金属材料力学性能的辐照硬化效应

开展金属材料力学性能的辐照硬化研究对抗辐照材料的设计及工程应用具有重要意义. 材料辐照损伤效应主要包括材料原子移位产生的辐照缺陷以及由核反应产生的氢、氦等气体杂质对材料性能的影响. 金属材料的辐照效应主要包括辐照硬化、辐照脆化和辐照蠕变等. 该文主要综述在低温(T < 0.3 T_m, T_m 是材料的熔点温度) 和低辐照剂量下, 由原子移位损伤产生的辐照缺陷所导致的辐照硬化行为, 即受辐照缺陷的影响, 材料的强度会升高. 材料的晶粒尺寸、晶界以及温度等因素对多晶材料的辐照硬化具有重要影响. 金属材料力学性能的辐照硬化研究是个多尺度问题, 其宏观力学性能既取决于微观尺度上辐照缺陷导致晶粒内部结构的变化, 也取决于细观尺度上晶粒间的相互作用. 该文从实验结果、数值模拟和理论模型三方面综述金属材料力学性能的辐照硬化研究进展. 在此基础上, 展望了该领域中存在的主要科学问题.      

钨塑性变形与断裂行为及其辐照效应的研究综述

金属钨具有独特的力学特性和物理化学特性,是核能、航空航天、微机电系统等领域广泛应用的结构材料.钨在服役条件下的变形和断裂行为是影响其服役状态的关键因素之一.但是,钨的塑性变形和断裂表现出异于其它金属材料的力学行为,比如,屈服强度表现出非施密特效应和拉压不对称性,断裂韧性低且具有各向异性、尺寸效应和温度效应,等等.这些特性与钨的位错特性、晶界特性、晶粒尺寸、晶粒取向等微结构紧密相关.辐照条件下高能粒子与钨原子的相互作用会引起其微观组织结构的变化,形成的位错、位错环等辐照缺陷导致钨的辐照硬化和辐照脆化,揭示钨微结构与力学行为之间的物理关系、研究辐照对钨力学行为的影响机制成为近年来关注的热点.论文围绕钨的塑性变形和断裂行为及其辐照效应,从实验、理论、模拟三个方面综述研究者们在原子尺度、位错尺度、单晶尺度、多晶宏观尺度取得的研究成果;最后,对钨力学行为研究方面的重要问题做出展望.     

金属材料辐照缺陷演化的分子动力学研究进展

辐照条件下,高能粒子在金属材料内部引入稠密的辐照缺陷,导致材料力学性能严重退化,缩短材料服役寿命,是辐照材料研究的关键问题。辐照缺陷多处在纳米尺度,故分子动力学方法是模拟辐照缺陷的有力工具,近年来被广泛用于研究辐照缺陷演化。本文总结了金属材料中辐照缺陷演化的分子动力学研究进展,介绍了级联碰撞、点缺陷、空洞、氦泡、Frank位错环、层错四面体等辐照缺陷,及其与位错、晶界等微结构的相互作用。分子动力学方法揭示的机制与模型,深化了学界对辐照效应的认识,有助于提高辐照材料力学性能和设计耐辐照材料。     

金属材料辐照缺陷演化的分子动力学研究进展

辐照条件下,高能粒子在金属材料内部引入稠密的辐照缺陷,导致材料力学性能严重退化,缩短材料服役寿命,是辐照材料研究的关键问题。辐照缺陷多处在纳米尺度,故分子动力学方法是模拟辐照缺陷的有力工具,近年来被广泛用于研究辐照缺陷演化。本文总结了金属材料中辐照缺陷演化的分子动力学研究进展,介绍了级联碰撞、点缺陷、空洞、氦泡、Frank位错环、层错四面体等辐照缺陷,及其与位错、晶界等微结构的相互作用。分子动力学方法揭示的机制与模型,深化了学界对辐照效应的认识,有助于提高辐照材料力学性能和设计耐辐照材料。     

金属材料力学性能的辐照氦效应研究进展

金属材料在辐照过程中会发生嬗变反应,从而在材料内部形成氦泡,进而影响金属材料的宏观力学行为。因此,开展氦影响下金属材料力学性能的研究对抗辐照材料的设计及工程应用具有重要意义。氦对材料力学行为的影响是一个典型的多尺度问题,故本文从从原子尺度到宏观尺度针对含氦金属材料力学行为的研究方面进行了总结,主要包括氦原子的产生、氦团簇/氦泡的形成、氦泡在材料中的微观行为以及氦对材料宏观力学性能的影响。在此基础上,展望了该领域中存在的主要科学问题。     

