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1、1材料成分、组织结构与性能的关系材料成分、组织结构与性能的关系材料成分材料成分组织结构组织结构使役性能使役性能工艺工艺各组成元素含量各组成元素含量冶炼、锻造、焊接、冶炼、锻造、焊接、热处理、表面处理、热处理、表面处理、形变、等等形变、等等结合键、晶体结构、结合键、晶体结构、组织、内部缺陷组织、内部缺陷机械机械:强度、韧性等强度、韧性等物理物理:导热、导电等导热、导电等化学化学:耐腐、相容性耐腐、相容性210m10m金属材料的组织金属材料的组织组织是指用金相观察方法观察材料内部时看到的涉及晶组织是指用金相观察方法观察材料内部时看到的涉及晶体或晶粒大小、方向、形状排列状况等组成关系的组成体或晶粒大
2、小、方向、形状排列状况等组成关系的组成物。物。2020钢退火态组织照片钢退火态组织照片304304不锈钢不锈钢SEMSEM照片照片 变形变形304304钢钢TEMTEM照片照片 AFM/MFM AFM/MFM图像图像 250nm250nma a g g扫描隧道显微镜C原子排列3亚晶结构亚晶结构1.变形后的石英晶体中的亚晶结构2.挤出后经450oC退火后纯铝中的亚晶结构3.挤出后纯铝中被拉长的晶粒和亚晶结构4孪晶结构孪晶结构1.70%Cu-30%Zn合金孪晶结构2.奥氏体不锈钢的孪晶结构3.奥氏体不锈钢的孪晶结构5位错结构位错结构1.TEM下观察到316L不锈钢(00Cr17Ni14Mo2)的位
3、错线与位错缠结 2.马氏体钢固溶处理后急冷残余奥氏体中的位错 011g200 nm3.Fe-40at%Al(B2)单晶体室温变形后的位错结构。塑性应变e=13%,位错密度 r=2.41010 cm-2.镍中的位错镍中的位错6共析钢共析钢-珠光体珠光体球化珠光体球化珠光体低碳钢低碳钢-珠光体珠光体1.4%carbon steel铁素体铁素体 Ferrite碳钢组织碳钢组织7白口铸铁白口铸铁8灰口铸铁灰口铸铁9球墨铸铁球墨铸铁马氏体马氏体含部分残余奥氏体的马氏体Fe-30Ni-0.31C钢的马氏体以德国科学家以德国科学家Adolph MartensAdolph Martens命名的命名的一种钢的淬
4、火硬化相。一般认为马氏一种钢的淬火硬化相。一般认为马氏体是指钢被快速从高温奥氏体区中淬体是指钢被快速从高温奥氏体区中淬火得到的碳在火得到的碳在FeFe中的过饱和固溶中的过饱和固溶体，体，C C原子嵌入体心立方晶格的间隙，原子嵌入体心立方晶格的间隙，使晶格畸变为四方结构。使晶格畸变为四方结构。针状马氏体板条马氏体贝氏体组织贝氏体组织Fe-0.43C-2Si-3Mn钢部分转变形成的上贝氏体组织钢部分转变形成的上贝氏体组织(a)光学显微照片光学显微照片(b,c)明场和暗场像明场和暗场像(d)羽毛状组织羽毛状组织(a)光学显微照片光学显微照片 (b)TEM照片照片普通碳钢的下贝氏体组织普通碳钢的下贝氏
5、体组织 钢经过淬火+高温回火处理后，可以得到贝氏体组织，分上贝氏体和下贝氏体，上贝氏体组织粗大，脆性大；下贝氏体组织精细，亚结构为位错型，因此强度高、塑性和韧性好。锆合金的微观组织锆合金的微观组织Representative dislocation features observed in(a)n=3 and(b)n=7 deformation regimes(SB sub-boundaries).(a)Recrystallized grain structure of a Zr1Sn1Nb0.2Fe alloy showing a-Zr grains with b-Zr phases as
