技术类材料学水化学第2部分-金属材料基础和辐照损伤

2.12.12.22.22.323)工

金属材料的组织扫描隧道显微C原子排不同的组织结构具有不同的材料性能20钢退火态组织照 304不锈钢SEM照 变形304钢TEM照 AFM/MFM图回回晶非晶

晶界、晶界、晶粒、取空间点阵、晶纯铁的显微组晶体原晶体原子排立 四三简单六a=b,正单三初底体面空间点阵几何规律的基本空间单元一般取最小平行六面体面心立方体心立方密排六方aaa,c原子半径2434a a2 c2 2 4 426884660.154R0.633R奥氏体不锈 碳钢/低合金 锆合金/钴基合点缺线缺面缺位错塞

kY 固溶强化(合金化 细晶强化(形变+热处理 形变强化沉淀强化/第二相强相变强核核电厂设备材料核电厂应用条件：高温、高压、水辐射环核级材金辐材料辐照损材料的腐蚀与防核电厂材压力容锆合金包壳材不锈钢材蒸汽发生器材 HOHO+ 水分子吸收辐射水分子吸收辐射HOH22氧化性产氢氧自由基OH，二氧化氧化性产氢氧自由基OH，二氧化氢HO2，过氧化氢H2O2，氧分子O2根据化学形态可分为自由基产物和分子产分子产水 有H2，H2O2和它们由初级产物互相作用而成，具有比较稳定的形态，可在溶液中积聚到一定浓度，较易测辐解自由基产非常活泼，极不稳定，难以积聚到易于测量的水平，无法直接测量 反应速度常 pHee

22

OH

10- e ee 2.1-ee+H2e+H2OH+OH- 0.4-0.4-0.4-77H2O+OH-70CrackLengthCrackLengthIncrement0000

加氢抑依据：H2O2→22ppmO2da/dt=1.62x10-7C237-0.5TCTof316L/Start25ksiin,2ppmO2,Pureda/dt=2.91x10-86.18%H2inArSteadyStateZn2Additionda/dt=8.3x10-9mm/sInitialZn2AdditionPeriodda/dt=1.1x10-8mm/s TestTime表、液晶表、液晶、尽量选用抗辐射材屏级联/级联/入射粒子(尤其是快中子)尺寸小，主要靠PKA造成损Step1-高能入射粒子与晶格上的原子发生交互作Step2-入射粒子将动能传递给被撞Step3-使被撞原子离开晶格阵点，成为初级离位原子“PrimaryKnock-onStep4-PKA继续撞击其它原Step5-形成原子离位峰(级联碰撞-displacement粒子所带能量散失过程中，在路径附近形成热峰(Step-Step6-级联碰撞停止，留下空位粒子所带能量散失过程中，在路径附近形成热峰(Step-被打乱的原子重新排中子被原子吸收后嬗变损伤中子被原子吸收后嬗变损伤(Step-活化、产气体原子在材料内扩

离位峰的原始形高能PKA可使大量原子离快中子碰撞的PKA可撞104个离位原同样伴生出相同数量的点阵空辐照损伤缺陷的复合及迁部分空位与间隙原子相遇，复合、消空位与间隙原子各自通过聚集、崩塌形成位借环、堆垛层错环空位迁移产生贫原子区、微空洞等溶质原子的迁在间隙原子的迁移过程中，产生某些元的沉淀辐辐照损伤效空位、间隙原子、位错Ni－>Fe，产生Ni－>Co，产Cu、S、P、Mn等析LWR部σ锆合金燃料包1330-~1022-10-30-反应堆压力容dpa(displacementsperatom)是一个衡量材料辐照

d

(t)

d=displacementcrosst=fluenceN=atom=fast-neutron

不同堆型堆芯材料辐照损伤程氦氢提供了原子扩散的激活高温下，辐照产生的缺陷发生回复、气体扩散、上坡扩(Kirkendall效应低温下，辐照后留下的缺陷可动性不足，晶格畸变严重，导致实际上，离位原子绝大部分都与空位复合而消失，仅留少量晶陷SS内的空洞和析辐照形成位错、空位中子辐照后嬗变，释放He10B(n,α)，58Ni(n,γ)59Ni(n,α)反应56Fe(n,α)]，基体形成空洞造成的肿微观成分变化：在晶界附近形成分偏相变晶界气SS内的位错环和 纯铁在BR-10实验堆400C温度下辐照到25.8dpa后的组(a)250%冷变形状态(b火 Fe-Cr合金在BR-10实验堆中400C温度下辐照到25.8dpa后的组织变(a)Fe-6Cr试样250%冷变形状态，马氏体组织；(b)Fe-12Cr试样退火态，铁素体组 中到(a淀析出的α′相(b界上析出的M7C3碳化物RPV钢中的StressCleavagecrackingathigh