金属材料力学性能的辐照氦效应研究进展

金属材料在辐照过程中会发生嬗变反应,从而在材料内部形成氦泡,进而影响金属材料的宏观力学行为。因此,开展氦影响下金属材料力学性能的研究对抗辐照材料的设计及工程应用具有重要意义。氦对材料力学行为的影响是一个典型的多尺度问题,故本文从从原子尺度到宏观尺度针对含氦金属材料力学行为的研究方面进行了总结,主要包括氦原子的产生、氦团簇/氦泡的形成、氦泡在材料中的微观行为以及氦对材料宏观力学性能的影响。在此基础上,展望了该领域中存在的主要科学问题。     

预应变对中子辐照高纯铝拉伸性能的影响

金属材料的中子辐照硬化和脆化一直都是核能安全领域十分关注的重要问题之一.为了进一步认识预应变对中子辐照金属材料塑性形变和最终断裂特性的影响规律,及其微观机理,本文研究了10%拉伸预应变高纯铝的拉伸应力-应变曲线、失稳应力和失稳应变等随辐照剂量的变化规律.结果表明,辐照剂量越高,预应变高纯铝内部孔洞的尺寸和数密度越高,导致屈服强度和极限拉伸强度越高,均匀延伸率和失稳应变越小,表现出典型的辐照硬化和脆化效应,但失稳应力与辐照剂量几乎无关.相同辐照剂量条件下,预应变引入的高密度位错能够显著降低辐照孔洞的尺寸和数密度,加之辐照退火效应的综合影响,导致预应变能够降低高纯铝屈服强度的增长率和失稳应变的下降率,从而表现出一定的抑制辐照硬化和脆化的能力,预应变还能够提高高纯铝的失稳应力,但整体而言预应变并不能提高高纯铝的延性.最后,基于J-C本构模型的中子辐照退火态金属材料的脆化模型能够直接应用于预应变金属材料,且模型预测结果与实验结果吻合较好.     

预应变对中子辐照高纯铝拉伸性能的影响

金属材料的中子辐照硬化和脆化一直都是核能安全领域十分关注的重要问题之一. 为了进一步认识预应变对中子辐照金属材料塑性形变和最终断裂特性的影响规律, 及其微观机理, 本文研究了10%拉伸预应变高纯铝的拉伸应力-应变曲线、失稳应力和失稳应变等随辐照剂量的变化规律. 结果表明, 辐照剂量越高, 预应变高纯铝内部孔洞的尺寸和数密度越高, 导致屈服强度和极限拉伸强度越高, 均匀延伸率和失稳应变越小, 表现出典型的辐照硬化和脆化效应, 但失稳应力与辐照剂量几乎无关. 相同辐照剂量条件下, 预应变引入的高密度位错能够显著降低辐照孔洞的尺寸和数密度, 加之辐照退火效应的综合影响, 导致预应变能够降低高纯铝屈服强度的增长率和失稳应变的下降率, 从而表现出一定的抑制辐照硬化和脆化的能力, 预应变还能够提高高纯铝的失稳应力, 但整体而言预应变并不能提高高纯铝的延性. 最后, 基于J-C本构模型的中子辐照退火态金属材料的脆化模型能够直接应用于预应变金属材料, 且模型预测结果与实验结果吻合较好.      

位错动力学方法在辐照损伤力学中的应用

核能是人类最理想的清洁能源之一,在世界能源结构中发挥着巨大作用。核裂变或核聚变导致的辐照环境会引起材料的辐照损伤,进而显著影响材料的力学性能,造成辐照硬化、脆化、蠕变、肿胀等现象。无论是预测辐照材料的服役寿命,还是设计新型的抗辐照材料,都迫切需要建立强辐照环境下的塑性力学和损伤力学理论。分子动力学方法为理解辐照材料中的原子级相互作用机理提供了诸多有价值的信息,然而受限于时空尺度难以直接用于力学理论模型的建立。晶体塑性有限元方法可用于预测辐照材料的力学响应,但是往往需要基于已知的物理模型,并且拟合实验数据。位错动力学方法是联系纳米力学与连续介质力学的桥梁,是揭示大量微结构的累积相互作用机理,建立基于物理机制的塑性力学和损伤力学理论的强有力手段。位错动力学方法起源于上个世纪八十年代,起初主要用于研究位错间的短程和长程相互作用、计算位错运动引起的塑性变形、硬化、软化、变形局部化等。本文将展示三种耦合位错动力学和辐照损伤场的方法,并系统地综述研究者近年来使用该方法在理解辐照硬化、塑性变形局部化、晶界效应、温度效应、和发展多尺度耦合方法等方面取得的进展。     

