铁素体马氏体钢he效应研究

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1、分类号：密级：研究生学位论文论文题目（中文）铁素体/马氏体钢He效应研究StudyofHeeffectsinFerritic/Martensitic论文题目（外文）steel研究生姓名王霁学科、专业物理学·粒子物理与原子核物理研究方向金属材料的辐照损伤学位级别博士王志光研究员导师姓名、职称谢二庆教授论文工作起止年月2010年09月至2015年10月论文提交日期2015年10月论文答辩日期2015年11月学位授予日期校址：甘肃省兰州市铁素体/马氏体钢He效应研究摘要反应堆结构材料在反应堆的强中子辐照场下由(n,α)反应将产生大量He元素，这些He元素的存在最终将导致反应堆结构材料

2、发生肿胀、脆化等一系列性能恶化的He效应。在众多反应堆候选结构材料中，铁素体/马氏体（F/M）钢因为具有较强的抗辐照肿胀性能、良好的导热性能、较强的机械性能等优点而备受关注。针对F/M钢由He元素导致的肿胀、力学性能恶化等问题，本论文工作选择商用F/M钢T91以及新研制的低活化F/M钢SIMP作为研究对象，结合多种测试分析手段对其进行He效应评估对比工作同时也对提高F/M钢抗He效应能力的新方法进行了探索。通过透射电子显微镜（TEM）观察并对比了在系列注He温度下与系列注He剂量下SIMP、T91钢内部He泡的形貌差异、分布状态差异并分析了这些差异产生的因素，探讨了He泡形貌与

3、尺寸的演化过程。发现在所实验的300、450、2020212550℃温度点和1×10、5×10、1×10ions/m剂量点下材料内部He泡的稳定形状都趋于长方体、正方体，并且都趋向于在位错线、晶界、析出物表面等晶体缺陷处分布。在上述注入条件下，SIMP钢内部He的平均尺寸都小于T91钢内部He泡的平均尺寸，表明在同等注He条件下SIMP钢具有更优良的抑制He泡长大的能力。通过扫描电子显微镜对两种钢在室温（RT）、300、450、550℃的注He温度点与2125×10ions/m的注He剂量点下的表面形貌的观察发现在所有的温度点下，SIMP钢表面都没有出现鼓包与脱落现象，而在较低

4、温度段下（RT、300℃）T91钢表面出现了严重的鼓包与脱落现象。为探索F/M钢晶粒细化到一定程度之后对He泡形貌、分布的影响，为具有更高抗He效应能力的细晶粒组织的钢的发展提供参考价值，本论文通过对铁素体/马氏体钢T91进行表面纳米化处理之后对其进行He离子注入实验，结合TEM观察分析其内部He泡形貌、分布特点。结果发现，T91在经过表面纳米化处理之后，在距离表面500nm左右的区域，原来的粗晶粒铁素体/马氏体结构消失，呈现出宽度为20-50nm左右的马氏体板条结构，这些结构的出现大大增加了板条界面的密度，为He的吸收提供了更多的沉降中心。然而TEM结果却显示He泡几乎都分布

5、在板条界面处，并且He泡在界面处相互接触连接充满了板条界面形成了片状结构，I晶粒内部几乎不能找到He泡。He泡的这种分布形式将十分容易导致材料发生沿晶断裂，对于材料的抗He脆效应将是十分有害的。通过分析，我们认为在研制具有更高抗He效应的材料时，不是晶粒越细越好，晶粒尺寸应当大于He泡在其中布朗运动的平均自由程。而且为了防止He泡在某一类型的缺陷结构处过度地聚集，在材料中应当引入种类不同的具有吸收He原子能力的缺陷，如金属氧化物颗粒（Y2O3）等。为了探究辐照场下引起SIMP钢硬化的因素，我们对在不同注He条件下的SIMP钢进行了纳米压痕测试，分析了在不同注He条件下材料的硬度

6、值的变化情况。同时通过TEM对试样内部的缺陷密度、尺寸做了统计，结合DBH模型计算了不同种类的缺陷对材料硬度的影响。发现在SIMP钢中，纳米压痕测试得出材料硬度值增加量和DBH模型计算的硬度值增加量一致，引起其硬度变化的最主要因素来自位错环和He泡的贡献，而且He泡对材料硬度的增加比位错环对材料硬度的增加贡献更大。关键词：铁素体/马氏体钢，He效应，辐照损伤，He泡IIStudyofHeeffectsinFerritic/MartensiticsteelAbstractLargenumberofHeatomswillbeintroducedintostructuralmater

7、ialsservedinreactorsdueto(n,α)reaction.TheexistenceoftheseHeatomswillresultinswellinganddegradationofmechanicalpropertyofstructuralmaterials.Amongthemanycandidatestructuralmaterials,specialfocusesarepaidonferritic/martensitic(F/M)steelbecauseofitss