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金属的辐照损伤和辐照效应介绍

金属受到高能粒子辐照后可以产生种种宏观性质的变化,这一现象叫作"辐照效应"。这是由于高能粒子和金属的点阵原子实发生一系列碰撞,从而在金属内部产生大量的点缺陷。而这种碰撞的原始微观过程叫作"辐照损伤"。
严格说来,辐照损伤和辐照效应各有不同的含义。前者着重讨论辐照粒子所造成的点缺陷的数目和组态,而后者则是研究这些点缺陷进一步的行为和后果。从过程所发生的时间来看,辐照损伤所涉及的原始微观过程只发生在10-11秒之内,而辐照效应所讨论的缺陷迁移过程则需要若干毫秒甚至几个月。但这两个过程是密切联系的,往往难以截然分割;作为核材料的一个独特问题,常放在一起讨论。
辐照损伤 辐照时的入射粒子可以是中子,也可以是带电粒子,如质子,α(氦核He2+),或碳、镍之类的重离子等。下面以中子为例说明辐照损伤的各种过程(见晶体结构,晶体缺陷)。
① 当中子和金属点阵内的某一靶原子的核(靶核)相碰撞,中子就将其能量的一部分传递给靶原子。如果所传递的能量大于某一个称作离位阈能(Ed)的阈值(一般约为25eV),被击原子就脱离它的平衡位置,成为一个初级击出原子,并在原地留下了一个空位。初级击出原子还可以和点阵中的其他原子相碰撞得到二级击出原子;依此类推,构成了一个串级过程。其结果是产生了一系列点缺陷,包括空位和间隙原子,见图1。需要说明,这是最简单的模型。在这个模型中假定了碰撞事件是孤立的,每次碰撞只涉及二体的作用,而且忽略了金属内原子排列的方向性。 
② 击出原子可以带有很高的能量,这时它能够以带电的离子状态出现,在行程中可以和点阵原子中的电子交互作用,激发电子产生强烈电离效应。
③ 入射粒子或击出原子与点阵原子相作用时也可以是掠射性(小角度)的低能传递。这时靶原子并不离位而是在其平衡位置附近被迫振动,并将这一振动能迅速传递到周围去。其效果有如金属内部的一个微观区域被迅速加热和冷却。这个瞬时过程称作热峰。热峰可能在10-11秒的时间内达到几千度的温度。
④ 入射粒子最后停留下来,或与靶原子核发生核反应产生新的元素,成为杂质原子。例如,不锈钢中的镍可以通过59Ni(n,α)56Fe反应转化成铁和氦。
⑤ 考虑到金属内的原子呈有序排列,因而沿某一晶向的一列原子可能发生一连串连续对撞,从而有换位碰撞,聚焦碰撞,或动力挤子。具体形式见图2。这些受到晶体学影响的碰撞过程使得点缺陷总的产额要比前述简单模型所估计的低一些,而且使缺陷产生的地点可以远离初始碰撞的位置。
⑥ 当入射粒子或击出原子的能量下降到某一程度(约几千电子伏),碰撞的几率变大,碰撞之间的平均自由程接近于点阵原子间距,这时所产生的点缺陷不再是孤立的,而是集中在一个区域。此区域的中心有很多空位,而在边缘上被一些填隙原子所包围。这个不稳定的缺陷浓集区称作位移峰。位移峰边缘的填隙原子受聚焦碰撞的作用向外推动,又形成了一个新的空位密集区,称贫化区,如图2所示。
上述中子辐照损伤过程也适用于带电粒子,所不同的是带电粒子和靶原子碰撞的几率比中子大,射程也较短,因而损伤区集中而且损伤率要比中子大。反之,由于中子不带电荷,不发生库仑碰撞,所以它可以有很大的平均自由程和射程,足以造成分布整个金属中的损伤。另外,带电粒子可以造成金属表面的溅射,使金属表面形成锥形突起(图3);气体带电粒子还可以使金属表面起泡和层离(图4);这些都是聚变堆第一壁,即聚变堆最靠里面的第一个和等离子体区相接触的容器壁(英文称first wall)材料的重要辐照问题。
辐照效应 辐照损伤的作用是产生多种形式的晶体点缺陷和点阵扰动。然后,这些缺陷将根据一定条件扩散、聚集,或者转化成其他形式的缺陷,结果使金属的性质发生变化,这就构成了辐照效应,上述起泡和层离就是辐照效应的一种现象。
辐照损伤缺陷的转化很大程度上取决于温度。温度足够低时,缺陷区保留原始状态,在电镜下呈现为黑斑结构。温度高时,缺陷可以聚集成Frank固定位错环,Frank环又可以和其他位错反应从而转化成棱柱位错,等等。除此以外,辐照损伤的空位还可以聚集成空洞,辐照产物He2+ 还可以聚集成氦泡。这些都是已被观察到的辐照效应。图5表示辐照后空位聚集成空洞。
辐照后种种缺陷的形成必然会使金属的性质和行为发生变化。例如大量点缺陷的存在可以影响扩散、碳化物析出、相变等。特别值得举出的是以下一些在工程实际上很重要的现象:
辐照生长 点缺陷(空位或间隙原子)能在一定晶面上聚集,从而造成某些材料沿一定方向的尺寸随辐照而显著变化。辐照生长对各向异性的核燃料(如铀、钚)和结构材料(如石墨、锆)是一个很重要的问题。
辐照肿胀 空位和惰性气体原子的聚集可以造成辐照肿胀。它表现为材料的体积和密度随辐照发生变化。核燃料在较高温度时以及快中子堆中的不锈钢都有肿胀问题。
辐照蠕变 这是指辐照可以导致蠕变或加速热蠕变。作为辐照蠕变的特征必须是蠕变和辐照剂量或辐照通量有关。发生辐照蠕变的一种原因是:在应力作用下辐照点缺陷将择优聚集,表现为位错的定向攀移或位错环的定向形成,结果材料的尺寸变化既和辐照有关又和应力矢量有关。
辐照硬化和辐照脆化 点缺陷与贫化区的存在将影响晶体中位错的运动。这会使金属发生硬化,表现为屈服强度提高(图6)。也会导致体心立方金属韧性-脆性转变温度上升(图7),使材料经长期辐照后在其使用温度下变为脆性材料,这是辐照对反应堆压力壳体钢的重要威胁。此外,高温时气泡(如氦)在晶界的形成也会造成氦脆。
从以上所举的部分例子中,可以看出强辐射条件下辐照损伤对金属宏观性质的影响是很严重的。
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