位错动力学方法在辐照损伤力学中的应用

核能是人类最理想的清洁能源之一,在世界能源结构中发挥着巨大作用。核裂变或核聚变导致的辐照环境会引起材料的辐照损伤,进而显著影响材料的力学性能,造成辐照硬化、脆化、蠕变、肿胀等现象。无论是预测辐照材料的服役寿命,还是设计新型的抗辐照材料,都迫切需要建立强辐照环境下的塑性力学和损伤力学理论。分子动力学方法为理解辐照材料中的原子级相互作用机理提供了诸多有价值的信息,然而受限于时空尺度难以直接用于力学理论模型的建立。晶体塑性有限元方法可用于预测辐照材料的力学响应,但是往往需要基于已知的物理模型,并且拟合实验数据。位错动力学方法是联系纳米力学与连续介质力学的桥梁,是揭示大量微结构的累积相互作用机理,建立基于物理机制的塑性力学和损伤力学理论的强有力手段。位错动力学方法起源于上个世纪八十年代,起初主要用于研究位错间的短程和长程相互作用、计算位错运动引起的塑性变形、硬化、软化、变形局部化等。本文将展示三种耦合位错动力学和辐照损伤场的方法,并系统地综述研究者近年来使用该方法在理解辐照硬化、塑性变形局部化、晶界效应、温度效应、和发展多尺度耦合方法等方面取得的进展。     

长期中子辐照 Al-Mg-Si合金的压缩力学行为

利用材料试验机及分离式霍普金森压杆装置,开展长期中子辐照后的Al-Mg-Si合金（反应堆内实际服役近30年的LT21铝合金）在不同温度和应变率下压缩力学行为的实验研究,获得了实验温度、应变率对其屈服强度及流动应力的影响规律。结果表明:材料在一定的温度区间（?40～300 ℃）和应变率区间（0.001～3 000 s?1）内,分别呈现出较为明显的温度效应与正应变率效应;其中在较低的温度（?80～?40 ℃）和较高的应变率（3 000～5 000 s?1）区间力学性能受温度和应变率变化的影响较小;当温度升至300 ℃时,材料的塑性变形行为已趋于理想塑性流动。根据前述实验结果,计及材料内部的微观辐照缺陷对力学性能的影响,建立了考虑辐照损伤的Zerilli-Armstrong本构模型,模型的计算结果与前述实验结果吻合较好。结合文献中高纯铝的微观辐照缺陷的演化数据,对不同快中子辐照剂量LT21铝合金的屈服强度,以及另两个来自反应堆内不同受辐照区域试样在不同应变率和温度下的屈服强度进行了计算。上述研究表明,本文建立的考虑辐照损伤的Z-A本构方程不仅能较好地反映长期中子辐照后的Al-Mg-Si合金宏观应力和应变、应变率、温度等参数的关系,也能针对位错运动及辐照硬化机制进行较好地描述,并且能够为反应堆内相应结构元件的设计、运行和安全评估提供一定的参考。     

石墨烯辐照损伤及力学性能研究

石墨烯的加工和掺杂是其工程应用和性能开发的重要手段,离子辐照技术是实现上述目的的有效途径.利用分子动力学方法建立了硅离子辐照石墨烯和辐照后拉伸的数值模型.考虑辐照剂量、辐照能量和辐照角度这3个主要影响因素,研究了不同辐照条件下石墨烯的缺陷类型和数量,并分析了在辐照剂量影响下的拉伸破坏.结果表明:当辐照能量较小时,入射粒子会吸附在石墨烯表面.随着辐照能量的增大,入射粒子会穿透石墨烯而形成缺陷,当辐照能量到达一定值时,再无吸附原子.随着辐照剂量的增加,溅射原子和缺陷数目均增多,且缺陷类型以空位缺陷为主,其拉伸力学性能随着缺陷数量的增加而减小,二者近似成线性关系.辐照后石墨烯的拉伸破坏机理与完美石墨烯的有所不同,应力强化阶段明显缩短,缺陷带决定其起裂位置和断裂走向.      

