還必須室溫注氫.而那些沒有注氫的試樣以及在720K注氫的試樣,都不會出現(xiàn)這種Ni的析出.Ni溶質(zhì)元素的析出在電子衍射圖象中也可以反應(yīng)出來,如圖2所示.與輻照之前的電子衍射圖象(圖2(a))相比,電子輻照后的基體衍射斑點周圍出現(xiàn)了新的條紋衍射(圖2(b)).圖3為利用衍射條紋得到的析出物的暗場象.這些條紋衍射只在一定的入射方向下出現(xiàn).如果傾轉(zhuǎn)試樣,則可能使原已出現(xiàn)的條紋衍射消失,或使已消失的條紋衍射重新出現(xiàn).圖4為利用電子顯微鏡雙傾試樣臺觀察到的電子衍射圖象的變化.衍射條紋B(右上)只有當(dāng)試樣傾轉(zhuǎn)位置為(b)時才會出現(xiàn),而在位置(a),(c)時只能觀察到對應(yīng)的衛(wèi)星斑點.同樣,衍射條紋A(右下),C(下方)也分別只能在試樣傾轉(zhuǎn)位置為(a),(c)時才會出現(xiàn).輻照引起的條紋衍射現(xiàn)象在Fe-10wt%Cr合金中也曾觀察到.以前的研究曾認(rèn)為Fe-1wt%Ni和Fe-10wt%Cr兩種材料中觀察到的條紋衍射是同一種形式的偏析現(xiàn)象.進一步的實驗與分析表明,Fe-10wt%Cr中的條紋衍射的原因是Cr元素沿〈100〉方向的針狀共格析出.而本文所討論的Fe-1wt%Ni的條紋衍射的原因則是輻照下Ni元素沿{110}面的共格析出.這些衍射條紋的方向就是析出物平面的法線方向.如果與平面析出物相對應(yīng)的倒易桿剛好落在Ewald平面上,在電子衍射圖象中就可以觀察到衍射條紋.當(dāng)?shù)挂讞U不是落在Ewald平面而是與Ewald平面相交時,能夠觀察到的是衍射斑點而不是衍射條紋.而當(dāng)Cr元素以針狀共格析出時,在任何入射方向的電子衍射圖象中,均能觀察到衍射條紋.當(dāng)材料中不含氫時,雖然合金元素Ni,Cr在輻照條件下也可能出現(xiàn)偏析,但卻觀察不到這種由于共格析出引起的條紋衍射.這說明氫的存在可以緩和共格析出產(chǎn)生的畸變.如果在720K高溫下注氫,氫在注入過程中很容易于逸出材料,從而大大減少材料中殘存氫的數(shù)量.至于注氫鐵素體鋼在電子輻照下出現(xiàn)的Ni析出物和Cr析出物的形狀差異,可能和元素Ni,Cr與空位、氫的相互作用的差異有關(guān).元素Ni,Cr與空位結(jié)合在一起后,其周圍還可能吸附氫原子.而這些吸附的氫原子的數(shù)量以及晶格位置的不同,將可能使這種由合金元素、空位和氫三者組成的復(fù)合體周圍出現(xiàn)軸對稱的各向異性或平面對稱的各向異性,從而使這種復(fù)合體富集時呈片狀或針狀析出.所謂輻照脆性,指的是材料在輻照后出現(xiàn)的DBTT向高溫處移動的脆化現(xiàn)象.任何材料都有一個屈服強度和一個斷裂強度.在低于DBTT的溫度下,屈服強度比斷裂強度大,所以材料斷裂韌性降低,出現(xiàn)脆性斷裂.屈服強度與溫度有關(guān),而斷裂強度則與溫度關(guān)系不大.當(dāng)溫度升高時,屈服強度下降,直到屈服強度低于斷裂強度時就到達(dá)DBTT.此時材料由脆性變?yōu)轫g性.輻照的后果是增大了材料的屈服強度,從而使DBTT向高溫處移動.而材料屈服強度增加的原因是輻照產(chǎn)生的各種缺陷阻礙了位錯的滑移.輻照下Ni以共格形式沿{110}平面析出,析出物周圍的應(yīng)變較小.同時,Ni析出物的尺寸較大,數(shù)密度較小,因而對位錯運動的阻力不會太大.反之,輻照下Cu的析出則不同.一方面,Cu在體心立方結(jié)構(gòu)的鐵素體鋼基體中以面心立方結(jié)構(gòu)析出,其不共格性會產(chǎn)生較大的應(yīng)變.同時Cu析出物的尺寸很小,只有幾十納米,而數(shù)密度卻很大.因此Cu析出物對位錯運動的阻力就比較大.這可能就是為什么產(chǎn)生輻照脆性所需的Ni含量比Cu含量大得多