D01:10.133741.ism1001053x.2009.07.043 第31卷第7期 北京科技大学学报 Vol.31 No.7 2009年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing JuL 2009 450C高能电子辐照对CLAM钢微观结构的影响 乔建生)黄依娜肖鑫)万发荣1,2 1)北京科技大学材料科学与工程学院.北京1000832)北京新能源材料与技术重点实验室，北京100083 摘要为了研究低活化马氏体CLAM钢的抗辐照肿胀性能，在450℃下对CLAM钢进行大剂量高能电子辐照的原位动态 实验.利用超高压透射电子显微镜观察发现，CLAM钢中产生了大量的间隙原子型位错环和多面体形状的辐照空洞.分析了 它们的形核和长大规律以及相关机制.计算表明，CLAM钢在高能电子辐照下的最大肿胀率为0.26%，具有较好的抗辐照肿 胀性能. 关键词结构材料：CLAM钢；核聚变：辐照损伤：空洞；位错环 分类号TG142.24TL61+3 Microstructural evolution of CLAM steel upon high energy electron irradiation at 450℃ QIAO Jian-sheng.HUANG Yi-na).XIAO Xin.WAN Fa-rong2) 1)School of Materials Science and Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 2)Beijing Key Lab of Advanced Energy Materials and Technology.Bijng 100083.China ABSTRACT To research the resistance of China low activation martensitic (CLAM)steel to irradiation swelling,the microstructure of CLAM steel irradiated by high energy elections at 450 C was in-situ observed on a high voltage electron microscope.The results in dicate that a lot of voids and dislocation loops form by irradiation.The dependence of the amount and size of these damages on the ir- radiation dose are evalated and discussed.The irradiation swelling is about Q 26%and thus CLA M steel is considered as a material w ith high resistance to swelling. KEY WORDS structure materials CLAM steek nudear fusion:irradiation damage:voids;dislocation loops 应用于核聚变反应堆第1壁/包层的结构材 中子辐照的效应.通过观察辐照前后材料的微观结 料一低活化铁素体/马氏体钢RAFM(reduced ac- 构的变化，测量分析辐照前后材料的力学性能等方 tivation ferritic and martensitic steel[习的抗辐照损 法，研究RAFM钢的抗辐照损伤性能. 伤性能直接影响反应堆的正常运转与安全.由于目 高温、高通量、强中子辐照协同嬗变的氦、氢和 前缺少强流的14MeV中子源，只能采用一系列的 杂质元素的作用将会对结构材料产生显著的影响. 辐照模拟实验和相应的理论分析方法，推断其在聚 各类裂变堆和聚变堆具有各自不同的中子能谱，即 变堆环境中的抗辐照性能，以适应核聚变堆材料研 使在同一个反应堆中，不同位置也有不同的能谱，也 究的发展需要.目前国际上采用了高能电子辐 就是说堆内不同位置的材料运行在不同的中子能 照到、离子辐照9、中子辐照)和等离子体辐照4 谱、不同的通量和不同的温度下，它们的辐照行为也 等各种辐照技术对RAFM钢进行研究，鉴于各种辐 是有差别的：因此，在缺少强流的14MeV中子源的 照方法具有不同的特点？，可以利用这些特点分因 情况下，利用高能电子等各种辐照技术，合理控制实 素进行研究.然后综合分析，以获得相应于14MeV 验温度，辐照剂量和能谱，进行模拟实验研究是可行 收稿日期：200807-05 基金项目：国家自然科学基金资助项目(No.50771017):国家重点基础研究发展计划基金资助项目(No.20071D102) 作者简介：乔建生(1965一)，男.博士研究生：万发荣(1955一)，男.教授，博士生导师，E-mail wanfr(@mater..sth.edu.cm
450 ℃高能电子辐照对 CLAM 钢微观结构的影响 乔建生1) 黄依娜1) 肖 鑫1) 万发荣1, 2) 1) 北京科技大学材料科学与工程学院, 北京 100083 2) 北京新能源材料与技术重点实验室, 北京 100083 摘 要 为了研究低活化马氏体 CLAM 钢的抗辐照肿胀性能, 在 450 ℃下对 CLAM 钢进行大剂量高能电子辐照的原位动态 实验.利用超高压透射电子显微镜观察发现, CLAM 钢中产生了大量的间隙原子型位错环和多面体形状的辐照空洞.分析了 它们的形核和长大规律以及相关机制.计算表明, CLAM 钢在高能电子辐照下的最大肿胀率为 0.26%, 具有较好的抗辐照肿 胀性能. 