Radiationdamagecrystallatticedefects

Clusterobstaclesto

EmbrittlementduetocopperprecipitateafterFigurereproducedfromG.R.OdetteandG.E.Lucas,JOM,53(7)18

Precipitatesof-inA710 不锈钢在723K3da时在晶界上r形成贫化区;导致：耐腐蚀性能下降。S.Watanabeetal.JournalofMaterials283-287(2000)152-

不同辐照条件后不锈钢在288oC水中慢拉伸至断裂后样上的总裂纹长度，或沿晶裂纹百分比J.T.Busbyetal./JournalofNuclear302(2002)From:JTBusbyG.S.WasandEAKenikJournalofNuclearMaterials3021):20-40,2002.辐照辐照后屈服强度升高、塑性降辐照脆辐照脆辐照辐照诱导的蠕生辐照辐照诱导应力松韧性降低，屈服强度升高，出现屈

质子辐 中子辐中子辐质子辐G.V.中子辐质子辐B.N.Singhetal,J.Nucl.Mat.224,131

M.A.MeyersandK.K.Chawla,MechaniMetallurgy:PrinciplesandM.Victoriaetal,ProceedingsoftheInt.WorkshoponDifferencesinIrradiationEffectsBetweenFCC,BCC,andHCPMetalsandAlloys.Austurias,Spain276,11410B＋1n→7Li4He产量高，少量B易偏析于晶界，危58Ni＋1n→59Ni+γ；59Ni＋1n→56Fe+Ni在不锈钢中含量多，一直会有发氦属于惰性气体，不能固溶于金属氦容易在空位、位错、晶界等处聚集，长大形成PWR环境辐照形成约为1nm尺寸的He气泡，密度达气泡导致材料发生肿氦气泡在基体和晶界上的聚集，造成材料的弱基体内的氦以间隙原子形式存在，造成晶格畸变，材料:HFIR:HighFluxIsotopeReactor，高通量同位素生产堆EBR-IIExperimentalBreederReactor-II，实验增殖堆IIFFTF:FastFluxTestFacility，快中子高通量实验装置JohnPaulFoster,DouglasL.Porter,D.L.Harrod,T.R.Mager,andM.G.Burke.316steelcavityswellinginaPWR.JournalofNuclearMaterials224(3):207-215,的偏析，晶界处Cr贫S溶解到溶液中的S离子向富层迁移，并吸附到层附近SS力作用下融化，或非晶化，形成空洞，优先

S离S离S离

Ni,Si,PCS偏 高注量晶晶界附近Cr贫Ni和S从氧化膜中析大空大空当富S的层和颗粒被融化，S多面体束缚被破坏，S富S区可能无法被检测到，这取决于融化的程度和服役历史辐照损伤对不锈钢断裂韧性的影响(BWR环境奥氏体不锈钢经过288℃不同程度辐照后断裂性(J1C)的变

奥氏体不锈钢经289℃辐照后在超纯水环境应力蚀裂纹扩展速率的变PWR环境下不锈钢对IASCC敏感的S和C量范CorrosionCracking辐照助长的应力腐蚀开B和P环境下b348不锈钢对ASC敏感的S和含量范围随着辐照剂量的增加，有两种方式使不随着辐照剂量的增加，有两种方式使不锈钢基体中的Ni被贫化空洞肿胀增加时，Ni元素上坡扩散(Kirkendall效应)在空洞表面偏以上情况在低温下最容易发生，而在不同的反应堆环境温度下，以上情况在低温下最容易发生，而在不同的反应堆环境温度下，不钢发生的肿胀脆化是不同的，如316不锈钢管在400℃辐照到130dpa时会造成14%的肿胀，此时肿胀化非常严冷变形20％的316不锈钢在PWR环境下(300-400℃)辐照到100dpa，压水堆CW316SS中子测量管在辐照到35dpa时，肿胀量为轻水堆内部结构辐照损吊篮桶体:10dpa,T=300-330℃围板:80-100dpa,T=370