《Acta Materialia》：退火后反而更硬？揭秘核反應(yīng)堆鋯合金的“反常硬化”之謎

研究背景

在核能領(lǐng)域，鋯合金一直扮演著關(guān)鍵角色——核燃料棒的包殼材料。長期服役于高溫、高壓與強烈中子輻照的嚴(yán)苛環(huán)境，大量空位、間隙原子等點缺陷產(chǎn)生并逐漸演化成位錯環(huán)、層錯四面體、空洞等缺陷。這些缺陷與材料中的位錯發(fā)生相互作用，導(dǎo)致輻照硬化、應(yīng)變局域化、輻照生長與蠕變等關(guān)鍵性能變化，嚴(yán)重影響反應(yīng)堆構(gòu)件的安全與壽命。通常，輻照硬化會導(dǎo)致材料脆化，而后輻照退火可通過缺陷湮滅部分恢復(fù)材料性能。然而，在六方密排結(jié)構(gòu)（HCP）的鋯合金中，卻觀察到一個反常現(xiàn)象：中子輻照后的鋯合金在400°C以上退火后硬度不降反升。該現(xiàn)象與傳統(tǒng)認(rèn)知相悖，其機理一直未明，卻直接影響鋯合金包殼在停堆干燥階段以及長期貯存中的力學(xué)行為與安全評價。

在鋯合金中，輻照主要產(chǎn)生兩類位錯環(huán)：〈a〉型位錯環(huán)（位于柱面，伯氏矢量 1/3?11-20?）和〈c〉型位錯環(huán)（位于基面，伯氏矢量 1/6?20-23?）。其中，〈a〉位錯環(huán)在較高溫度下會粗化或湮滅，導(dǎo)致硬化略有下降；而〈c〉位錯環(huán)在服役溫度下非常穩(wěn)定。由于〈a〉位錯環(huán)通常被認(rèn)為是輻照硬化的主要來源，此前學(xué)者提出幾種假設(shè)解釋該反常硬化：高溫下〈a〉位錯環(huán)或納米空洞的短期生長、溶質(zhì)原子（Fe、Sn、Cr）在〈a〉位錯環(huán)偏聚、或雜質(zhì)（氧/氫）與〈a〉位錯環(huán)相互作用等。然而，由于輻照缺陷表征的困難以及合金元素作用的復(fù)雜性，這些機制尚未得到清晰驗證。

研究內(nèi)容

為澄清該反常硬化的本質(zhì)機理，西安交通大學(xué)聯(lián)合大阪大學(xué)研究人員選用高純鋯（99.9%）排除合金元素干擾，通過原位高溫納米壓痕、原位透射電鏡退火與原子尺度模擬相結(jié)合的手段，系統(tǒng)研究了退火過程中缺陷結(jié)構(gòu)的動態(tài)演變及其對力學(xué)行為的影響。

研究發(fā)現(xiàn)：在500°C退火并冷卻至室溫后，輻照鋯的硬度比400°C退火態(tài)提升約25%，與中子輻照鋯合金中觀察到的反常硬化趨勢一致。在400–500°C退火過程中，原本平鋪于基面的二維〈c〉型位錯環(huán)逐漸相互連接，形成具有臺階狀連接的三維彎折構(gòu)型。分子動力學(xué)模擬顯示，相鄰〈c〉環(huán)端點處的部分位錯可在熱激活下沿錐面滑移、相遇并重組，逐步構(gòu)建出臺階連接，最終形成穩(wěn)定的三維彎折結(jié)構(gòu)。這些三維彎折的〈c〉環(huán)通過臺階結(jié)構(gòu)顯著阻礙〈a〉型位錯的滑移，其強化效果比平面〈c〉環(huán)提高約50%，直接導(dǎo)致宏觀硬度上升。

研究意義

這一發(fā)現(xiàn)不僅解釋了鋯合金中的反常硬化現(xiàn)象，也為理解其他六方密排結(jié)構(gòu)金屬（如鈦、鎂等）在輻照與退火過程中的行為提供了新思路。從工程角度看，該機理對核用鋯合金包殼在停堆、干燥及長期貯存階段的力學(xué)性能預(yù)測與安全評估具有重要指導(dǎo)意義。通過調(diào)控微觀缺陷構(gòu)型，未來或可進一步優(yōu)化鋯合金的輻照性能與熱穩(wěn)定性，提升反應(yīng)堆材料的安全裕度與使用壽命。

論文以《Kinked basal dislocation loops for anomalous annealing hardening in irradiated zirconium》為題發(fā)表在Acta Materialia, 2025。

全文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121366

圖1.輻照與退火后鋯的硬度變化。(a) 在高真空腔室內(nèi)使用原位納米壓痕進行硬度測試的方法示意圖。左下角插圖為納米壓痕后輻照純鋯的掃描電子顯微鏡圖像。(b)離子輻照后的純鋯在400°C和500°C退火30分鐘前后的硬度變化。

圖2.平面與三維〈c〉位錯環(huán)的詳細表征。(a-d) 同一區(qū)域內(nèi)基面〈c〉位錯環(huán)在不同衍射矢量下的TEM圖像。紅色和黃色箭頭分別標(biāo)記了在不同衍射矢量下同一位錯環(huán)襯度。(e-g) 同一區(qū)域內(nèi)三維〈c〉位錯環(huán)在不同衍射矢量下的TEM圖像。(h) 三維〈c〉位錯環(huán)臺階高度的高分辨TEM圖像。

圖3.三維彎折〈c〉位錯環(huán)的形成過程。(a-e) 基于分子動力學(xué)模擬得到的兩個相鄰〈c〉位錯環(huán)之間的相互作用，導(dǎo)致了彎折〈c〉位錯環(huán)的形成。 (f) 彎折〈c〉位錯環(huán)的演化過程示意圖。 (g) 400°C時基面〈c〉位錯環(huán)的高倍TEM圖像。(h)在448°C退火后，這些平面〈c〉位錯環(huán)演變?yōu)閺澱劢Y(jié)構(gòu)。

來源：材料科學(xué)與工程公眾號。感謝論文作者團隊支持。

近期學(xué)術(shù)會議推薦