6、boundary phases.(b)Dislocation structures in the same alloy.I.Charit and K.L.Murty.Creep behavior of niobium-modified zirconium alloys.Journal of Nuclear Materials 374(3):354-363,2008.镍基合金的微观结构碳化物析出镍基合金的微观结构碳化物析出A类，碳化物在晶界析出B类，重结晶后，碳化物在原始晶界网状析出B类，重结晶后，碳化物在晶内和原始晶界网状析出材料的晶体性质材料的晶体性质晶体晶体非晶体非晶体构成晶体的原子、分子
7、或原子集团构成晶体的原子、分子或原子集团在空间是按一定的几何规律规则排在空间是按一定的几何规律规则排列的，因而晶体具有一定的熔点，列的，因而晶体具有一定的熔点，且具有各向异性的特点。绝大多数且具有各向异性的特点。绝大多数的工程材料，如金属及其合金、陶的工程材料，如金属及其合金、陶瓷等，天然的岩石、矿物都是晶体。瓷等，天然的岩石、矿物都是晶体。非晶体中的质点是无规排列的，如非晶体中的质点是无规排列的，如多数的玻璃和聚合物。多数的玻璃和聚合物。金属、陶瓷材料绝大部分具有晶体结构金属、陶瓷材料绝大部分具有晶体结构纯铁的显微组织纯铁的显微组织晶界、晶粒、取向晶界、晶粒、取向晶体原子排列晶体原子排列空间
8、点阵、晶格空间点阵、晶格晶胞晶胞纯铁金属的晶体结构纯铁金属的晶体结构7个晶系个晶系14种布拉菲点阵种布拉菲点阵abca ab bg g90 立方立方 四方四方 三方三方 简单六方简单六方 正交正交 单斜单斜 三斜三斜初基初基底心底心体心体心面心面心 a=b=ca a=b b=g g=90a=bca a=b b=g g=90a=b=ca a=b b=g g90a=b,g g=120a a=b b=90abca a=b b=g g=90abca a=g g=90b b90晶胞晶胞空间点阵几何规律的基本空间单元，空间点阵几何规律的基本空间单元，一般取最小平行六面体。一般取最小平行六面体。结结 构构
9、特特 征征 面面 心心 立立 方方(fcc)体体 心心 立立 方方(bcc)密密 排排 六六 方方(hcp)点点 阵阵 常常 数数 a a a,c(c/a=1.633)原原 子子 半半 径径 R 24a 34a 2212234aac 晶晶 胞胞 内内 原原 子子 数数 4 2 6 配配 位位 数数 12 8 12 致致 密密 度度 0.74 0.68 0.74 数数 量量 8 12 12 四四 面面 体体 间间 隙隙 大大 小小 0.225R 0.291R 0.225R 数数 量量 4 6 6 八八 面面 体体 间间 隙隙 大大 小小 0.414R 0.154R 0.633R 0.414R 实
10、际金属晶体中的缺陷实际金属晶体中的缺陷n点缺陷点缺陷n线缺陷线缺陷n面缺陷面缺陷金属材料的强化金属材料的强化(硬化硬化)机理机理固溶强化固溶强化细晶强化细晶强化沉淀强化沉淀强化/第二相强化第二相强化相变强化相变强化位错塞积位错塞积21dkYis形变强化：形变强化：SKn粒子辐照引起的材料硬化和脆化粒子辐照引起的材料硬化和脆化n晶格内形成缺陷晶格内形成缺陷q空位空位q位错环位错环n沉淀硬化沉淀硬化q沉淀析出第二相粒子沉淀析出第二相粒子q成分偏析成分偏析n嬗变嬗变q生成的气体形成孔洞或气泡，或在晶界聚集生成的气体形成孔洞或气泡，或在晶界聚集q合金成分改变合金成分改变辐照与固体物质之间的交互作用辐照
11、与固体物质之间的交互作用n辐照入射粒子包括下列三种辐照入射粒子包括下列三种:q中性粒子中性粒子:中子中子,gamma 射线射线(光子光子)q带电粒子带电粒子:粒子粒子(He核核)、质子、电子、质子、电子q高能原子、离子高能原子、离子:裂变产物、一次碰撞反冲原子、加速的离子裂变产物、一次碰撞反冲原子、加速的离子n固体物质固体物质(靶靶):q相对于入射粒子的能量，固体物质相对于入射粒子的能量，固体物质(靶靶)可看作是相对静止的原可看作是相对静止的原子，子，q靶原子核具有质量，电子具有靶原子核具有质量，电子具有keV的能量的能量n入射粒子与固体之间的交互作用取决于入射粒子与固体之间的交互作用取决于q