关键词 结构材料;CLAM 钢;核聚变;辐照损伤;空洞;位错环 分类号 TG142.24;TL 61 +3 Microstructural evolution of CLAM steel upon high energy electron irradiation at 450 ℃ QIAO Jian-sheng 1) , HUANG Yi-na 1) , XIAO Xin 1) , WAN Fa-rong 1, 2) 1) School of Mat erials Science and Engineering, University of S cience and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Beijing Key Lab of Advanced Energy Mat erials and Technology, Beijing 100083, China ABSTRACT To research the resistance of China low activation martensitic ( CLAM) steel to irradiation swelling, the microstructure of CLAM steel irradiated by hig h energy electio ns at 450 ℃was in-situ observ ed on a high voltage electron microscope.The results indicate that a lo t of voids and dislocation loops form by irradiation .The dependence of the amount and size of these damag es on the irradiation dose are evaluated and discussed.The irradiation swelling is about 0.26 % and thus CLAM steel is co nsidered as a material w ith high resistance to swelling . KEY WORDS structure materials;CLAM steel;nuclear fusion;irradiation damage;voids ;dislocation loops 收稿日期:2008-07-05 基金项目:国家自然科学基金资助项目( No .50771017) ;国家重点基础研究发展计划基金资助项目( No .2007ID102) 作者简介:乔建生( 1965—) , 男, 博士研究生;万发荣( 1955—) , 男, 教授, 博士生导师, E-mail:w anfr@mater .ustb.edu.cn 应用于核聚变反应堆第 1 壁/包层的结构材 料———低活化铁素体/马氏体钢 RAFM ( reduced activation ferritic and martensitic steel) [ 1-2] 的抗辐照损 伤性能直接影响反应堆的正常运转与安全.由于目 前缺少强流的 14 MeV 中子源, 只能采用一系列的 辐照模拟实验和相应的理论分析方法, 推断其在聚 变堆环境中的抗辐照性能, 以适应核聚变堆材料研 究的发展需要.目前国际上采用了高能电子辐 照[ 3] 、离子辐照[ 4] 、中子辐照[ 5] 和等离子体辐照[ 6] 等各种辐照技术对 RAFM 钢进行研究, 鉴于各种辐 照方法具有不同的特点 [ 7] , 可以利用这些特点分因 素进行研究, 然后综合分析, 以获得相应于 14 M eV 中子辐照的效应.通过观察辐照前后材料的微观结 构的变化, 测量分析辐照前后材料的力学性能等方 法, 研究 RAFM 钢的抗辐照损伤性能 . 高温 、高通量 、强中子辐照协同嬗变的氦、氢和 杂质元素的作用将会对结构材料产生显著的影响. 各类裂变堆和聚变堆具有各自不同的中子能谱, 即 使在同一个反应堆中, 不同位置也有不同的能谱, 也 就是说堆内不同位置的材料运行在不同的中子能 谱 、不同的通量和不同的温度下, 它们的辐照行为也 是有差别的;因此, 在缺少强流的 14 MeV 中子源的 情况下, 利用高能电子等各种辐照技术, 合理控制实 验温度 、辐照剂量和能谱, 进行模拟实验研究是可行 第 31 卷 第 7 期 2009 年 7 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol .31 No.7 Jul.2009 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2009.07.043
第7期 乔建生等：450C高能电子辐照对LAM钢微观结构的影响 ·843。 的及有实际意义的 表1CLAM钢的化学成分（质量分数） 高能电子辐照具有下列特点：①电子束的聚焦 Table 1 Chemical composition of CLAM steel % 产生非常高的电子强度，辐照损伤速率大于2× 合金 Cr W V Ta Mn C Fe l03dpa°sl(displacement per atom,dpa),几小时 CLAM 8.81.490200059068013余量 就可达几十dpa的辐照损伤量：②可以在不同时刻 (即不同dpa)对同一视场进行微观结构的观察，直 接了解微观结构的演化，包括空洞的长大、相结构的 变化，确定肿胀率与dpa的关系；③样品的靶室温度 可以调节，直接观察到不同温度下微观结构的演化. 对于大多数材料，能产生离位原子的电子能量的阈 值介于0.5~2MeV.高压电镜(high voltage elec- tron microscope,HVEM)的电压超过1O00kV,电子 能量足以使铁原子产生离位，能够对RAFM钢进行 204m 电子辐照和原位观察，观察辐照缺陷的变化，得到非 常直观的实验效果.高压电镜电子束的高密度导致 图I CLAM钢的显微组织 被辐照材料内部产生的空位、间隙原子的高浓度，它 Fig.I Microstructure of CLAM steel 们可以各自形核成为空位团（或空位型位错环）和间 10000r 隙原子位错环；间隙原子迁移速率很高，且迁移原子 与位错有长程相互作用，大部分间隙原子进入位错 和位错环，也就有大部分的空位进入空位团而形成 8000 4000 空洞，造成辐照肿胀.由于初级碰出原子(PKA)3 2000 的能量较低，不足以产生级联碰撞，辐照缺陷比较单 纯，实验结果的分析也比较简便， 020406080100120 28() 鉴于高能电子辐照的上述特点，本实验采用高 压电子显微镜对中国自行研制开发的低活化铁素体 图2CLAM钢的X射线衍射曲线 /马氏体钢(CLAM钢))进行高能电子辐照实验 Fig.2 XRD pattern of CLAM steel 研究和原位观察，研究高能电子辐照对CLAM钢微 厚的薄片，机械减薄至01mm以下，然后冲成直径 观结构、辐照肿胀的影响. 