Cr析出物硬化机理的原子尺度模拟研究

铁素体钢在热老化及辐照下会析出富Cr的α’相,该相会阻碍位错运动,引起材料硬化和脆化。研究位错与Cr析出物的相互作用机理是研究铁素体钢辐照硬化的前提。利用分子动力学方法(MD)研究BCC-Fe体系中Cr析出物与刃型位错(ED)的相互作用机理,并考虑Cr析出物尺寸、析出物中Cr含量、切过位置等因素的影响,结果表明:位错以切过的方式通过Cr析出物;Cr析出物对位错运动的阻碍作用随着析出物尺寸增大而增大;Cr析出物中的Cr含量越高,对位错运动的阻碍作用越强;当位错沿析出物赤道面通过时,所需临界剪切应力(CRSS)值最大。     

Mn对bcc Fe基中Cu析出物引起的辐照硬化的影响研究

正富Cu析出物引起的辐照硬化是导致反应堆压力容器出现辐照脆化现象的主要因素之一。随着研究的进一步深入,实验方面采用三维原子探针发现Cu析出物中存在溶质原子Mn和Ni。Mn和Ni原子的出现可以提高Cu析出物的数量和形核率。至于Ni对Cu析出物对位错阻碍作用的影响至今仍存在争议,而Mn对Cu析出物和位错相互作用的影响,目前未见相关报道。所以,开展Mn原子对富Cu析出物引起的辐照硬化的影响研究显得非常有价值。因此,本文采用分子动力学方法对bcc Fe基2、3和4nm Cu和Cu-Mn析     

BCC-Fe中螺位错与［010］间隙位错环相互作用分子动力学模拟

本文利用分子动力学方法对BCC-Fe中螺位错与［010］间隙位错环的相互作用机制进行了模拟,研究结果表明,螺位错在不同温度下滑移靠近不同尺寸位错环时,它们之间的相互作用机制不同。当位错环尺寸为1.5 nm时,位错环在2 K下稳定存在,螺位错在剪切应力作用下滑移通过它,并与之位错反应生成1/2［11^-1^- ］位错环,临界剪切应力明显增加;随温度升高到300 K和600 K,［010］位错环因稳定性降低会转变为1/2［11^-1^- ］位错环,该位错环与螺位错反应可生成［010］位错片段,对螺位错阻碍作用逐渐变弱,临界剪切应力增量逐渐降低;随温度进一步升高到823 K,螺位错易交滑移,其与位错环始终无接触,因此无阻碍作用。当位错环尺寸增大到4 nm时,［010］位错环稳定性增加,300~823 K下位错环对螺位错滑移阻碍作用也明显增加。     

位错环上的Cr偏析对辐照硬化影响的原子尺度模拟研究

低温辐照脆化是影响低活化铁素体/马氏体（RAFM）钢服役的主要问题之一。RAFM钢低温辐照脆化的主要机理是辐照产生的纳米缺陷（如位错环、析出物等）阻碍位错运动。本文利用分子动力学方法研究了bcc-Fe内刃型位错线与1/2〈111〉间隙位错环的相互作用,并对比分析了Cr偏析在位错环上对其硬化的影响。研究结果表明：刃型位错线挣脱位错环所需临界剪切应力（CRSS）与位错环的伯格斯矢量有关;在本文所研究条件下,在一定温度范围内,Cr偏析在位错环上会使得位错线挣脱所需CRSS增加,引起硬化增强。     

FeCu模型合金中Cu析出物导致硬化的位错动力学研究

压水反应堆压力容器（RPV）钢服役过程经高能中子辐照产生的溶质-缺陷团簇,导致辐照硬化和脆化,是影响其服役寿命的关键因素。利用位错动力学方法结合分子动力学和分子静力学计算获得的缺陷钉扎力,研究了FeCu模型合金中Cu析出物导致硬化的机理,分析了钉扎力、脱钉临界角等因素对计算结果的影响,并对计算结果的置信度进行了分析。结果表明：半径小于1 nm析出物的脱钉判据主要为力判据,需精确计算缺陷对位错的钉扎力;半径大于1 nm析出物的脱钉判据主要为临界角判据,对于Cu析出物,其临界角约为130°。本研究结果对于深入研究RPV钢辐照硬化机理以及预测辐照脆化趋势具有重要意义。     

