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

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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·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