为3mm的圆片，再用电解双喷减薄的方法制成透 1样品制备和实验方法 射电镜(TEM)样品，双喷减薄液为5%的高氯酸乙 醇溶液，双喷减薄仪型号为上海交通大学生产的 为了研究CLAM钢的抗辐照损伤性能，选用的 MTP1A型，进行双喷减薄时的温度约为一40~ CLAM钢的化学成分如表1所示.从表1可以看 一30℃，工作电压约为60V.高能电子辐照实验在 出，与传统铁素体/马氏体钢相比较，CLAM钢中用 日本北海道大学工学部进行，所采用的电镜型号为 W、Ta和V替代了传统铁素体/马氏体钢中的Ni、 JEM-ARM1300,辐照温度为450℃，加速电压为 Nb和Mo,使得CLAM钢在经过一定时间的中子辐 1250kV,电子束流强度为1.2nA,辐照损伤速率为 照后放射性主要来源于短寿命或中等寿命的放射性 2X103dpas1,辐照时间最长为2.5h,原位观察 核素，即具有低活化特性，这有利于反应堆构件的维 CLAM钢在高能电子辐照下的微观结构的变化. 修、核废料的处理与回收利用.CLAM钢经过在 采用欠焦成像条件10，可以方便地观察到比较 950℃保温0.5h淬火，然后在760℃保温1.5h回 鲜明的空洞的衬度，并拍照TEM照片.测量这些空 火的热处理而具有较好的综合力学性能.其微观结 洞的尺寸，计算出辐照肿胀率.为了计算方便，将多 构和X射线衍射分析如图1、图2所示.CLAM钢 面体结构的空洞统一近似按球体计算，测定空洞的 的微观结构为回火马氏体组织，可以看到马氏体板 直径d:,根据下式可以计算出辐照肿胀量： 条结构（图1），同时有铁素体和微小析出碳化物存 在：X射线衍射分析如图2所示，CLAM钢呈a相. s=￥=6品n∑ (1) 将经过热处理的样品用钼丝线切割成0.5mm 式中，y为所测量的视场的面积，nm2;t为所观察
的及有实际意义的. 高能电子辐照具有下列特点:①电子束的聚焦 产生非常高的电子强度, 辐照损伤速率大于 2 × 10 -3 dpa·s -1 ( displacement per atom, dpa) , 几小时 就可达几十 dpa 的辐照损伤量;②可以在不同时刻 ( 即不同 dpa) 对同一视场进行微观结构的观察, 直 接了解微观结构的演化, 包括空洞的长大、相结构的 变化, 确定肿胀率与 dpa 的关系;③样品的靶室温度 可以调节, 直接观察到不同温度下微观结构的演化 . 对于大多数材料, 能产生离位原子的电子能量的阈 值介于 0.5 ～ 2 M eV .高压电镜( high voltage electron microscope, HVEM ) 的电压超过 1 000 kV, 电子 能量足以使铁原子产生离位, 能够对 RAFM 钢进行 电子辐照和原位观察, 观察辐照缺陷的变化, 得到非 常直观的实验效果.高压电镜电子束的高密度导致 被辐照材料内部产生的空位、间隙原子的高浓度, 它 们可以各自形核成为空位团( 或空位型位错环) 和间 隙原子位错环;间隙原子迁移速率很高, 且迁移原子 与位错有长程相互作用, 大部分间隙原子进入位错 和位错环, 也就有大部分的空位进入空位团而形成 空洞, 造成辐照肿胀 .由于初级碰出原子( PKA) [ 3] 的能量较低, 不足以产生级联碰撞, 辐照缺陷比较单 纯, 实验结果的分析也比较简便. 鉴于高能电子辐照的上述特点, 本实验采用高 压电子显微镜对中国自行研制开发的低活化铁素体 /马氏体钢( CLAM 钢 [ 8-9] ) 进行高能电子辐照实验 研究和原位观察, 研究高能电子辐照对 CLAM 钢微 观结构、辐照肿胀的影响 . 1 样品制备和实验方法 为了研究 CLAM 钢的抗辐照损伤性能, 选用的 C LAM 钢的化学成分如表 1 所示 .从表 1 可以看 出, 与传统铁素体/马氏体钢相比较, CLAM 钢中用 W 、Ta 和 V 替代了传统铁素体/马氏体钢中的 Ni 、 Nb 和 M o, 使得 CLAM 钢在经过一定时间的中子辐 照后放射性主要来源于短寿命或中等寿命的放射性 核素, 即具有低活化特性, 这有利于反应堆构件的维 修、核废料的处理与回收利用.CLAM 钢经过在 950 ℃保温 0.5 h 淬火, 然后在 760 ℃保温 1.5 h 回 火的热处理而具有较好的综合力学性能 .其微观结 构和 X 射线衍射分析如图 1 、图 2 所示.C LAM 钢 的微观结构为回火马氏体组织, 可以看到马氏体板 条结构( 图 1) , 同时有铁素体和微小析出碳化物存 在;X 射线衍射分析如图 2 所示, C LAM 钢呈α相. 将经过热处理的样品用钼丝线切割成 0.5 mm 表 1 C LAM 钢的化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of CLAM steel % 合金 Cr W V Ta Mn C Fe C LAM 8.8 1.49 0.20 0.059 0.68 0.13 余量 图 1 CLAM 钢的显微组织 Fig.1 Microstructu re of CLAM steel 图 2 C LAM 钢的 X 射线衍射曲线 Fig.2 XRD pattern of CLAM st eel 厚的薄片, 机械减薄至 0.1 mm 以下, 然后冲成直径 为 3 mm 的圆片, 再用电解双喷减薄的方法制成透 射电镜( TEM ) 样品, 双喷减薄液为 5 %的高氯酸乙 醇溶液, 双喷减薄仪型号为上海交通大学生产的 M TP-1A 型, 进行双喷减薄时的温度约为 -40 ～ -30 ℃, 工作电压约为 60 V .高能电子辐照实验在 日本北海道大学工学部进行, 所采用的电镜型号为 JEM-ARM 1300, 辐照温度为 450 ℃, 加速电压为 1 250 kV, 电子束流强度为 1.2 nA, 辐照损伤速率为 2 ×10 -3 dpa·s -1 , 辐照时间最长为 2.5 h, 原位观察 CLAM 钢在高能电子辐照下的微观结构的变化 . 采用欠焦成像条件[ 10] , 可以方便地观察到比较 鲜明的空洞的衬度, 并拍照 TEM 照片 .测量这些空 洞的尺寸, 计算出辐照肿胀率.为了计算方便, 将多 面体结构的空洞统一近似按球体计算, 测定空洞的 直径 di , 根据下式可以计算出辐照肿胀量 : S = ΔV V = π 6 xyt · ∑ d 3 i ( 1) 式中, xy 为所测量的视场的面积, nm 2 ;t 为所观察 第 7 期 乔建生等:450 ℃高能电子辐照对 CLAM 钢微观结构的影响 · 843 ·
