受輻射金屬點缺陷組態(tài)

受輻射金屬點缺陷組態(tài)第一頁，共十七頁，編輯于2023年，星期二金屬受到高能粒子輻照后可以產(chǎn)生種種宏觀性質(zhì)的變化,這一現(xiàn)象叫作“輻照效應(yīng)”。這是由于高能粒子和金屬的點陣原子實發(fā)生一系列碰撞，從而在金屬內(nèi)部產(chǎn)生大量的點缺陷。而這種碰撞的原始微觀過程叫作“輻照損傷”。

嚴格說來,輻照損傷和輻照效應(yīng)各有不同的含義。前者著重討論輻照粒子所造成的點缺陷的數(shù)目和組態(tài)，而后者則是研究這些點缺陷進一步的行為和后果。從過程所發(fā)生的時間來看，輻照損傷所涉及的原始微觀過程只發(fā)生在10-11秒之內(nèi)，而輻照效應(yīng)所討論的缺陷遷移過程則需要若干毫秒甚至幾個月。但這兩個過程是密切聯(lián)系的,往往難以截然分割；作為核材料的一個獨特問題,常放在一起討論輻照損傷

輻照時的入射粒子可以是中子，也可以是帶電粒子,如質(zhì)子,α(氦核He2),或碳、鎳之類的重離子等。下面以中子為例說明輻照損傷的各種過程（見晶體結(jié)構(gòu)，晶體缺陷）

第二頁，共十七頁，編輯于2023年，星期二①當中子和金屬點陣內(nèi)的某一靶原子的核(靶核)相碰撞，中子就將其能量的一部分傳遞給靶原子。如果所傳遞的能量大于某一個稱作離位閾能(Ed)的閾值（一般約為25eV），被擊原子就脫離它的平衡位置，成為一個初級擊出原子，并在原地留下了一個空位。初級擊出原子還可以和點陣中的其他原子相碰撞得到二級擊出原子；依此類推，構(gòu)成了一個串級過程。其結(jié)果是產(chǎn)生了一系列點缺陷，包括空位和間隙原子。需要說明，這是最簡單的模型。在這個模型中假定了碰撞事件是孤立的，每次碰撞只涉及二體的作用，而且忽略了金屬內(nèi)原子排列的方向性。第三頁，共十七頁，編輯于2023年，星期二金屬點陣中的原子中子第四頁，共十七頁，編輯于2023年，星期二

②擊出原子可以帶有很高的能量，這時它能夠以帶電的離子狀態(tài)出現(xiàn)，在行程中可以和點陣原子中的電子交互作用，激發(fā)電子產(chǎn)生強烈電離效應(yīng)。

③入射粒子或擊出原子與點陣原子相作用時也可以是掠射性（小角度）的低能傳遞。這時靶原子并不離位而是在其平衡位置附近被迫振動，并將這一振動能迅速傳遞到周圍去。其效果有如金屬內(nèi)部的一個微觀區(qū)域被迅速加熱和冷卻。這個瞬時過程稱作熱峰。熱峰可能在10-11秒的時間內(nèi)達到幾千度的溫度。

