D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1996.06.005 第18卷第6期 北京科技大学学报 VoL18 No.6 1996年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.1996 W,V对Fe-Cr-Mn奥氏体钢辐照诱起 晶界偏析和相稳定性的作用* 胡本芙)高桥平七郎2) 1)北京科技大学材料科学与工程系,北京1000832)北海道大学先进能源工学研究所,日本 摘要利用电子束辐照Fe-Cr一M血(W,V合金的结果表明,添加原子半径尺寸大的溶质元素 W和V,可形成大量微细碳化物,增多相界面即增加基体中尾闻数目,能有效降低合金基体中点缺 陷过饱和浓度,减少空洞肿张;同时有利于形成高密度位错环,减少它们相互间的间距,缩短点缺 陷向尾闾移动扩散的平均自由程,导致点缺陷捕获溶质原子的机会减少,进而抑制辐照诱起晶界 偏析,提高合金Y相稳定性. 关键词电子辐照,Fe-Cr-Mn合金,空洞肿胀,相稳定性 中图分类号TL341 降低中子辐照后诱发残留放射性水平是混合堆近年来研究的新课题.在含N的铁基合 金中,用Mn代替Ni的Fe-Cr一Mn合金具有优良抗肿胀和中子辐照后低活性1~)的特点, 可是,Fe-Cr一Mn合金相图存在很宽范围的a+y或y+o两相区4.),在长期中子辐照过 程中,由于形成奥氏体的大尺寸溶质原子在晶界产生负偏析,造成溶质原子(如M)局部贫化 区,从而引起y-相不稳定,导致从原稳定的y相中形成α相,影响合金组织结构和性能6刃. 1实验方法 试验合金选用高纯度原料在氩气保护下于等离子轰击炉炼成合金,化学成分(质量分数, %)为Fe-15Cr-15Mn和Fe-15Cr-15Mn-0.3C-2W-2V-0.3N2种合金.在添加 W,V的同时,稳定y-相,提高合金中C,N含量.合金冷轧成厚0.2mm薄板,冲击成中3mm 盘状电镜用试样,经脱脂、清洗后封装在真空度达6×10-6Pa石英管内,在1323K温度下保 温1,固溶化处理.电子显微镜观察用的薄膜采用双喷减薄,电解溶液(体积分数)为 HCIO,:CH,COOH =1:9. 电子束辐照采用Hu-1300kV超高压电镜进行.加速电压1000keV,电子束直径2μm, 辐照领域中心直径约1μm,辐照剂量范围0~60dpa,辐照区平均电子通量3×1023/cm2,离 位速率为2×10~3dpas,辐照温度623~773K.薄膜厚度用等厚度条纹法测定为500~ 600nm,辐照晶面为低指数(111)或(110). 1996-08-02收稿第一作者男58岁数授博士 *国家高技术863资助项目
第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 一 一 忱 , 对 一 一 奥 氏体钢辐照诱起 晶界偏 析和 相稳定性 的作用 胡本芙 ’ 高桥平七 郎 北京科技大学材料科学 与工程 系 , 北京 北 海道大学先进能源工学研究所 , 日本 摘要 利用 电子束辐 照 一 一 州 , 码 合金 的结果 表 明 , 添加 原子半 径 尺 寸大 的溶质元素 和 , 可形成大量微细碳化物 , 增多相界 面 即增加基体 中尾 间数 目 , 能有效降低合金基体中点缺 陷过饱和 浓度 , 减少空 洞 肿胀 同时有利 于 形成高密度位错环 , 减 少它们相互 间的 间距 , 缩短点 缺 陷向尾 间移动扩散 的平 均 自由程 , 导致点缺 陷捕 获溶质原子 的机会减 少 , 进而 抑制辐照诱起晶界 偏析 , 提高合金 相稳定性 关键词 电子辐照 , 一 一 合金 , 空 洞 肿胀 , 相稳定性 中图分类号 降低 中子 辐 照后诱发 残 留放射性 水 平 是 混 合堆 近 年来研 究 的新课题 在 含 的铁 基合 金 中 , 用 代替 的 一 一 合金 具有 优 良抗 肿 胀和 中子辐 照 后低 活性 一 〕的特 点 可是 , 一 一 合金相 图存在很宽 范 围 的 十 或 下 两相 区 , ’ 〕 , 在 长期 中子 辐 照过 程 中 , 由于 形 成 奥 氏体的大 尺 寸溶质原 子 在 晶界 产生 负偏 析 , 