。844 北京科技大学学报 第31卷 视场的薄膜厚度，nm.用等厚度条纹测量观察视场 结构.从中可以看出，钢中存在一定数量的均匀分 的薄膜厚度，本实验中所选辐照区域的厚度约为 布的位错环，位错环的平均直径为13nm.伴随着辐 500m,这个区域属于薄膜状态，表面效应会对实验 照损伤量的增加，位错环不断长大，位错环的密度也 结果产生一定的影响：但是由于核聚变反应堆结构 在增加，当辐照损伤量达到1l.5dpa时（图3(d), 材料的辐照实验都属于模拟实验，高能电子辐照实 位错环最大，继续增加辐照损伤量，最大位错环的大 验都面临同样的问题，因而实验结果可以与其他 小基本保持不变；但位错环的数密度增加，比较小的 RAFM钢高能电子辐照的实验结果进行比较，具有 位错环继续长大.从图3中可以看到，当辐照损伤 实际意义.由于辐照空洞在材料中的分布是不均匀 量达到10dpa(图3(d)之前，位错环的数密度增加 的，为了得到材料的最大辐照肿胀率，以获得材料的 较慢，当辐照损伤量达到10dpa(图3(c)以后，位错 抗辐照肿胀性能，本实验中选取材料中空洞密度最 环的数密度迅速增加，以至于辐照损伤量达到13.2 大的区域计算辐照肿胀率， dpa(图3(e)以后，看到的位错环的分布密度很大： 由于在辐照过程中的每一时刻产生的间隙原子的数 2辐照对LAM钢微观结构的影响 量是一定的，这将产生“位错环直径增长较快时其数 图3是CLAM钢在450℃电子辐照时的微观 密度增长较慢、位错环直径增长较慢时其数密度增 结构的变化情况.图3()是刚刚开始辐照时的微观 长较快”的结果 ⑥ 200nm 图3CLAM钢在450℃电子辐照时的微观结构变化.(a)0dp(b)3.6dps(10中a:(d1L.5中a:(c)132dp()13.8dpe Fig 3 Micmstructures of CLAM steel irradiated by high energy eectrons at 450 C:(a)Odpa:(b)3.6dpa (c)10dpa (d 11.5dpa;(e)13.2 dpa:(f)13.8dpa
视场的薄膜厚度, nm .用等厚度条纹测量观察视场 的薄膜厚度, 本实验中所选辐照区域的厚度约为 500 nm, 这个区域属于薄膜状态, 表面效应会对实验 结果产生一定的影响;但是由于核聚变反应堆结构 材料的辐照实验都属于模拟实验, 高能电子辐照实 验都面临同样的问题, 因而实验结果可以与其他 RAFM 钢高能电子辐照的实验结果进行比较, 具有 实际意义 .由于辐照空洞在材料中的分布是不均匀 的, 为了得到材料的最大辐照肿胀率, 以获得材料的 抗辐照肿胀性能, 本实验中选取材料中空洞密度最 大的区域计算辐照肿胀率 . 图 3 CLAM 钢在 450 ℃电子辐照时的微观结构变化.( a) 0 dpa;( b) 3.6 dpa;( c) 10 dpa ;( d) 11.5 dpa ;( e) 13.2 dpa;( f) 13.8 dpa Fig.3 Microstructures of CLAM st eel irradi ated by high energy electrons at 450 ℃:( a) 0 dpa ;( b) 3.6 dpa;( c) 10 dpa;( d) 11.5dpa ;( e) 13.2 dpa;( f) 13.8 dpa 2 辐照对 CLAM 钢微观结构的影响 图 3 是 CLAM 钢在 450 ℃电子辐照时的微观 结构的变化情况 .图 3( a) 是刚刚开始辐照时的微观 结构 .从中可以看出, 钢中存在一定数量的均匀分 布的位错环, 位错环的平均直径为 13 nm .伴随着辐 照损伤量的增加, 位错环不断长大, 位错环的密度也 在增加, 当辐照损伤量达到 11.5 dpa 时( 图 3( d) ) , 位错环最大, 继续增加辐照损伤量, 最大位错环的大 小基本保持不变;但位错环的数密度增加, 比较小的 位错环继续长大 .从图 3 中可以看到, 当辐照损伤 量达到 10 dpa( 图 3( c) ) 之前, 位错环的数密度增加 较慢, 当辐照损伤量达到 10 dpa( 图 3( c) ) 以后, 位错 环的数密度迅速增加, 以至于辐照损伤量达到 13.2 dpa( 图 3( e) ) 以后, 看到的位错环的分布密度很大; 由于在辐照过程中的每一时刻产生的间隙原子的数 量是一定的, 这将产生“位错环直径增长较快时其数 密度增长较慢 、位错环直径增长较慢时其数密度增 长较快”的结果. · 844 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷
第7期 乔建生等：450C高能电子辐照对LAM钢微观结构的影响 ·845· 材料中的位错环有空位型和间隙原子型两种 观察到空洞的存在，这时空洞的尺寸很小、数量有 透射电镜观察的“内衬外衬”实验方法习表明，在电 限，空洞的最大直径约为7nm,数密度为0.8X 子束辐照下，空位型位错环逐渐缩小以致最后消失， 1021m-3:当辐照损伤量达到3.6dpa(图4c)时， 间隙原子型位错环不断长大.图3中看到的位错环 空洞的尺寸明显长大，数量也在增加，空洞的最大直 在电子束辐照下，随辐照剂量的增加位错环不断长 径约为14nm,数密度约为26X1021m-3:在图4 大，是间隙原子型位错环.由于高能电子辐照产生 (c)中还可以看到有新的空洞产生：继续增加辐照剂 等量的空位和间隙原子，间隙原子聚集在一起形成 量，空洞的数量和直径都继续增加，当辐照损伤量达 近似圆形的盘片，盘片附近的原子塌陷下来这样间 到10dpa(图4d山)时，可以看到空洞的数量较多，最 隙原子聚集成为位错环，伴随着辐照过程的进行， 大空洞的直径已经达到21nm,而后最大空洞尺寸 材料中产生大量的空位和间隙原子，这些间隙原子 一直保持在22nm左右. 