鐵素體-馬氏體鋼He效應(yīng)研究.pdf

1、反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料在反應(yīng)堆的強中子輻照場下由(n,α)反應(yīng)將產(chǎn)生大量 He元素，這些 He元素的存在最終將導(dǎo)致反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料發(fā)生腫脹、脆化等一系列性能惡化的He效應(yīng)。在眾多反應(yīng)堆候選結(jié)構(gòu)材料中，鐵素體/馬氏體（F/M）鋼因為具有較強的抗輻照腫脹性能、良好的導(dǎo)熱性能、較強的機械性能等優(yōu)點而備受關(guān)注。針對F/M鋼由He元素導(dǎo)致的腫脹、力學(xué)性能惡化等問題，本論文工作選擇商用F/M鋼T91以及新研制的低活化F/M鋼SIMP作為研究對象，結(jié)合多種測試

2、分析手段對其進行 He效應(yīng)評估對比工作同時也對提高 F/M鋼抗 He效應(yīng)能力的新方法進行了探索。
　　通過透射電子顯微鏡（TEM）觀察并對比了在系列注 He溫度下與系列注 He劑量下 SIMP、T91鋼內(nèi)部 He泡的形貌差異、分布狀態(tài)差異并分析了這些差異產(chǎn)生的因素，探討了 He泡形貌與尺寸的演化過程。發(fā)現(xiàn)在所實驗的300、450、550℃溫度點和1×1020、5×1020、1×1021ions/m2劑量點下材料內(nèi)部 He泡的穩(wěn)定形

3、狀都趨于長方體、正方體，并且都趨向于在位錯線、晶界、析出物表面等晶體缺陷處分布。在上述注入條件下，SIMP鋼內(nèi)部He的平均尺寸都小于T91鋼內(nèi)部He泡的平均尺寸，表明在同等注 He條件下 SIMP鋼具有更優(yōu)良的抑制 He泡長大的能力。通過掃描電子顯微鏡對兩種鋼在室溫（RT）、300、450、550℃的注 He溫度點與5×1021ions/m2的注 He劑量點下的表面形貌的觀察發(fā)現(xiàn)在所有的溫度點下，SIMP鋼表面都沒有出現(xiàn)鼓包與脫落現(xiàn)象，

4、而在較低溫度段下（RT、300℃）T91鋼表面出現(xiàn)了嚴(yán)重的鼓包與脫落現(xiàn)象。
　　為探索 F/M鋼晶粒細化到一定程度之后對 He泡形貌、分布的影響，為具有更高抗He效應(yīng)能力的細晶粒組織的鋼的發(fā)展提供參考價值，本論文通過對鐵素體/馬氏體鋼 T91進行表面納米化處理之后對其進行 He離子注入實驗，結(jié)合 TEM觀察分析其內(nèi)部 He泡形貌、分布特點。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，T91在經(jīng)過表面納米化處理之后，在距離表面500nm左右的區(qū)域，原來的粗晶粒鐵素體

5、/馬氏體結(jié)構(gòu)消失，呈現(xiàn)出寬度為20-50nm左右的馬氏體板條結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)大大增加了板條界面的密度，為He的吸收提供了更多的沉降中心。然而TEM結(jié)果卻顯示He泡幾乎都分布在板條界面處，并且 He泡在界面處相互接觸連接充滿了板條界面形成了片狀結(jié)構(gòu)， 晶粒內(nèi)部幾乎不能找到He泡。He泡的這種分布形式將十分容易導(dǎo)致材料發(fā)生沿晶斷裂，對于材料的抗 He脆效應(yīng)將是十分有害的。通過分析，我們認為在研制具有更高抗 He效應(yīng)的材料時，不

6、是晶粒越細越好，晶粒尺寸應(yīng)當(dāng)大于 He泡在其中布朗運動的平均自由程。而且為了防止 He泡在某一類型的缺陷結(jié)構(gòu)處過度地聚集，在材料中應(yīng)當(dāng)引入種類不同的具有吸收 He原子能力的缺陷，如金屬氧化物顆粒（Y2O3）等。
　　為了探究輻照場下引起 SIMP鋼硬化的因素，我們對在不同注 He條件下的SIMP鋼進行了納米壓痕測試，分析了在不同注 He條件下材料的硬度值的變化情況。同時通過 TEM對試樣內(nèi)部的缺陷密度、尺寸做了統(tǒng)計，結(jié)合 DBH模