造成 溶 质原子 如 局 部 贫化 区 , 从而 引起 下 一 相 不 稳定 , 导致从原稳定 的 相 中形 成 相 , 影 响合金组 织 结构和性能, 实验方法 试 验合金 选 用 高纯度 原料 在 氢气保 护下 于 等离子轰击炉 炼成合金 , 化学 成分 质量分数 , 为 一 一 和 一 一 一 一 一 一 种 合金 在 添 加 , 的 同时 , 稳定 一 相 , 提 高合金 中 , 含 量 合金 冷 轧成厚 薄板 , 冲击成 中 盘状 电镜 用 试样 , 经脱脂 、 清洗后 封 装 在真 空 度 达 一 “ 石英管 内 , 在 温 度 下 保 温 , 固 溶 化 处 理 电 子 显 微 镜 观 察 用 的 薄 膜 采 用 双 喷 减 薄 , 电解 溶 液 体 积 分 数 为 · 电子 束辐 照 采 用 一 超 高 压 电镜进行 加 速 电压 , 电子束直径 “ , 辐照领 域 中心 直径 约 “ , 辐 照 剂量 范围 一 , 辐照 区 平 均 电子通 量 可 , 离 位 速 率 为 “ ’ 留 , 辐 照 温 度 一 薄 膜 厚 度 用 等 厚 度 条 纹 法 测 定 为 一 , 辐 照 晶 面 为低 指 数 或 一 一 收稿 第一作者 男 岁 教 授 博士 国家高技术 资助 项 目 DOI :10.13374/j .issn1001-053x.1996.06.005
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第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 一 一 忱 , 对 一 一 奥 氏体钢辐照诱起 晶界偏 析和 相稳定性 的作用 胡本芙 ’ 高桥平七 郎 北京科技大学材料科学 与工程 系 , 北京 北 海道大学先进能源工学研究所 , 日本 摘要 利用 电子束辐 照 一 一 州 , 码 合金 的结果 表 明 , 添加 原子半 径 尺 寸大 的溶质元素 和 , 可形成大量微细碳化物 , 增多相界 面 即增加基体 中尾 间数 目 , 能有效降低合金基体中点缺 陷过饱和 浓度 , 减少空 洞 肿胀 同时有利 于 形成高密度位错环 , 减 少它们相互 间的 间距 , 缩短点 缺 陷向尾 间移动扩散 的平 均 自由程 , 导致点缺 陷捕 获溶质原子 的机会减 少 , 进而 抑制辐照诱起晶界 偏析 , 提高合金 相稳定性 关键词 电子辐照 , 一 一 合金 , 空 洞 肿胀 , 相稳定性 中图分类号 降低 中子 辐 照后诱发 残 留放射性 水 平 是 混 合堆 近 年来研 究 的新课题 在 含 的铁 基合 金 中 , 用 代替 的 一 一 合金 具有 优 良抗 肿 胀和 中子辐 照 后低 活性 一 〕的特 点 可是 , 一 一 合金相 图存在很宽 范 围 的 十 或 下 两相 区 , ’ 〕 , 在 长期 中子 辐 照过 程 中 , 由于 形 成 奥 氏体的大 尺 寸溶质原 子 在 晶界 产生 负偏 析 , 造成 溶 质原子 如 局 部 贫化 区 , 从而 引起 下 一 相 不 稳定 , 导致从原稳定 的 相 中形 成 相 , 影 响合金组 织 结构和性能, 实验方法 试 验合金 选 用 高纯度 原料 在 氢气保 护下 于 等离子轰击炉 炼成合金 , 化学 成分 质量分数 , 为 一 一 和 一 一 一 一 一 一 种 合金 在 添 加 , 的 同时 , 稳定 一 相 , 提 高合金 中 , 含 量 合金 冷 轧成厚 薄板 , 冲击成 中 盘状 电镜 用 试样 , 经脱脂 、 清洗后 封 装 在真 空 度 达 一 “ 石英管 内 , 在 温 度 下 保 温 , 固 溶 化 处 理 电 子 显 微 镜 观 察 用 的 薄 膜 采 用 双 喷 减 薄 , 电解 溶 液 体 积 分 数 为 · 电子 束辐 照 采 用 一 超 高 压 电镜进行 加 速 电压 , 电子束直径 “ , 辐照领 域 中心 直径 约 “ , 辐 照 剂量 范围 一 , 辐照 区 平 均 电子通 量 可 , 离 位 速 率 为 “ ’ 留 , 辐 照 温 度 一 薄 膜 厚 度 用 等 厚 度 条 纹 法 测 定 为 一 , 辐 照 晶 面 为低 指 数 或 一 一 收稿 第一作者 男 岁 教 授 博士 国家高技术 资助 项 目