有可能聚集为新的、小的位错环；也有可能被己经存 辐照产生空洞包括形核和长大两个阶段.在高 在的间隙原子位错环吸收而使位错环长大；这是图 能电子的辐照下，晶体中的部分原子发生跃迁，脱离 3所示的随辐照损伤量增加，位错环直径长大和数 原来的晶格点阵位置，成为间隙原子，并留下一个空 密度增加的原因. 位，当空位浓度达到过饱和时，就会沿三维方向聚集 图4是CLAM钢在450℃进行电子辐照时辐 在一起形成辐照空洞的核心.随辐照剂量的增加， 照空洞的变化过程.从图4中可以看到，随着辐照 空位聚集的数量增多，空洞的尺寸增大；当超过一定 损伤量的增加，产生的空洞越来越多，并且尺寸也越 辐照剂量后，在较大的空洞周围的空位数量变少，较 来越大.辐照损伤量达到1.4dpa(图4(b)时，开始 大空洞继续长大要通过空位的远程迁移实现：空位 b 200m 图4CLAM钢在450℃电子辐照时辐照空洞的变化.(a)0dp(b)1.4dpa(c)36dpm(d10dps(e1l.5dp()13.2dps(g)13.8dps (h)15.6dpa Fig 4 Voids of CLAM steel iradiated by high energy ekctron at 450 C:(a)0dpa;(b)1.4dpa;(c)3.6dpa;(d)10dpa:(e)11.5dpa;(f)13.2dpa (g)13.8dpw(h)15.6dpa
材料中的位错环有空位型和间隙原子型两种 . 透射电镜观察的“内衬外衬”实验方法[ 3] 表明, 在电 子束辐照下, 空位型位错环逐渐缩小以致最后消失, 间隙原子型位错环不断长大.图 3 中看到的位错环 在电子束辐照下, 随辐照剂量的增加位错环不断长 大, 是间隙原子型位错环 .由于高能电子辐照产生 等量的空位和间隙原子, 间隙原子聚集在一起形成 近似圆形的盘片, 盘片附近的原子塌陷下来, 这样间 隙原子聚集成为位错环.伴随着辐照过程的进行, 材料中产生大量的空位和间隙原子, 这些间隙原子 有可能聚集为新的、小的位错环;也有可能被已经存 在的间隙原子位错环吸收而使位错环长大;这是图 3 所示的随辐照损伤量增加, 位错环直径长大和数 密度增加的原因 . 图 4 CLAM 钢在 450 ℃电子辐照时辐照空洞的变化.( a) 0 dpa;(b ) 1.4 dpa;( c) 3.6 dpa;( d) 10 dpa;( e) 11.5 dpa;( f) 13.2 dpa;( g) 13.8 dpa; ( h) 15.6 dpa Fig.4 Voids of CLAM steel irradiated by high energy electron at 450 ℃:( a) 0 dpa ;( b) 1.4 dpa ;( c) 3.6 dpa ;( d) 10 dpa ;( e) 11.5 dpa ;( f) 13.2 dpa; ( g) 13.8 dpa;( h) 15.6 dpa 图 4 是 CLAM 钢在 450 ℃进行电子辐照时辐 照空洞的变化过程.从图 4 中可以看到, 随着辐照 损伤量的增加, 产生的空洞越来越多, 并且尺寸也越 来越大.辐照损伤量达到 1.4 dpa( 图 4( b) ) 时, 开始 观察到空洞的存在, 这时空洞的尺寸很小 、数量有 限,空洞的最大直径约为 7 nm, 数密度为 0.8 × 10 21 m -3 ;当辐照损伤量达到 3.6 dpa( 图 4( c) ) 时, 空洞的尺寸明显长大, 数量也在增加, 空洞的最大直 径约为 14 nm, 数密度约为 2.6 ×10 21 m -3 ;在图 4 ( c) 中还可以看到有新的空洞产生;继续增加辐照剂 量, 空洞的数量和直径都继续增加, 当辐照损伤量达 到 10 dpa( 图 4( d) ) 时, 可以看到空洞的数量较多, 最 大空洞的直径已经达到 21 nm, 而后最大空洞尺寸 一直保持在 22 nm 左右 . 辐照产生空洞包括形核和长大两个阶段 .在高 能电子的辐照下, 晶体中的部分原子发生跃迁, 脱离 原来的晶格点阵位置, 成为间隙原子, 并留下一个空 位, 当空位浓度达到过饱和时, 就会沿三维方向聚集 在一起形成辐照空洞的核心 .随辐照剂量的增加, 空位聚集的数量增多, 空洞的尺寸增大;当超过一定 辐照剂量后, 在较大的空洞周围的空位数量变少, 较 大空洞继续长大要通过空位的远程迁移实现 ;空位 第 7 期 乔建生等:450 ℃高能电子辐照对 CLAM 钢微观结构的影响 · 845 ·
。846 北京科技大学学报 第31卷 进行远程迁移时，会遇到尺寸较小的空洞，远程迁移 经过13.8dpa辐照后，空洞的平均直径降低到约 的空位优先聚集在尺寸较小的空洞处，促使其长大， 5.4nm. 较小的空洞长大到一定尺寸后同样面临继续长大的 在高能电子辐照下，空洞要经历形核与长大两 困难.因此，空洞长大到一定尺寸后长大速率会明 个过程，随着辐照损伤量的增加，空洞的直径不断增 显放慢.另外，部分间隙原子会被吸引到空洞中，对 大直到饱和.造成上述空洞的平均直径先变大后变 空洞中的空位起到抵消作用.这两方面作用都抑制 小的原因是空洞的形核与长大随辐照损伤量的变化 了较大空洞长大 规律不同.辐照损伤量比较小时，随辐照损伤量的 从图4(f)、(g)和(h)可看出，空洞不是规则的 增加，空洞的形核速率比较小、长大速率比较快，因 圆球形.这是因为在形成晶体缺陷时，总是优先形 而空洞的平均直径变大，当辐照损伤量比较大时， 成能量较低的缺陷，对于辐照空洞，要使能量最低， 空洞的形核速率比较大，产生了大量的新的空洞，新 只能由表面能较低的低指数晶面组成空洞的内表 空洞的直径相对较小，而早期形核的空洞的直径己 面，因而不可能形成规则球形的空洞.文献[1]中 经达到最大或接近最大，这些空洞长大速率很慢或 提到，在进行双束（氢束和重离子束）和三束（氢束、 不再长大，由于这时存在大量细小的新的空洞，导致 氦束和重离子束)粒子辐照实验，模拟中子辐照发生 空洞平均直径减小.图6反映了这种情况，随着辐 核嬗变反应产生的氢和氦对辐照肿胀的影响时，被 照损伤量的增加.空洞的数密度持续增加，在经1.4 辐照的低活化铁素体/马氏体钢中产生了两种不同 d中a的辐照后空洞的数密度约为08×1021m3,当 形状的空洞：一种是圆球形的空洞，它们是由氢或氨 经过13.8dpa的辐照后空洞数密度达到约10.6× 聚集形成气泡而产生的：另一种是多面体形的空洞， 1021m-3. 