17-4PH不锈钢回火强化过程研究

将17-4PH钢在1 040℃保温1 h后水淬,于540℃回火不同时间,测试其硬度以研究其析出强化规律,利用原子探针层析技术(APT)研究了强化相析出演化过程。析出强化曲线显示,存在两个析出强化峰。APT分析表明,第1个强化峰是由于析出了大量纳米级富Cu相,第2个强化峰则是由于析出了Cr、V、Nb碳氮化物。APT分析还显示,在富Cu相的周围,Mn、Ni和Al也出现偏聚,而且位于富Cu相和基体的界面。     

电子辐照条件下高纯铁中位错环演化的多尺度模拟

辐照诱导材料微观结构演化导致的材料力学性能降级或尺寸不稳定性是限制反应堆安全与经济性的关键因素之一。本文基于速率理论建立了辐照诱导材料微观结构演化的物理模型,并开发了模拟程序Radieff。采用分子动力学计算了高纯铁中缺陷的形成能、结合能、迁移能以及间隙原子位错环的构型,在此基础上模拟了电子辐照诱导高纯铁内位错环的演化过程,并与实验结果进行了对比。基于分子动力学的计算结果表明,当间隙原子团簇包含3个间隙原子时,团簇的排列方式为〈110〉构型,间隙原子团簇包含4个以上间隙原子时,团簇排列方式变为〈111〉构型。此外基于Radieff研究了400~600K温度范围内,损伤速率为1.5×10-4 dpa/s电子辐照条件下,位错密度对位错环演化的影响,位错密度对位错环数密度及其平均尺寸的影响取决于位错以及间隙原子团簇对间隙原子的阱强度;在464K和550K温度下辐照,位错环数密度及其平均尺寸分别在位错密度增加到1011 cm-2和1010 cm-2后急剧减小,这是由于此时位错对间隙原子的阱强度会大于间隙原子团簇对间隙原子的阱强度。     

FeCr合金中Cr含量对微观结构影响的原子尺度模拟研究

低温辐照脆化是影响铁素体/马氏体（F/M）钢服役的主要问题之一。F/M钢低温辐照脆化的主要机理是辐照产生的纳米缺陷（如位错环、α′相(富Cr团簇)等）阻碍位错运动。本文利用分子动力学方法和迈氏蒙特卡罗方法对F/M钢模型材料--FeCr合金（Fe7%Cr、Fe9%Cr、Fe14%Cr）中Cr元素析出成团簇及在位错环上偏析的机理进行研究,并分析Cr团簇析出与合金成分的关系以及位错环尺寸、位错环类型和合金中Cr含量对位错环上Cr偏析量的影响。模拟结果表明：热力学模拟后,高Cr含量（>9%)的FeCr合金中会析出Cr团簇,且基体内Cr含量越高,析出的Cr团簇尺寸越大;在所研究的3种FeCr合金中,受位错环张应力场作用,合金元素Cr均会在位错环的外围偏析,且FeCr合金中Cr含量越高,Cr在位错环上偏析量越高。低Cr的FeCr合金中Cr对其辐照硬化的影响需考虑位错环上Cr偏析的影响,高Cr的FeCr合金中Cr元素对其辐照硬化的影响需综合考虑Cr团簇及位错环上Cr偏析。     

含氢N18锆合金循环变形后的位错组态研究

应用透射电子显微镜研究了N18锆合金在室温下循环变形后的位错组态以及氢化物与位错的相互作用.结果表明,N18锆合金基体中存在着大量弥散分布的沉淀相粒子,其位错组态是一系列被沉淀相粒子钉扎住的位错线段.这些位错线段由{1010}柱面滑移所产生.试样在变形过程中只有部分晶粒发生了塑性变形,而其它晶粒则是弹性变形.试样中的氢化物主要为面心立方结构的δ相氢化锆,氢化物与位错之间的交互作用存在着"尺寸效应",位错的滑移能够切割过细小的氢化物,但不能穿越粗大的氢化物.     

17-4PH不锈钢纳米析出物的磁小角中子散射研究

本文充分发挥中子对磁灵敏、穿透力强等技术优势,利用加载磁场小角中子散射实验技术研究核电站实际服役14年的阀杆17 4PH不锈钢样品。结果表明,与不加磁场时相比,加载磁场条件下二维散射图谱呈明显各向异性,在散射矢量垂直于磁场方向上散射强度显著增强。利用多分散球模型对数据进行拟合,结合原子探针实验结果分析得出,衬度的增加降低了Cu析出物周围元素分布不均匀对散射的相对贡献,从而有助于更加准确地获得Cu纳米析出物的尺寸。     