金属材料的强韧化

本文主要综述了金属材料的传统强化手段,包括固溶强化、析出强化、相变强化和细晶强化等,但传统强化手段大都以牺牲塑性为代价。非均匀异构金属由于应变梯度效应和背应力硬化能够实现强韧化,成为目前金属结构材料研究的热点。本文对异构金属进行简单的介绍,对金属材料的发展进行了讨论与展望。     

中子辐照金属材料的脆化模型研究

金属材料的辐照脆化问题一直以来都是核能安全领域亟待解决的关键问题之一.为了更准确地预测金属材料的辐照脆化行为,基于Johnson-Cook本构模型,将未辐照金属材料的断裂真应力取作辐照材料的断裂真应力,建立了通过辐照退火态金属材料屈服强度就能够预测其整个真应力$\!$-$\!$-$\!$应变曲线,以及断裂真应变的辐照脆化模型.实验研究了不同中子剂量辐照退火态高纯铝的准静态拉伸真应力$\!$-$\!$-$\!$应变曲线、断裂真应力和断裂真应变随辐照剂量的变化规律.结果表明,辐照剂量越高,高纯铝的屈服强度越高,断裂真应变越低,但断裂真应力几乎不变.通过TEM显微分析获得了高纯铝内部辐照缺陷的尺寸和数密度随辐照剂量的变化规律,结果表明,辐照剂量越高,孔洞的尺寸和数密度越高,但位错环尺寸和数密度始终很小,难以准确统计.由辐照高纯铝实验数据拟合得到了辐照脆化模型所需参数,并检验了该模型的预测效果.结果表明,无论是通过实验还是显微分析得到辐照高纯铝的屈服强度,模型的预测结果均能够与实验结果较好地吻合,且模型对退火态高纯铝临界中子剂量的预测值也与文献结果一致.      

含氦泡辐照老化材料层裂损伤计算方法分析

辐照条件下,一些材料内部产生大量的氦泡等微缺陷,氦泡的大小和数密度随着辐照年限的增长而增长。氦泡分布特征的变化不仅影响材料本身的物理、力学性质,而且直接影响材料层裂损伤演化后期材料破坏颗粒度的分布特征。延性材料的层裂损伤演化过程一般包括孔洞的成核、增长和汇合,但因已有孔洞对新成核孔洞存在抑制作用,当初始孔洞数密度达到一定临界值时,材料内部没有新的孔洞成核,因此,层裂损伤的计算可以不考虑新孔洞成核的影响。本文中基于损伤早期演化的特征,给出了这一临界值的计算方法,并进一步探讨了含氦泡辐照老化钚材料层裂损伤的计算方法。同时,在完善孔洞增长(void growth, VG)层裂损伤模型中参数的确定方法的基础上,借助含氦泡常规铝材料的层裂实验结果,对此问题进行了定性的分析：在氦泡尺寸变化不大的情况下,当氦泡浓度低于临界氦泡浓度时,需要考虑初始氦泡以及新增孔洞的综合影响;反之,可以采用简单的层裂损伤模型,不需要计算孔洞成核,但由于增长孔洞之间的相互影响,损伤模型的初始损伤参数需要重新确定。     

γ射线辐照对机械密封用烧结材料性能的影响

使用不同剂量γ射线对拟用于核电领域机械密封的3种热压烧结材料进行辐照处理,测试了不同辐照条件下材料的热物理性能和力学性能. 使用Plint TE-92摩擦磨损试验机模拟机械密封实际工况进行盘-盘摩擦试验,测试了相同材料自配副的摩擦磨损性能,并采用扫描电子显微镜(SEM)和ZYGO白光干涉仪等表征分析方法,研究了辐照条件对材料微观组织形貌和摩擦磨损机理的影响. 结果表明:本文中γ射线辐照剂量对烧结材料的组织形貌和物理、力学性能影响较小. 在水润滑条件下,烧结材料自配副的摩擦系数为0.04~0.06,没有出现明显的磨损情况,辐照对材料的摩擦磨损性能没有明显影响.      

