Fe-Cr-X合金的辐照诱导晶界偏聚和团簇行为及机理研究

Ferritic/Martensitic steels are important candidate materials for structural components in the next generation fusion and fission reactors. Still these alloys suffer from the effect of irradiation, which could result in significant change in microstructure and mechanical properties. However, the mechanism of radiation induced damage is still not fully understood. This proposal focuses on the study of effect of alloying elements on the microstructure evolution of binary Fe-Cr alloy under irradiation conditions. It will systematically address the solute segregation/depletion phenomenon at grain boundaries, and the clustering behavior in the matrix as well as in the adjacent matrix of grain boundaries. By applying the HRTEM-APT correlative method, all possible factors such as irradiation conditions, grain boundary misorientations and dislocation distributions will be taken into account. The results will provide important fundamental knowledge to enable the breakthrough of designing and developing the advanced structural materials for nuclear application.

铁素体/马氏体合金是下一代聚变/裂变反应堆重要的结构备选材料。但是在辐照条件下，该系合金的硬化和脆化严重制约了其在反应堆中使用。掌握其辐照损伤机理，是进一步有效缓解和解决脆硬化问题的前提条件。本项目在二元Fe-Cr合金的基础上，引入第三元重要微量合金元素，研究第三元合金元素对辐照条件下溶质团簇形成和晶界偏聚影响规律。利用高分辨透射电镜—三维原子探针联机表征技术和最新数据分析技术（最大分离原理），实现对材料在三维空间纳米尺度上结构和化学成分信息的综合提取，揭示微量合金元素对溶质原子在晶界处偏析及贫化的影响规律，结合辐照条件（温度、剂量、氦引入），晶界取向，位错的分布与迁移等因素之间的交互作用，揭示辐照诱导偏析/贫化形成机理和各类析出相在基体内和晶界两侧的形核动力学，建立完整的辐照条件下微观结构的演变模型。本研究成果为新型耐辐照材料设计开发，和辐照缺陷的预报和控制提供关键理论基础和实验依据。

铁素体/马氏体合金是下一代聚变/裂变反应堆重要的结构备选材料。但是在辐照条件下，该系合金的硬化和脆化严重制约了其在反应堆中使用。掌握其辐照损伤机理，是进一步有效缓解和解决脆硬化问题的前提条件。本项目在二元Fe-Cr合金的基础上，引入第三元重要微量合金元素，结合高分辨透射电镜—三维原子探针联机表征技术和最新数据分析技术（最大分离原理算法），研究第三元合金元素对辐照条件下溶质团簇形成和晶界偏聚影响规律。研究表明，辐照对W在高角度晶界上的分布影响极小，空位机制和间隙机制几乎是平衡的，而在低角度晶界和Sigma 3晶界上，空位机制起主要作用，导致W在晶界上的贫化；另外W对于抑制Cr在高角度晶界上贫化现象作用并不明显，而Mo的添加则有助于降低Cr在高角度晶界上的贫化。其次，溶质原子Cr在晶界上的偏聚/贫化状态直接影响晶界两侧α’相团簇的形核规律，晶界对于其两侧团簇形核的影响区远超其浓度影响区。在低角度晶界和Simga 3这类晶界上，Cr受间隙原子的影响向晶界偏聚，因此导致紧邻晶界处的团簇数量密度要超过远离晶界处；而由于Sigma 3晶界受到强烈的间隙作用的影响，与基体相比，大量Cr原子在晶界偏聚抑制了晶界两侧团簇的形成；而低角度晶界上的间隙机制促进了晶界两侧团簇的形核；在高角度晶界上，空位机制导致Cr的贫化，促进远离晶界处的团簇形核，同时加速了紧邻晶界处团簇的长大。另外，第三元合金元素W和Mo的添加对于基体内α’相的团簇形核有着截然不同的影响机制。添加了W之后会明显抑制团簇的形核，同时抑制团簇长大，而Mo则对团簇的形核和长大均有着积极的促进作用。综上所述，本研究揭示了微量合金元素对溶质原子在晶界处偏析及贫化的影响规律，阐明了辐照诱导偏析/贫化形成机理和析出相在基体内和晶界两侧的形核动力学，基本建立了完整的辐照条件下三元Fe-Cr-X合金的微观结构的演变模型。本研究成果对新型耐辐照材料设计开发有着积极意义，同时为辐照缺陷的预报和控制提供了理论基础和实验依据。