V-W-Ti合金的回复和再结晶行为

研究了几种冷变形钒合金的回复和再结晶特性。合金材料包括V8W,V7WA1,V6WTi和V4Ti。原始态合金的冷变形量为50％,在经过100-1 100℃范围内的不同温度,1 h等时退火后,测试了合金的硬度和微观组织变化。研究结果表明,虽然几种新型钒合金具有近似相等的硬度,且在1 h内发生完全再结晶的温度基本相同,约为900℃,但回复和再结晶特性仍存在明显差异。V6WTi合金的起始再结晶温度约为700℃,比V4Ti合金高出约100℃,而比其他两种合金高出约200℃。V8W合金在约300℃退火时出现硬度峰值,其回复和再结晶行为几乎与金属V完全一致。该硬度峰被认为是合金中的O,N和C杂质与位错交互作用的结果,而合金含Ti能明显抑制该交互作用过程。在退火过程中,含Ti合金中出现了许多析出物,该析出物和合金元素W联合作用,使V6WTi合金具有最高的起始再结晶温度。     

反应堆压力容器模拟钢中富Cu原子团簇对材料力学性能的影响

采用淬火和时效处理方法诱发压力容器模拟钢中的微量杂质元素Cu以富铜原子团簇析出。力学性能试验结果表明,富铜原子团簇的出现导致压力容器模拟钢韧脆转变温度出现明显变化,而屈服强度和抗拉强度增长较小,塑性也只有较小程度下降。三维原子探针分析结果表明,富铜原子团簇的数密度为1023 m-3数量级,富铜原子团簇直径为1～3 nm。     

ODS-Eurofer钢微观结构及辐照硬化研究

研究了ODS-Eurofer钢的微观结构及辐照硬化现象。首先用透射电子显微镜(TEM)观察了ODS-Eurofer钢的初始微观组织结构,发现基体中不仅存在几nm至几十nm的氧化物弥散颗粒,还存在具有壳 核结构的大尺寸(直径大于100 nm)颗粒,并观察到纳米颗粒对位错线的钉扎作用。随后用能量为5 MeV的Fe²⁺离子在300 ℃和500 ℃下辐照样品至25 dpa以模拟中子辐照,并用纳米压痕仪和TEM测试表征了辐照所致力学性能和微观结构的变化。结果表明,两种温度下辐照均引起硬度上升,500 ℃时由于辐照产生的点缺陷发生复合,导致硬化效应弱于300 ℃。用TEM观测辐照水平为25 dpa的损伤层发现有少量纳米尺寸位错环,这些位错环是辐照硬化的主要原因。ODS-Eurofer钢初始微观结构对辐照硬化有重要影响,其中晶界、纳米颗粒与基体界面、位错线等能捕获辐照过程中产生的点缺陷,从而抑制辐照位错环的生长。     

ODS-Eurofer钢微观结构及辐照硬化研究

研究了ODS-Eurofer钢的微观结构及辐照硬化现象。首先用透射电子显微镜(TEM)观察了ODS-Eurofer钢的初始微观组织结构,发现基体中不仅存在几nm至几十nm的氧化物弥散颗粒,还存在具有壳-核结构的大尺寸(直径大于100 nm)颗粒,并观察到纳米颗粒对位错线的钉扎作用。随后用能量为5 MeV的Fe~(2+)离子在300℃和500℃下辐照样品至25 dpa以模拟中子辐照,并用纳米压痕仪和TEM测试表征了辐照所致力学性能和微观结构的变化。结果表明,两种温度下辐照均引起硬度上升,500℃时由于辐照产生的点缺陷发生复合,导致硬化效应弱于300℃。用TEM观测辐照水平为25 dpa的损伤层发现有少量纳米尺寸位错环,这些位错环是辐照硬化的主要原因。ODS-Eurofer钢初始微观结构对辐照硬化有重要影响,其中晶界、纳米颗粒与基体界面、位错线等能捕获辐照过程中产生的点缺陷,从而抑制辐照位错环的生长。     

金属镱低压吸氘研究

在真空系统中的氘压低于0.1 MPa条件下研究了金属镱的吸氘性能,并对不同原子比的氘化物的物相进行了分析.在常压、300 ℃下,金属镱吸氘不明显;400 ℃时,金属镱经较长时间活化后吸附一定量的氘;500 ℃时,镱升华.400 ℃时的吸氘实验结果表明:从活化至开始吸氘直至吸附平衡需很长时间;氘/镱原子比的高低与吸氘时间有关,饱和吸氘时的原子比最大为2.00;金属镱为面心立方(fcc)结构,a0=0.549 2 nm.具有不同原子比的氘化镱的X射线衍射(XRD)分析结果显示:氘化镱有2种结构,即面心立方结构(a0=0.524 nm)和正交结构(a0=0.588 nm、b0=0.358 nm、c0=0.678 nm);金属镱吸氘后,立方结构氘化镱晶格常数及晶胞体积均发生收缩现象,收缩率分别约为4%和11%.正交结构氘化镱晶胞体积收缩约14%.     