第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 一 一 忱 , 对 一 一 奥 氏体钢辐照诱起 晶界偏 析和 相稳定性 的作用 胡本芙 ’ 高桥平七 郎 北京科技大学材料科学 与工程 系 , 北京 北 海道大学先进能源工学研究所 , 日本 摘要 利用 电子束辐 照 一 一 州 , 码 合金 的结果 表 明 , 添加 原子半 径 尺 寸大 的溶质元素 和 , 可形成大量微细碳化物 , 增多相界 面 即增加基体 中尾 间数 目 , 能有效降低合金基体中点缺 陷过饱和 浓度 , 减少空 洞 肿胀 同时有利 于 形成高密度位错环 , 减 少它们相互 间的 间距 , 缩短点 缺 陷向尾 间移动扩散 的平 均 自由程 , 导致点缺 陷捕 获溶质原子 的机会减 少 , 进而 抑制辐照诱起晶界 偏析 , 提高合金 相稳定性 关键词 电子辐照 , 一 一 合金 , 空 洞 肿胀 , 相稳定性 中图分类号 降低 中子 辐 照后诱发 残 留放射性 水 平 是 混 合堆 近 年来研 究 的新课题 在 含 的铁 基合 金 中 , 用 代替 的 一 一 合金 具有 优 良抗 肿 胀和 中子辐 照 后低 活性 一 〕的特 点 可是 , 一 一 合金相 图存在很宽 范 围 的 十 或 下 两相 区 , ’ 〕 , 在 长期 中子 辐 照过 程 中 , 由于 形 成 奥 氏体的大 尺 寸溶质原 子 在 晶界 产生 负偏 析 , 造成 溶 质原子 如 局 部 贫化 区 , 从而 引起 下 一 相 不 稳定 , 导致从原稳定 的 相 中形 成 相 , 影 响合金组 织 结构和性能, 实验方法 试 验合金 选 用 高纯度 原料 在 氢气保 护下 于 等离子轰击炉 炼成合金 , 化学 成分 质量分数 , 为 一 一 和 一 一 一 一 一 一 种 合金 在 添 加 , 的 同时 , 稳定 一 相 , 提 高合金 中 , 含 量 合金 冷 轧成厚 薄板 , 冲击成 中 盘状 电镜 用 试样 , 经脱脂 、 清洗后 封 装 在真 空 度 达 一 “ 石英管 内 , 在 温 度 下 保 温 , 固 溶 化 处 理 电 子 显 微 镜 观 察 用 的 薄 膜 采 用 双 喷 减 薄 , 电解 溶 液 体 积 分 数 为 · 电子 束辐 照 采 用 一 超 高 压 电镜进行 加 速 电压 , 电子束直径 “ , 辐照领 域 中心 直径 约 “ , 辐 照 剂量 范围 一 , 辐照 区 平 均 电子通 量 可 , 离 位 速 率 为 “ ’ 留 , 辐 照 温 度 一 薄 膜 厚 度 用 等 厚 度 条 纹 法 测 定 为 一 , 辐 照 晶 面 为低 指 数 或 一 一 收稿 第一作者 男 岁 教 授 博士 国家高技术 资助 项 目
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第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 一 一 忱 , 对 一 一 奥 氏体钢辐照诱起 晶界偏 析和 相稳定性 的作用 胡本芙 ’ 高桥平七 郎 北京科技大学材料科学 与工程 系 , 北京 北 海道大学先进能源工学研究所 , 日本 摘要 利用 电子束辐 照 一 一 州 , 码 合金 的结果 表 明 , 添加 原子半 径 尺 寸大 的溶质元素 和 , 可形成大量微细碳化物 , 增多相界 面 即增加基体 中尾 间数 目 , 能有效降低合金基体中点缺 陷过饱和 浓度 , 减少空 洞 肿胀 同时有利 于 形成高密度位错环 , 减 少它们相互 间的 间距 , 缩短点 缺 陷向尾 间移动扩散 的平 均 自由程 , 导致点缺 陷捕 获溶质原子 的机会减 少 , 进而 抑制辐照诱起晶界 偏析 , 提高合金 相稳定性 关键词 电子辐照 , 一 一 合金 , 空 洞 肿胀 , 相稳定性 中图分类号 降低 中子 辐 照后诱发 残 留放射性 水 平 是 混 合堆 近 年来研 究 的新课题 在 含 的铁 基合 金 中 , 