它们是在高温进行辐照时，空位浓度达到过饱和后， 聚集在一起形成的三维晶体缺陷空洞，这些空洞满 10 足能量最低原则，由表面能较低的低指数晶面组成， 呈多面体形状.本实验采用高能电子辐照，不产生 6 氢和氦，只能产生多面体形状的晶体缺陷空洞 图5表示辐照空洞平均直径随辐照损伤量的变 化情况.为了提高计算结果的准确性，利用高倍放 0246810121416 辐照损伤量/dpa 大的照片分别统计不同直径的空洞的数目，以保证 空洞平均直径的误差小于2%.从图5中看出，空洞 图6空洞数密度随辐照损伤量的变化 的平均直径随着辐照损伤量的增加表现为先增大、 Fig.6 Number density of C LA M steel w ith different irradiations 后减小的变化趋势.在经过1.4dpa辐照后，CLAM 空洞是在三维方向形成的缺陷，伴随着辐照损 钢中产生的空洞的平均直径约为5.2nm:随着辐照 伤量的增加，空洞的数量不断增加、体积不断增大， 损伤量的增加，空洞平均直径变大，当辐照损伤量为 导致被辐照材料的宏观体积增大，发生辐照肿胀现 3.6dpa时，空洞平均直径约为5.3nm;经过10dpa 象.图7表示肿胀率随辐照损伤量的变化规律，可 辐照后空洞的平均直径达最大值，约5.6nm;在随 以看出肿胀率随辐照损伤量的增加而增大.经过 后的辐照剂量增加的过程中，空洞的平均直径变小， 1.4dpa辐照后的肿胀率非常小，只有约0.007%：当 5.60 经过3.6dpa辐照后，肿胀率增长速率变快：经过14 5.50 0.30 0.25 g5.40 0.20 5.30 8 5.20 0.05 0246810121416 0 辐照损伤量dpa 0246810121416 辐照损伤量dpa 图5空洞平均直径随辐照损伤量的变化 Fig.5 Mean void diameter of CLAM steel w ith different irmadia 图7辐照肿胀率随辐照损伤量的变化 tions Fig.7 Swelling of CLAM steel w ith different irradiations
进行远程迁移时, 会遇到尺寸较小的空洞, 远程迁移 的空位优先聚集在尺寸较小的空洞处, 促使其长大, 较小的空洞长大到一定尺寸后同样面临继续长大的 困难.因此, 空洞长大到一定尺寸后长大速率会明 显放慢 .另外, 部分间隙原子会被吸引到空洞中, 对 空洞中的空位起到抵消作用.这两方面作用都抑制 了较大空洞长大 . 从图 4( f) 、( g ) 和( h) 可看出, 空洞不是规则的 圆球形 .这是因为在形成晶体缺陷时, 总是优先形 成能量较低的缺陷, 对于辐照空洞, 要使能量最低, 只能由表面能较低的低指数晶面组成空洞的内表 面, 因而不可能形成规则球形的空洞.文献[ 11] 中 提到, 在进行双束( 氦束和重离子束) 和三束( 氢束 、 氦束和重离子束) 粒子辐照实验, 模拟中子辐照发生 核嬗变反应产生的氢和氦对辐照肿胀的影响时, 被 辐照的低活化铁素体/马氏体钢中产生了两种不同 形状的空洞:一种是圆球形的空洞, 它们是由氢或氦 聚集形成气泡而产生的;另一种是多面体形的空洞, 它们是在高温进行辐照时, 空位浓度达到过饱和后, 聚集在一起形成的三维晶体缺陷空洞, 这些空洞满 足能量最低原则, 由表面能较低的低指数晶面组成, 呈多面体形状.本实验采用高能电子辐照, 不产生 氢和氦, 只能产生多面体形状的晶体缺陷空洞 . 图 5 空洞平均直径随辐照损伤量的变化 Fig.5 Mean void diamet er of CLAM steel w ith diff eren t irradiations 图 5 表示辐照空洞平均直径随辐照损伤量的变 化情况 .为了提高计算结果的准确性, 利用高倍放 大的照片分别统计不同直径的空洞的数目, 以保证 空洞平均直径的误差小于 2 %.从图 5 中看出, 空洞 的平均直径随着辐照损伤量的增加表现为先增大 、 后减小的变化趋势.在经过 1.4 dpa 辐照后, CLAM 钢中产生的空洞的平均直径约为 5.2 nm ;随着辐照 损伤量的增加, 空洞平均直径变大, 当辐照损伤量为 3.6 dpa 时, 空洞平均直径约为 5.3 nm ;经过 10 dpa 辐照后空洞的平均直径达最大值, 约 5.6 nm ;在随 后的辐照剂量增加的过程中, 空洞的平均直径变小, 经过 13.8 dpa 辐照后, 空洞的平均直径降低到约 5.4 nm . 在高能电子辐照下, 空洞要经历形核与长大两 个过程, 随着辐照损伤量的增加, 空洞的直径不断增 大直到饱和 .造成上述空洞的平均直径先变大后变 小的原因是空洞的形核与长大随辐照损伤量的变化 规律不同 .辐照损伤量比较小时, 随辐照损伤量的 增加, 空洞的形核速率比较小、长大速率比较快, 因 而空洞的平均直径变大 .当辐照损伤量比较大时, 空洞的形核速率比较大, 产生了大量的新的空洞, 新 空洞的直径相对较小, 而早期形核的空洞的直径已 经达到最大或接近最大, 这些空洞长大速率很慢或 不再长大, 由于这时存在大量细小的新的空洞, 导致 空洞平均直径减小 .图 6 反映了这种情况, 随着辐 照损伤量的增加, 空洞的数密度持续增加, 在经 1.4 dpa的辐照后空洞的数密度约为 0.8 ×10 21 m -3 , 当 经过 13.8 dpa 的辐照后空洞数密度达到约 10.6 × 10 21 m -3 . 图 6 空洞数密度随辐照损伤量的变化 Fig.6 Number density of C LAM steel w ith different irradiations 图 7 辐照肿胀率随辐照损伤量的变化 Fig.7 Swelling of C LAM steel w ith different irradiations 空洞是在三维方向形成的缺陷, 伴随着辐照损 伤量的增加, 空洞的数量不断增加 、体积不断增大, 导致被辐照材料的宏观体积增大, 发生辐照肿胀现 象 .图 7 表示肿胀率随辐照损伤量的变化规律, 可 以看出肿胀率随辐照损伤量的增加而增大.经过 1.4dpa 辐照后的肿胀率非常小, 只有约0.007 %;当 经过 3.6 dpa 辐照后, 肿胀率增长速率变快 ;经过 14 · 846 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷
第7期 乔建生等：450C高能电子辐照对LAM钢微观结构的影响 ·847。 dpa辐照后，肿胀率约为0.26%，并趋于稳定.由于 (2)分析了辐照情况下位错环的形核和长大规 电子与中子的带电性和质量不同，以及在材料中的 律，对位错环的产生机制和变化规律给出了解释：辐 穿透能力、辐照损伤机制不同，导致电子辐照与中子 照产生的间隙原子形成位错环，随辐照剂量的增加， 辐照的肿胀率不同，辐照肿胀率应该用中子辐照的 位错环的密度增加、尺寸增大.密度增加速率较大 结果进行计算.但是，一般高压电镜的电子辐照实 时，尺寸增大速率较小；密度增大速率较小时，尺寸 验与中子辐照实验相比，会更早出现辐照肿胀，而且 增大速率较大 肿胀量远大于中子辐照的情况，因此用高能电子辐 (3)分析了空洞形核、空洞平均直径和最大直 照的方法研究材料的抗辐照肿胀性能具有参考价 径、材料的辐照肿胀率随辐照损伤量的变化规律；计 值。 算出了CLAM钢在高能电子辐照下的最大肿胀率 图8为最大空洞直径随辐照损伤量的变化情 为0.26%，CLAM钢具有较好的抗辐照肿胀性能. 况.可以看出：在辐照损伤量达到10dpa之前，直径 参考文献 随辐照损伤量增加而增大，在达到3.6dpa之前增长 速率比较快，3.6~10dpa增长速率比较慢：达到10 [I]Kheh RL Ehrich K.Abe F.Ferritio martensitic steels: promises and pmoblems.J Nucl Mater.1992.191-194:116 dpa以后直径基本上稳定在22nm左右，不再增大. [2 Muroga T,Gasparotto M,Zinkle S J.Overview of materials re 最大空洞直径的这种变化规律是由辐照过程中空洞 search for fusion reactors.Fusion Eng Des,2002.61/62:13 的形核与长大规律决定的.辐照初期.空洞的形核 3 Wang F R.Irradiation Damage of Metal Materials.Beijing: 速率小而长大速率大，有更多的空位迁移到己经形 Science Press,1993 核并长大的空洞中，促使最大空洞迅速长大.伴随 (万发荣.金属材料的辐射损伤.北京：科学出版社，1993) 着辐照的进行，空洞的形核速率增大而长大速率减 [4 Wakai E.Kikuchi K,Yamamoto S.Sweling behavior of F82H stedl imadiated by triple dual ion beams.J Nudl Mater,2003, 小，这个阶段空位迁移到新形核的小空洞中的概率 318:267 增加，迁移到较大空洞中的概率减小，因而最大空洞 [5 Kohno Y,Kohyama A.Himse T.Mecharical property charges 尽管持续增大，但增大速率变小，当辐照损伤量达 of low activation ferritic/martensitic steels after neutron irradia- 到10dpa后，电子辐照产生的新的空位几乎全部被 tion.J Nud Mater.1999.271/272:145 中、小空洞捕获，导致最大空洞直径稳定在22nm左 [6 Li Q,Huang Q Y,Yu J N,et al.Surface analysis of CLAM steel,EUROFER97 steel and W irradiated in HT-7 Tokamak.J 右，不再增大 Nuel Sci Eng,2004.241):157 (李强，黄群英，郁金南，等.CLAM钢.Eurof97钢与钨在 4r 22 HT-7托卡马克中辐照后的表面分析.核科学与工程，2004， 241):157) 6 [n Yu J N.Irradiation effect of materials.Beijing:Chemical In- dustry Press,2007 12 (郁金南.材料辐照效应.北京：化学工业出版社，2007) 8 [8 Zhao F,Wan K B.Qiao J S,et al.The microst nucture and me 6 chanical properties of China bw activation martensitic steel. 0 246810121416 辐照损伤量/dpa Nucl Sci Eng,2007.27(1):64 (赵飞，万奎贝，乔建生，等.低活化马氏体钢的微观结构与力 图8最大空洞直径随辐照损伤量的变化 学性能.核科学与工程，2007.27(1)：64) Fig.8 The biggest void diameter of CLAM steel w ith differentirra- [9 Huang Q Y,YuJ N,Wan F R.et al.The devdlopment of low dations activation martensitic stees for fusion reactor.Nucl Sci Eng. 2004.241):56 3结论 (黄群英，郁金南，万发荣，等.聚变堆低活化马氏体钢的发展 核科学与工程，2004,241)：56) (1)在高压电子的辐照下，CLAM钢的微观结 [10 Hirh P B.Electron Microscopy of Thin Crystals.London: Butterworths Pub.1965 构发生了变化，产生了大量的间隙原子型位错环和 [11]Miw a Y.Wakai E,Shiba K,et al.Sw elling of F82H irradiated 辐照空洞，形状不规则的空洞是空位聚集在一起形 at 673 K up to 51 dpa in HFIR.J Nucl Mater,2000.283287: 成的三维晶体缺陷. 334