间隙原子在核石墨中迁移与结合规律的模拟计算

为明确核石墨中间隙原子的存在形态与演化规律,利用第一性原理模拟研究间隙原子间的相互作用及其迁移、结合行为.研究表明:同一石墨片层上的间隙原子间存在引力,间距大于0.5 nm时其相互作用能可忽略;间隙原子倾向于沿扶手椅形方向迁移、结合,两间隙原子结合后降低的结构能约为6.0 eV;在间隙原子迁移过程中,整个迁移、结合反应...     

双束同时辐照低活性Fe-Cr-Mn(W、V)合金微观组织损伤的影响

研究了时效热处理低活性Fe Cr Mn(W、V)钢双束同时辐照损伤行为 ,结果表明 :92 3K/ 3 0 0 0h时效合金 ,经单独电子辐照 (1 0a- 1)出现低密度空洞 ,而经双束同时辐照的时效合金 ,在辐照初期就形成间隙型位错环和微小空洞。与无时效合金相比 ,随时效温度增加 ,空洞尺寸、空洞密度和空洞肿胀量增大。随时效温度的提高碳化物析出数量增多 ,奥氏体中合金元素Cr、Mn、W、V降低 ,He的存在有效地促进空洞肿胀量增大。     

充氚不锈钢中氦行为的PAL和TEM研究

对充氚和未充氚的抗氢-2(HR-2)不锈钢样品进行退火处理,利用正电子湮没寿命谱(PAL)以及透射电镜(TEM)等技术探讨不锈钢中氦和微缺陷的相互作用。未充氚样品中,退火温度对缺陷态的影响主要表现为偏聚物在晶界的析出。充氚样品实验中,退火温度小于300℃时,充氚不锈钢中的He原子主要通过自捕获机制在晶内缺陷处聚集成泡;热处理温度为300～600℃时,充氚不锈钢中的He原子主要通过热迁移的方式迁移至晶界导致晶界宽化,但晶界处无明显的He泡形成;热处理温度大于600℃时,热平衡空位开始发挥作用,与聚集在晶内缺陷处的He原子结合形成He泡,且随退火温度的升高,He泡有明显聚合长大的现象。     

熔融铅锡合金与冷却剂相互作用热细粒化研究

堆芯熔融物与冷却剂相互作用(Fuel Coolant Interaction,FCI)是核反应堆严重事故下可能发生的严重问题之一。为进一步了解FCI现象及解明热细粒化过程的关键影响因素,本文通过可视化实验方法,采用铅锡合金模拟材料开展实验研究。采用高速摄像系统对反应过程进行图像采集,通过计算熔融物所占像素点的面积得到熔融物的截面积;收集反应碎片,从实验产物形貌、相互作用过程状态及熔融物周围气体分布三个方面对影响热细粒化过程的熔融物初始温度、质量及冷却剂温度展开研究。结果对比分析表明:熔融物温度升高,热细粒化程度先增加后减小;初始水体量一定的情况下,熔融物质量增加,可能导致熔融物细粒化程度降低;冷却剂过冷度增加,热细粒化程度增加。     

真空环境下燃料组件压紧弹簧疲劳应力松弛研究

反应堆燃料组件压紧弹簧需要长期在高温和压应力下服役,其材料的正确选型对燃料组件的设计具有重要意义。针对反应堆运行过程中可能因机械振动和流致振动等引起的压紧弹簧疲劳破坏现象,本文对三种备选奥氏体不锈钢压紧弹簧(GH 2132、632和GH4169)在450℃条件下进行了10万次疲劳循环的真空疲劳试验。试验结果表明:所有弹簧均保持形态完整,没有出现断裂失效现象。GH4169弹簧在试验后没有发现明显的析出物。同时其处于低层错能状态,位错运动形式更多的是单滑移,变形过程中塑性的累积困难,表现出较好的抗应力松弛性能。最终优选GH4169作为反应堆组件压紧弹簧备选材料,为反应堆燃料组件设计与制造提供一定参考。