用 代替 的 一 一 合金 具有 优 良抗 肿 胀和 中子辐 照 后低 活性 一 〕的特 点 可是 , 一 一 合金相 图存在很宽 范 围 的 十 或 下 两相 区 , ’ 〕 , 在 长期 中子 辐 照过 程 中 , 由于 形 成 奥 氏体的大 尺 寸溶质原 子 在 晶界 产生 负偏 析 , 造成 溶 质原子 如 局 部 贫化 区 , 从而 引起 下 一 相 不 稳定 , 导致从原稳定 的 相 中形 成 相 , 影 响合金组 织 结构和性能, 实验方法 试 验合金 选 用 高纯度 原料 在 氢气保 护下 于 等离子轰击炉 炼成合金 , 化学 成分 质量分数 , 为 一 一 和 一 一 一 一 一 一 种 合金 在 添 加 , 的 同时 , 稳定 一 相 , 提 高合金 中 , 含 量 合金 冷 轧成厚 薄板 , 冲击成 中 盘状 电镜 用 试样 , 经脱脂 、 清洗后 封 装 在真 空 度 达 一 “ 石英管 内 , 在 温 度 下 保 温 , 固 溶 化 处 理 电 子 显 微 镜 观 察 用 的 薄 膜 采 用 双 喷 减 薄 , 电解 溶 液 体 积 分 数 为 · 电子 束辐 照 采 用 一 超 高 压 电镜进行 加 速 电压 , 电子束直径 “ , 辐照领 域 中心 直径 约 “ , 辐 照 剂量 范围 一 , 辐照 区 平 均 电子通 量 可 , 离 位 速 率 为 “ ’ 留 , 辐 照 温 度 一 薄 膜 厚 度 用 等 厚 度 条 纹 法 测 定 为 一 , 辐 照 晶 面 为低 指 数 或 一 一 收稿 第一作者 男 岁 教 授 博士 国家高技术 资助 项 目
·516· 北京科技大学学报 1996年No.6 3讨论 3.1W,V对Mn,Cr与点缺陷相互作用的影响 不含W,V的Fe-Cr-Mn合金,经辐照后Cr,Mn在晶界近傍发生贫化,并随着温度和 剂量的增加Cr,Mn贫化程度增加. Rehn和Okamoto1o指出,溶质和点缺陷相互作用与溶质原子尺寸大小有重要关系.溶质 原子和点缺陷相互作用,造成点阵畸变,使系统能量增高.比基体原子半径大的溶质原子(C, Mn),以置换方式与空位相互作用可降低点阵畸变,故Cr,Mn优先与空位发生相互作用.这 样,由于C,Mn与空位相互换位,空位流向尾闾而消失,Cr,Mn远离尾闾(晶界)而形成晶界 负偏析.添加W,V后的Fe-Cr-Mn合金,形成多量微细M2,C。,VC等碳化物,促进高密度 位错环形成,而环自身可以起尾闾作用,点缺陷在位错偏压作用下流向每个位错环,降低了基 体中过饱和空位浓度.同时,高密度位错环相互间距很小,即缩短点缺陷扩散的平均自由程, 点缺陷长距离向晶界移动发生困难,晶界处合金元素偏析也就被抑制.所以,W,V的添加改 变了Fe-Cr-Mn合金中尾闾分布和偏压效果,抑制点缺陷移动扩散行为,有利于减少辐照 诱起合金元素质量变化、 3.2相稳定性 Fe-Cr-Mn合金中y相不稳定的主要原因是由于Kirkendall效应引起局部溶质原子偏 析造成的,本文所研究的合金成分(15Mn)处在Fe-Cr-Mn三元相图区边缘低Mn一角y相 区内,这样,由于辐照引起扩散最慢的Fe富集在尾闾处,扩散最快的M在尾闾处贫化,出现 α相.但是,添加W,V后,抑制点缺陷流与溶质原子相互作用,尾闾处造成低空位梯度,减弱 Kirkendall效应,使局部区Mn质量分数高于合金平均浓度,保持了y相稳定性. 4结论 (I)Fe-Cr-Mn合金中添加低活性强碳化物形成元素W,V,改变合金中尾闾分布和偏 压效果,空洞肿胀低于0.3%(15dpa),显示出良好抗辐照损伤性能. (2)添加W,V有效抑制诱起晶界偏析,提高Fe-Cr-Mn合金y相稳定性. 致谢本研究是在日本北海道大学工学部超高压电镜室进行的,对研究室有关人员协助表示谢意. 参考文献 1 Brager H R,Garner F A.Gelles D S,Hamilton M L.Development of Reduced Activation Alloys for Fusion Service.J Nucl Mater,1985,133 134:907 2 Takahashi H,Takeyama T,Tankawa K,Miura R.Damage Structural Behaviour by Electron Irradia- tion of Mn-Cr Austenitic Stainless Steels.IBID,566