dpa 辐照后, 肿胀率约为 0.26 %, 并趋于稳定 .由于 电子与中子的带电性和质量不同, 以及在材料中的 穿透能力 、辐照损伤机制不同, 导致电子辐照与中子 辐照的肿胀率不同, 辐照肿胀率应该用中子辐照的 结果进行计算.但是, 一般高压电镜的电子辐照实 验与中子辐照实验相比, 会更早出现辐照肿胀, 而且 肿胀量远大于中子辐照的情况, 因此用高能电子辐 照的方法研究材料的抗辐照肿胀性能具有参考价 值. 图 8 为最大空洞直径随辐照损伤量的变化情 况.可以看出 :在辐照损伤量达到 10 dpa 之前, 直径 随辐照损伤量增加而增大, 在达到 3.6 dpa 之前增长 速率比较快, 3.6 ～ 10 dpa 增长速率比较慢 ;达到 10 dpa 以后直径基本上稳定在 22 nm 左右, 不再增大 . 最大空洞直径的这种变化规律是由辐照过程中空洞 的形核与长大规律决定的.辐照初期, 空洞的形核 速率小而长大速率大, 有更多的空位迁移到已经形 核并长大的空洞中, 促使最大空洞迅速长大.伴随 着辐照的进行, 空洞的形核速率增大而长大速率减 小, 这个阶段空位迁移到新形核的小空洞中的概率 增加, 迁移到较大空洞中的概率减小, 因而最大空洞 尽管持续增大, 但增大速率变小 .当辐照损伤量达 到 10 dpa 后, 电子辐照产生的新的空位几乎全部被 中、小空洞捕获, 导致最大空洞直径稳定在 22 nm 左 右, 不再增大. 图 8 最大空洞直径随辐照损伤量的变化 Fig.8 The biggest void diamet er of C LAM st eel w ith diff eren t irradiations 3 结论 ( 1) 在高压电子的辐照下, CLAM 钢的微观结 构发生了变化, 产生了大量的间隙原子型位错环和 辐照空洞, 形状不规则的空洞是空位聚集在一起形 成的三维晶体缺陷. ( 2) 分析了辐照情况下位错环的形核和长大规 律, 对位错环的产生机制和变化规律给出了解释 :辐 照产生的间隙原子形成位错环, 随辐照剂量的增加, 位错环的密度增加 、尺寸增大.密度增加速率较大 时, 尺寸增大速率较小;密度增大速率较小时, 尺寸 增大速率较大. ( 3) 分析了空洞形核 、空洞平均直径和最大直 径 、材料的辐照肿胀率随辐照损伤量的变化规律 ;计 算出了 CLAM 钢在高能电子辐照下的最大肿胀率 为 0.26 %, CLAM 钢具有较好的抗辐照肿胀性能 . 参 考 文 献 [ 1] Klueh R L, Ehrlich K, Abe F .Ferriti c/ martensitic steels: promises and problems.J Nucl Mat er, 1992, 191-194:116 [ 2] Muroga T, Gasparotto M, Zinkle S J .Overview of materials research for fusion reactors.Fusion Eng Des, 2002, 61/ 62:13 [ 3] Wang F R.Irradiation Da mage of Metal Materials .Beijing : S cience Press, 1993 ( 万发荣.金属材料的辐射损伤.北京:科学出版社, 1993) [ 4] Wakai E, Kikuchi K, Yamamot o S .Swelling behavior of F82H steel irradiated by triple/ dual ion beams.J Nucl Mater, 2003, 318:267 [ 5] Kohno Y, Kohyama A, Hirose T .Mechanical property changes of low activation f erritic/martensitic steels aft er neutron irradiation.J Nucl Mater, 1999, 271/ 272:145 [ 6] Li Q, Huang Q Y, Yu J N, et al.S urface analysis of CLAM steel, EUROFER97 st eel and W irradiat ed in HT-7 Tokamak.J Nucl Sci Eng , 2004, 24( 1) :157 (李强, 黄群英, 郁金南, 等.C LAM 钢、Eurof er97 钢与钨在 HT-7 托卡马克中辐照后的表面分析.核科学与工程, 2004, 24( 1) :157) [ 7] Yu J N .Irradiation ef fect of materials.Beijing :Chemical Industry Press, 2007 ( 郁金南.材料辐照效应.北京:化学工业出版社, 2007) [ 8] Zhao F, Wan K B, Qiao J S, et al.The microstructure and mechanical properties of China low activation mart ensitic steel.J Nucl S ci Eng , 2007, 27( 1) :64 ( 赵飞, 万奎贝, 乔建生, 等.低活化马氏体钢的微观结构与力 学性能.核科学与工程, 2007, 27( 1) :64) [ 9] Huang Q Y, Yu J N, Wan F R, et al.The development of low activation martensitic st eels for fusion reactor .J Nucl Sci Eng , 2004, 24( 1) :56 ( 黄群英, 郁金南,万发荣, 等.聚变堆低活化马氏体钢的发展. 核科学与工程, 2004, 24( 1) :56) [ 10] Hirsh P B.Electron Microscopy of Thin Crystals.London: Bu tt erworths Pub, 1965 [ 11] Miw a Y, Wakai E, Shiba K, et al.Sw elling of F82H irradiated at 673 K up to 51 dpa in HFIR.J Nucl Mater, 2000, 283-287: 334 第 7 期 乔建生等:450 ℃高能电子辐照对 CLAM 钢微观结构的影响 · 847 ·