磨料水射流冲蚀金属损伤形貌特征及机理研究

针对前混合磨料水射流冲蚀过程,进行了冲蚀试验及仿真研究.从试验中得到了材料冲蚀损伤形貌特征.采用SPH耦合FEM方法建立相应的冲蚀模型,对材料冲蚀过程进行模拟分析,揭示了材料损伤形貌特征产生的机理.结果表明:随着冲蚀深度的增加,磨料颗粒的冲蚀动能逐渐减小,冲蚀角度逐渐增大,材料冲蚀损伤由微切削和微犁削逐渐变为冲击变形,材料冲蚀损伤断面的形貌特征逐渐恶化,具体表现为拖尾角和表面粗糙度逐渐增大.不同金属材料损伤断面形貌特征具有相似性,但是金属材料属性的差异会对磨料冲蚀过程产生影响,导致条纹在材料损伤断面上的分布和条纹角度出现差异.由于材料损伤形貌特征受控于磨料颗粒运动特性,因此材料冲蚀断面质量改善应该从改变磨料颗粒运动特性角度出发,这为进一步研究材料冲蚀断面质量改进奠定了理论基础.     

原子氧辐照对填充聚酰亚胺复合材料结构和摩擦学性能的影响

采用热压成型制备了固体润滑剂填充改性的聚酰亚胺(PI)复合材料,用一定剂量的原子氧对改性的PI复合材料表面进行辐照处理.利用X-射线光电子能谱仪(XPS)和傅里叶红外光谱仪(FTIR-ATR)分析了辐照前后PI复合材料的结构变化,并采用UMT摩擦磨损试验机评价了原子氧辐照前后改性PI复合材料的摩擦学性能,最后用扫描电子显微镜(SEM)分析了PI复合材料的磨损表面.结果表明:原子氧辐照后PI复合材料的树脂以及填充相发生了一定程度的氧化,其表面树脂分子链发生了部分断裂和降解,表面粗糙、碎屑增多,导致复合材料的摩擦系数增大,摩擦学性能下降,辐照前后复合材料的磨损机理发生了变化,辐照前复合材料主要表现为黏着磨损,辐射后表现为轻微犁削和磨粒磨损.     

γ辐照对a-C: H薄膜微观组织、力学性能及摩擦学性能的影响

近年来随着核能及其核装备的发展,辐照环境下高能粒子对润滑材料服役行为的影响受到越来越多的关注. 本研究利用自行设计研制的磁控溅射系统制备a-C: H润滑薄膜,并对其进行伽马 (γ) 辐照处理. 考察γ辐照康普顿效应对a-C: H薄膜微观组织、力学性能和摩擦学性能的影响. 结果表明:经γ辐照后a-C: H薄膜存在由sp2杂化C原子结构向sp3杂化C原子结构转变的趋势,且辐照使得C-H键发生断裂,薄膜内H原子的键合能降低. 伽马辐照使得a-C: H薄膜的纳米机械性能显著提高,辐照样品的残余应力也随辐照剂量呈增加趋势. 此外,γ辐照也使得a-C: H薄膜的摩擦系数和磨损率轻微增加. 综合分析可知,γ辐照在测试剂量范围内对a-C: H薄膜的摩擦性能影响有限,但辐照诱发应力的增加是限制其在核环境中应用的主要因素.      

高熵合金辐照硬化与力学性能研究

高熵合金由于多主元元素混合引起高熵结构效应,使其具有优异的物理、力学和化学特性,如高强度、高耐磨性、耐蚀性、热稳定性、优异的抗辐照性能等。然而,辐照诱发高熵合金材料的硬化行为和力学性能预测仍缺少相关研究,严重地限制了对其长期服役后材料性能的评估。基于晶体塑性理论结合实验结果,研究了空洞形状依赖的硬化行为、位错环诱发的硬化行为以及氧化物弥散增强的高熵合金力学性能。研究发现,考虑多面体空洞与位错的概率依赖的空间交互作用,能够更加准确地预测辐照金属的屈服应力;晶格畸变对屈服强度,有着重要的贡献;氧化物弥散相对位错运动起强烈钉扎的作用,从而对强度产生影响,直接决定抗辐照性能。高熵合金作为一种具有综合优异力学性能的新型结构材料,在先进核能系统中有望被广泛应用,比如核反应堆的核燃料包壳管。