第2讲 核材料的辐照损伤(一).ppt

1,材料成分、组织结构与性能的关系,材料成分,组织结构,使役性能,工艺,各组成元素含量,冶炼、锻造、焊接、热处理、表面处理、形变、等等,结合键、晶体结构、组织、内部缺陷,机械:强度、韧性等物理:导热、导电等化学:耐腐、相容性,2,金属材料的组织,组织是指用金相观察方法观察材料内部时看到的涉及晶体或晶粒大小、方向、形状排列状况等组成关系的组成物。,20钢退火态组织照片,304不锈钢SEM照片,变形304钢TEM照片,AFM/MFM图像,扫描隧道显微镜C原子排列,3,亚晶结构,1.变形后的石英晶体中的亚晶结构,2.挤出后经450oC退火后纯铝中的亚晶结构,3.挤出后纯铝中被拉长的晶粒和亚晶结构,4,孪晶结构,1.70%Cu-30%Zn合金孪晶结构,2.奥氏体不锈钢的孪晶结构,3.奥氏体不锈钢的孪晶结构,5,位错结构,1.TEM下观察到316L不锈钢(00Cr17Ni14Mo2)的位错线与位错缠结,2.马氏体钢固溶处理后急冷残余奥氏体中的位错,011,g,200 nm,3.Fe-40at%Al(B2)单晶体室温变形后的位错结构。塑性应变e=13%,位错密度 r=2.41010 cm-2.,镍中的位错,6,共析钢-珠光体,球化珠光体,低碳钢-珠光体,1.4%carbon steel,铁素体 Ferrite,碳钢组织,7,白口铸铁,8,灰口铸铁,9,球墨铸铁,马氏体,含部分残余奥氏体的马氏体,Fe-30Ni-0.31C钢的马氏体,以德国科学家Adolph Martens命名的一种钢的淬火硬化相。一般认为马氏体是指钢被快速从高温奥氏体区中淬火得到的碳在Fe中的过饱和固溶体，C原子嵌入体心立方晶格的间隙，使晶格畸变为四方结构。,针状马氏体,板条马氏体,贝氏体组织,Fe-0.43C-2Si-3Mn钢部分转变形成的上贝氏体组织(a)光学显微照片(b,c)明场和暗场像(d)羽毛状组织,(a)光学显微照片(b)TEM照片普通碳钢的下贝氏体组织,钢经过淬火+高温回火处理后，可以得到贝氏体组织，分上贝氏体和下贝氏体，上贝氏体组织粗大，脆性大；下贝氏体组织精细，亚结构为位错型，因此强度高、塑性和韧性好。,锆合金的微观组织,Representative dislocation features observed in(a)n=3 and(b)n=7 deformation regimes(SB sub-boundaries).,(a)Recrystallized grain structure of a Zr1Sn1Nb0.2Fe alloy showing a-Zr grains with b-Zr phases as boundary phases.(b)Dislocation structures in the same alloy.,I.Charit and K.L.Murty.Creep behavior of niobium-modified zirconium alloys.Journal of Nuclear Materials 374(3):354-363,2008.,镍基合金的微观结构碳化物析出,A类，碳化物在晶界析出,B类，重结晶后，碳化物在原始晶界网状析出,B类，重结晶后，碳化物在晶内和原始晶界网状析出,材料的晶体性质,晶体,非晶体,构成晶体的原子、分子或原子集团在空间是按一定的几何规律规则排列的，因而晶体具有一定的熔点，且具有各向异性的特点。绝大多数的工程材料，如金属及其合金、陶瓷等，天然的岩石、矿物都是晶体。,非晶体中的质点是无规排列的，如多数的玻璃和聚合物。,金属、陶瓷材料绝大部分具有晶体结构,纯铁的显微组织,晶界、晶粒、取向,晶体原子排列,空间点阵、晶格,晶胞,纯铁金属的晶体结构,7个晶系14种布拉菲点阵,abcabg90,晶胞,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。