北 京 科 技 大 学 学 报 年 讨论 , 对 , 与点缺陷相 互 作用 的影 响 不 含 , 的 一 一 合金 , 经 辐 照后 , 在 晶界 近傍发 生 贫化 , 并 随着 温 度和 剂量 的增加 , 贫 化程 度 增 加 和 ’ 指 出 , 溶 质和 点缺 陷相 互 作 用 与溶 质原 子 尺 寸大小 有重要 关系 溶质 原子和 点缺 陷相 互 作用 , 造成 点 阵 畸变 , 使系 统能量 增 高 比基体原 子半 径大 的溶质原 子 , , 以 置 换 方 式 与 空 位 相 互 作 用 可 降低 点 阵 畸 变 , 故 , 优 先 与 空 位 发 生 相 互 作 用 这 样 , 由于 , 与 空 位相 互 换 位 , 空 位 流 向尾 间 而 消 失 , , 远 离尾 间 晶界 而 形 成 晶界 负偏 析 · 添加 , 后 的 一 一 合 金 , 形 成多 量 微 细 , 等 碳 化 物 , 促 进 高 密 度 位错环 形 成 , 而 环 自身可 以起尾 间作 用 , 点缺 陷在位 错偏 压作 用 下 流 向每 个位 错 环 , 降低 了基 体 中过 饱 和 空 位 浓 度 同 时 , 高 密度 位 错 环相 互 间距 很小 , 即缩 短 点缺 陷扩 散 的平 均 自由程 , 点 缺 陷长 距 离 向晶 界 移 动 发 生 困 难 , 晶 界 处合 金元 素偏 析也 就 被 抑 制 所 以 , , 的 添 加 改 变 了 一 一 合金 中尾 间分 布 和 偏 压效果 , 抑 制点缺 陷移 动扩 散行 为 , 有 利 于 减 少 辐 照 诱起 合金 元 素质量 变 化 相 稳定 性 一 一 合金 中 下相 不稳 定 的主要 原 因是 由于 效 应 引起局 部 溶质原 子偏 析造成 的 本 文所研究 的合金 成 分 巧 处在 一 一 三元相 图 区 边 缘低 一角 相 区 内 这 样 , 由于 辐 照 引起 扩 散 最 慢 的 富集 在尾 阎处 , 扩 散 最快 的 在 尾 间处贫 化 , 出现 相 但 是 , 添 加 , 后 , 抑 制 点 缺 陷流 与 溶 质 原 子 相 互 作 用 , 尾 间处造 成 低 空 位梯 度 , 减 弱 效 应 , 使局 部 区 质量 分数 高于 合 金 平 均浓度 , 保持 了 相 稳 定性 结论 一 一 合 金 中添 加低 活性 强碳 化 物形 成元 素 , , 改 变合金 中尾 间分 布 和 偏 压效果 , 空 洞 肿胀低 于 , 显示 出 良好抗 辐 照 损伤性 能 添加 , 有 效 抑 制诱起 晶界偏 析 , 提 高 一 一 合金 下 相 稳 定 性 致谢 本研究是 在 日本北海 道 大学 工学部超 高压 电镜室 进行 的 , 对研究 室 有 关人 员协助 表示谢意 参 考 文 献 , , , , , , , , 一 一
Vol.18No.6胡本芙等:W,V对Fe-Cr-Mn奥氏体钢辐照诱起晶界偏析和相稳定性的作用 ·517· 3 Snykers M,Ruedl E.The Influence of Helium on the Swelling Behavior by Electron Irradiation of a Mn-Cr Austenitic Stainless Steel.J Nucl Mater,1981,103 104:1073 4 Mazey D J,Hudson J A,Titchmarsh J M.Observation of the Microstructure of a 8%Manganese Stainless Steel (ICL 016)Before and After Irradiation with 46 MeV Nickle Ions.J Nucl Mater, 1982,107:2 5 Garner F A,Brager H R,Gelles D S.Neutron Irradiation of