④入射粒子最后停留下來，或與靶原子核發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生新的元素，成為雜質(zhì)原子。例如，不銹鋼中的鎳可以通過59Ni(n,α)56Fe反應(yīng)轉(zhuǎn)化成鐵和氦。第五頁，共十七頁，編輯于2023年，星期二高能量原子金屬點陣中的原子由于電離效應(yīng)，原子周圍的電子被激發(fā)或撞飛。所以此時點陣中的原子帶電，這被稱之為電子空穴對。第六頁，共十七頁，編輯于2023年，星期二被輻射材料入射光線入射角接近90°或等于90掠射性第七頁，共十七頁，編輯于2023年，星期二點陣局部微觀區(qū)溫度第八頁，共十七頁，編輯于2023年，星期二第九頁，共十七頁，編輯于2023年，星期二第十頁，共十七頁，編輯于2023年，星期二⑤考慮到金屬內(nèi)的原子呈有序排列，因而沿某一晶向的一列原子可能發(fā)生一連串連續(xù)對撞，從而有換位碰撞,聚焦碰撞，或動力擠子。這些受到晶體學影響的碰撞過程使得點缺陷總的產(chǎn)額要比前述簡單模型所估計的低一些，而且使缺陷產(chǎn)生的地點可以遠離初始碰撞的位置。⑥當入射粒子或擊出原子的能量下降到某一程度(約幾千電子伏)，碰撞的幾率變大，碰撞之間的平均自由程接近于點陣原子間距，這時所產(chǎn)生的點缺陷不再是孤立的，而是集中在一個區(qū)域。此區(qū)域的中心有很多空位，而在邊緣上被一些填隙原子所包圍。這個不穩(wěn)定的缺陷濃集區(qū)稱作位移峰。位移峰邊緣的填隙原子受聚焦碰撞的作用向外推動,又形成了一個新的空位密集區(qū),稱貧化區(qū)。第十一頁，共十七頁，編輯于2023年，星期二上述中子輻照損傷過程也適用于帶電粒子，所不同的是帶電粒子和靶原子碰撞的幾率比中子大，射程也較短，因而損傷區(qū)集中而且損傷率要比中子大。反之，由于中子不帶電荷，不發(fā)生庫侖碰撞，所以它可以有很大的平均自由程和射程，足以造成分布整個金屬中的損傷。另外，帶電粒子可以造成金屬表面的濺射，使金屬表面形成錐形突起（圖3）;氣體帶電粒子還可以使金屬表面起泡和層離（圖4）；這些都是聚變堆第一壁，即聚變堆最靠里面的第一個和等離子體區(qū)相接觸的容器壁（英文稱firstwall）材料的重要輻照問題。

第十二頁，共十七頁，編輯于2023年，星期二金屬的輻照損傷和輻照效應(yīng)第十三頁，共十七頁，編輯于2023年，星期二金屬的輻照

第十四頁，共十七頁，編輯于2023年，星期二

輻照效應(yīng)

輻照損傷的作用是產(chǎn)生多種形式的晶體點缺陷和點陣擾動。然后，這些缺陷將根據(jù)一定條件擴散、聚集，或者轉(zhuǎn)化成其他形式的缺陷，結(jié)果使金屬的性質(zhì)發(fā)生變化，這就構(gòu)成了輻照效應(yīng)，上述起泡和層離就是輻照效應(yīng)的一種現(xiàn)象。

輻照損傷缺陷的轉(zhuǎn)化很大程度上取決于溫度。溫度足夠低時,缺陷區(qū)保留原始狀態(tài),在電鏡下呈現(xiàn)為黑斑結(jié)構(gòu)。溫度高時,缺陷可以聚集成Frank固定位錯環(huán),Frank環(huán)又可以和其他位錯反應(yīng)從而轉(zhuǎn)化成棱柱位錯，等等。除此以外，輻照損傷的空位還可以聚集成空洞，輻照產(chǎn)物He2還可以聚集成氦泡。這些都是已被觀察到的輻照效應(yīng)。圖5表示輻照后空位聚集成空洞。第十五頁，共十七頁，編輯于2023年，星期二金屬的輻照損傷和輻照效應(yīng)第十六頁，共十七頁，編輯于2023年，星期二輻照后種種缺陷的形成必然會使金屬的性質(zhì)和行為發(fā)生變化。例如大量點缺陷的存在可以影響擴散、碳化物析出、相變等。特別值得舉出的是以下一些在工程實際上很重要的現(xiàn)象：

輻照生長

點缺陷（空位或間隙原子）能在一定晶面上聚集，從而造成某些材料沿一定方向的尺寸隨輻照而顯著變化。輻照生長對各向異性的核燃料(如鈾、钚)和結(jié)構(gòu)材料（如石墨、鋯）是一個很重要的問題。

輻照腫脹

空位和惰性氣體原子的聚集可以造成輻照腫脹。它表現(xiàn)為材料的體積和密度隨輻照發(fā)生變化。核燃料在較高溫度時以及快中子堆中的不銹鋼都有腫脹問題。

輻照蠕變

這是指輻照可以導(dǎo)致蠕變或加速熱蠕變。作為輻照蠕變的特征必須是蠕變和輻照劑量或輻照通量有關(guān)。發(fā)生輻照蠕變的一種原因是：在應(yīng)力作用下輻照點缺陷將擇優(yōu)聚集，表現(xiàn)為位錯的定向攀移或位錯環(huán)的定向形成，結(jié)果材料的尺寸變化既和輻照有關(guān)又和應(yīng)力矢量有關(guān)。

輻照硬化和輻照脆化

點缺陷與貧化區(qū)的存在將影響