,实际金属晶体中的缺陷,点缺陷线缺陷面缺陷,金属材料的强化(硬化)机理,固溶强化,细晶强化,沉淀强化/第二相强化,相变强化,位错塞积,形变强化：SKn,粒子辐照引起的材料硬化和脆化,晶格内形成缺陷空位位错环沉淀硬化沉淀析出第二相粒子成分偏析嬗变生成的气体形成孔洞或气泡，或在晶界聚集合金成分改变,辐照与固体物质之间的交互作用,辐照入射粒子包括下列三种:中性粒子:中子,gamma 射线(光子)带电粒子:粒子(He核)、质子、电子高能原子、离子:裂变产物、一次碰撞反冲原子、加速的离子固体物质(靶):相对于入射粒子的能量，固体物质(靶)可看作是相对静止的原子，靶原子核具有质量，电子具有keV的能量入射粒子与固体之间的交互作用取决于入射粒子的带电荷数入射粒子的速率入射粒子与原子的原子核和核外电子之间的作用是相对独立的交互作用用散射截面来衡量,为什么要关心辐照效应,辐照损伤是裂变、聚变反应堆、加速器等核系统中面向粒子辐照材料的主要老化原因？虽然辐照产生的缺陷尺寸非常小，但使材料在宏观上表现出的力学性能、化学性能和使用寿命等方面都有较大变化辐照损伤的原理非常复杂，材料晶体结构、其中的某些元素、组织状态、辐照的温度等因素都对辐照效应产生影响辐照使金属材料内部产生大量空位、位错、空洞、元素偏析(沉淀)等，对于金属材料宏观上表现为体积肿胀、屈服强度升高、韧性下降；对于高分子材料，会引起长分子链断裂，使材料失去弹性、开裂、发生脆化。研究辐照损伤的目的：理解损伤机理、预测辐照对材料性能的影响、开发新型耐辐照材料,辐照损伤效应：原因和结果,原因原子离位嬗变损伤(尤其是He和H)热效应、应力和成分偏析。辐照结果尺寸不稳定性：肿胀伸长低塑性和蠕变失效时间低的断裂韧性更高的环境促进开裂,水冷堆构件辐照损伤程度,dpa是一个衡量材料辐照损伤程度的一种方法，它表示晶格上的原子被粒子轰击离开原始位置的次数与晶格上的原子数量之比。例如，10dpa表示材料中每个原子被平均离开原始位置10次。快中子辐照会使材料发生脆化。辐照脆化是由材料内钉扎位错移动的障碍密度的增加而引起的，这些位错移动障碍包括Frank位错环、空位、间隙原子、位错以及第二相沉淀(如富Cu的原子团等)，它们使材料的延性大大降低。,不同堆型堆芯材料辐照损伤程度,辐照对金属晶体的损伤,SS内的位错环和偏析,(1)辐照形成位错、空位陷(2)中子辐照后嬗变，释放He气如10B(n,)，58Ni(n,)59Ni(n,)反应、56Fe(n,)，基体形成空洞造成的肿胀、发生脆化；(3)微观成分变化：在晶界附近形成成分偏析(4)相变,晶界气泡,损伤过程,Step 1-高能入射粒子与晶格上的原子发生交互作用Step 2-入射粒子将动能传递给被撞原子Step 3-使被撞原子离开晶格阵点，成为主撞原子(PKA-“Primary Knock-on Atom”)Step 4-PKA继续撞击其它原子Step 5-形成原子离位峰(级联碰撞-displacement cascade)Step 6-级联碰撞停止，留下空位(vacancy)和间隙原子(interstitial)，以及空位和间隙原子的团簇(cluster),辐照缺陷,316不锈钢被辐照到2dpa形成的位错环,空位,不锈钢氦脆化,氦的生成：10B1n 7Li+4He:产量高，少量B易偏析于晶界，危害大58Ni1n 59Ni+；59Ni1n 56Fe+4He Ni在不锈钢中含量多，一直会有发生氦在材料内部的聚集形成气泡氦属于惰性气体，不能固溶于金属基体氦容易在空位、位错、晶界等处聚集，长大形成气泡PWR环境辐照形成约为1nm尺寸的He气泡，密度达61023/m3气泡导致材料发生肿胀氦脆氦气泡在基体和晶界上的聚集，造成材料的弱化基体内的氦以间隙原子形式存在，造成晶格畸变，材料变脆,不同中子能谱反应堆产氦量,John Paul Foster,Douglas L.Porter,D.L.Harrod,T.R.Mager,and M.G.Burke.316 stainless steel cavity swelling in a PWR.Journal of Nuclear Materials 224(3):207-215,1995.,PWR:Pressurized