Fe-Mn,Fe-Cr-Ni Alloys and an Expla- nation of Their Difference in Swelling Behaviour.J Nucl Mater,1987,148:294 6 Garner F A,Abe F,Noda T.Response of Fe-Cr-Mn Austenitic Alloys to Thermal Aging and Neutron Irradiation.J Nucl Mater,1988,155 ~157:877 7 Gelles D S,Garner F A.The Swelling Behavior of Manganese Bearing AISI 316 Steel.J Nucl Mater,.1985,133&134:521 8胡本芙,高桥平七郎,Fe-Cr-MnNi)合金抗辐照损伤特性研究,金属学报,1993,29:A438 9胡本芙,高桥平七郎.电子辐照F©-Cr-Ni奥氏体合金的空洞体胀与诱起晶界偏析研究.金属学报,1988, 24:A180 10 Rehn L E,Okamoto P R,Potter D L,Wiedersich H.Effect of Solute Misfit and Temperature on Irradiation Induced Segregation in Binary Ni Alloys.J Nucl Mater,1978(74):242 Effect of W and V on Induced Segregation and Phase Stability Fe-Cr-Mn Alloy System under Electron-irradiation Hu Benfu)Takahashi Heishichiro2) 1)Department of Materials Science and Engineering,USTB,Beijing 100083,PRC 2)Hokkaido University,Japan ABSTRACT Experimental results of electron-irradiation show that the addition of W and V to the Fe-15Cr-15Mn alloy is effective for void swelling suppression and stability of austenite at grain boundaries increased.Due to addition of w and V,a large of smaller carbides are formed,increasing in quantity of sinks,effectively decreasing the concentration of point defects,simultaneously,the formation of high density dislocation loops is beneficial.Therefore mean free path between dislocation loops decreased.The radi. ation-induced segregation is remarkably suppressed. KEY WORDS electron-irradiation,Fe-Cr-Mn alloy,void swelling,phase stability
胡本芙等 , 对 一 一 奥 氏体钢辐照 诱起 晶界偏析和相 稳定性 的作用 , 一 , , , , , , , , 了 一 , 一 一 , , , , 一 一 , , 一 , , , 胡本芙 , 高桥平七 郎 一 一 合金抗 辐照 损伤特性研究 金属 学报 , , 胡本芙 , 高桥平 七 郎 电子 辐 照 一 一 奥 氏体合金 的空 洞 体胀 与诱起 晶界 偏 析研究 金属 学 报 , , , , , 口 , 一 一 一 丑 晌 ’ 几加入 , , , , , 一 一 一 , , , , , 一 一 , 一 一 ,