12、入射粒子的带电荷数入射粒子的带电荷数q入射粒子的速率入射粒子的速率q入射粒子与原子的原子核和核外电子之间的作用是相对独立的入射粒子与原子的原子核和核外电子之间的作用是相对独立的q交互作用用散射截面来衡量交互作用用散射截面来衡量为什么要关心辐照效应为什么要关心辐照效应n辐照损伤是裂变、聚变反应堆、加速器等核系统中面向粒子辐辐照损伤是裂变、聚变反应堆、加速器等核系统中面向粒子辐照材料的主要老化原因？照材料的主要老化原因？n虽然辐照产生的缺陷尺寸非常小，但使材料在宏观上表现出的虽然辐照产生的缺陷尺寸非常小，但使材料在宏观上表现出的力学性能、化学性能和使用寿命等方面都有较大变化力学性能、化学性能和使用
13、寿命等方面都有较大变化n辐照损伤的原理非常复杂，材料晶体结构、其中的某些元素、辐照损伤的原理非常复杂，材料晶体结构、其中的某些元素、组织状态、辐照的温度等因素都对辐照效应产生影响组织状态、辐照的温度等因素都对辐照效应产生影响n辐照使金属材料内部产生大量空位、位错、空洞、元素偏析辐照使金属材料内部产生大量空位、位错、空洞、元素偏析(沉淀沉淀)等，对于金属材料宏观上表现为体积肿胀、屈服强度升等，对于金属材料宏观上表现为体积肿胀、屈服强度升高、韧性下降；对于高分子材料，会引起长分子链断裂，使材高、韧性下降；对于高分子材料，会引起长分子链断裂，使材料失去弹性、开裂、发生脆化。料失去弹性、开裂、发生脆化
14、。n研究辐照损伤的目的：理解损伤机理、预测辐照对材料性能的研究辐照损伤的目的：理解损伤机理、预测辐照对材料性能的影响、开发新型耐辐照材料影响、开发新型耐辐照材料辐照损伤效应：原因和结果辐照损伤效应：原因和结果n原因原因q原子离位原子离位q嬗变损伤嬗变损伤(尤其是尤其是He和和H)q热效应、应力和成分偏析。热效应、应力和成分偏析。n辐照结果辐照结果q尺寸不稳定性：肿胀伸长尺寸不稳定性：肿胀伸长q低塑性和蠕变失效时间低塑性和蠕变失效时间q低的断裂韧性低的断裂韧性q更高的环境促进开裂更高的环境促进开裂水冷堆构件辐照损伤程度水冷堆构件辐照损伤程度LWR部件部件T()(n/cm2s)t(n/cm2)dp
15、aHe(MPa)锆合金燃料包壳锆合金燃料包壳3502101310211136反应堆压力容器反应堆压力容器2901010210190.03115堆内构件堆内构件330-370 10121022-102410-10030-500dpa是一个衡量材料辐照损伤程度的一种方法，它表示晶格上的原子被粒子轰击离开原始位置的次数与晶格上的原子数量之比。例如，10dpa表示材料中每个原子被平均离开原始位置10次。快中子辐照会使材料发生脆化。辐照脆化是由材料内钉扎位错移动的障碍密度的增加而引起的，这些位错移动障碍包括Frank位错环、空位、间隙原子、位错以及第二相沉淀(如富Cu的原子团等)，它们使材料的延性大大降
16、低。不同堆型堆芯材料辐照损伤程度辐照对金属晶体的损伤辐照对金属晶体的损伤SS内的位错环和偏析(1)辐照形成位错、空位陷(2)中子辐照后嬗变，释放He气如10B(n,)，58Ni(n,)59Ni(n,)反应、56Fe(n,)，基体形成空洞造成的肿胀、发生脆化；(3)微观成分变化：在晶界附近形成成分偏析(4)相变 晶界气泡损伤过程损伤过程nStep 1-高能入射粒子与晶格上的原子发生交互作用高能入射粒子与晶格上的原子发生交互作用nStep 2-入射粒子将动能传递给被撞原子入射粒子将动能传递给被撞原子nStep 3-使被撞原子离开晶格阵点，成为主撞原子使被撞原子离开晶格阵点，成为主撞原子(PKA-“Primary Knock-on Atom”)nStep 4-PKA继续撞击其它原子继续撞击其它原子nStep 5-形成原子离位峰形成原子离位峰(级联碰撞级联碰撞-displacement cascade)nStep 6-级联碰撞停止，留下空位级联碰撞停止，留下空位(vacancy)和间隙原子和间隙原子(interstitial)，以及空位和间隙原子的团簇，以及空位和间隙原子的团簇(cluster