Water ReactorHFIR:High Flux Isotope ReactorEBR-II:Experimental Breeder Reactor-IIFFTF:Fast Flux Test Facility,材料经过辐照后力学性能变化趋势,韧性降低，屈服强度升高，出现屈服点,G.V.Muller et al,J.Nucl.Mat.212-215,pt.B,1283(1994),BCC,质子辐照,中子辐照,HCP,FCC,FCC,中子辐照,质子辐照,M.A.Meyers and K.K.Chawla,Mechanical Metallurgy:Principles and Applications,B.N.Singh et al,J.Nucl.Mat.224,131(1995).,M.Victoria et al,Proceedings of the 1998 Int.Workshop on Differences in Irradiation Effects Between FCC,BCC,and HCP Metals and Alloys.Austurias,Spain 276,114(2000),奥氏体不锈钢辐照后的耐腐蚀性能变化,中子注量对材料的机械性能的影响,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韧性(J1C)的变化,奥氏体不锈钢经289辐照后在超纯水环境应力腐蚀裂纹扩展速率的变化,From:http:/www.ne.anl.gov/capabilities/cmm/highlights/ssc_austenic_ss.html,不锈钢辐照肿胀-脆化的微观机制,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：辐照诱起的第二相沉淀(如和G相)将大量的Ni和Si从基体中剥夺，基体中Ni含量的降低导致空洞肿胀的增加；空洞肿胀增加时，Ni元素上坡扩散(Kirkendall效应)在空洞表面偏析基体中Ni的贫化导致的材料性能变化：降低了层错能，而低层错能会使材料在发生变形时，容易导致形变马氏体转变(马氏体)。断裂会发生在奥氏体与马氏体相界面处，剪切模量几乎变为0；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，不锈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，此时肿胀脆化非常严重冷变形20的316不锈钢在PWR环境下(300-400)辐照到100dpa，预计肿胀量可能低于3(曾认为可能达10，需更多的数据确认)压水堆CW316SS中子测量管在辐照到35dpa时，肿胀量为0.03%,基体中S和C含量与IASCC敏感性,PWR环境下不锈钢对IASCC敏感的S和C含量范围,BWR和PWR环境下，Nb稳定的348不锈钢对IASCC敏感的S和C含量范围,不锈钢辐照助长应力腐蚀开裂模型,在辐照到高dpa后，晶界出现Ni,Si,P,C,S的偏析，晶界处Cr贫化,Ni,Si,P,C,S偏析,高注量晶界,晶界附近Cr贫化,在高温水环境下，S以离子形式释放到水中，O在辐照和拉应力影响下沿GB快速迁移，形成Fe-Cr尖晶石结构氧化物，而Ni保持金属态,O快速迁移，晶界氧化,Ni不氧化，为金属态,S离子,Ni和S从氧化膜中析出,以薄膜或岛状形式存在,S离子,S离子向富Ni层迁移,Ni和S以薄膜或颗粒状从晶界氧化膜中析出，溶解到溶液中的S离子向富Ni层迁移，并吸附到Ni层附近,小空洞,大空泡,S离子,在高S含量时，富S的Ni层和颗粒在辐照和应力作用下融化，或非晶化，形成空洞，优先在氧化膜/金属界面和尖端分布,当富S的Ni层和颗粒被融化，Ni-S多面体束缚被破坏，S重新扩散回金属基体。这样，当从反应堆中取出时，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,