Fe–Cr合金中子辐照硬化与相分离的异常剂量依赖性

《Materials Science and Engineering: A》：Anomalous dose dependence of neutron irradiation hardening and phase separation in Fe–Cr alloys

　　

： Fe-Cr二元体系的相分离行为因其在铁素体钢脆化及工业应用中的重要性而受到长期关注。该相分离行为与低温混溶间隙（misibility gap）中Fe富集相与Cr富集相共存现象已在辐照实验中被广泛研究。然而，辐照诱导缺陷团簇形态的连续演变可能诱发非平衡相稳定性变化，因此研究人员评估了100°C条件下不同浓度Fe–30至50Cr合金的中子注量（neutron fluence）对其辐照硬化及相分离行为的影响。结果表明，Fe–30至50Cr合金的辐照硬化与相分离随中子注量增加呈现异常依赖关系，硬化在1.10×1019n/cm2处达到峰值后下降。原子探针层析成像(APT)分析证实，硬化峰与Fe、Cr的浓度调制及其在高注量下的消失直接相关。正电子湮没寿命谱(PALS)结果显示，约1.10×1019n/cm2注量下空位团簇形态与点缺陷平衡发生变化。这种相分离的异常注量依赖性归因于辐照诱导缺陷的发展。明确Cr浓度及辐照剂量对缺陷团簇形成及相分离的影响，对Fe-Cr合金及钢材的安全、可靠、高效利用具有重要意义。

论文解读：

本研究由日本东北大学材料研究所的研究团队完成，发表于《Materials Science and Engineering: A》。研究背景聚焦于Fe-Cr二元合金作为铁素体不锈钢及耐热钢的基础材料，其在核反应堆结构件、先进裂变堆及聚变堆包层等关键部件中的应用。此类合金在高温服役过程中易出现475°C脆化现象，即在593~813 K热时效时硬度和强度升高而塑韧性显著下降，其根源在于混溶间隙内α相分解为Fe富集α相和Cr富集α′相。已有研究表明，辐照会加速或抑制相分离，但低温（接近100°C）条件下中子辐照对硬化及相分离的剂量依赖规律尚缺乏系统性实验数据。以往研究多集中在低Cr区（≤18 at.%），而对中高Cr区在低温辐照下的行为认识不足，尤其是辐照诱导缺陷团簇形态变化如何影响相稳定性仍不清楚。因此，本研究旨在填补这一空白，明确低温中子辐照下Fe-Cr合金的成分与剂量效应对硬化及相分离的作用机制。

研究人员采用BR2反应堆LIBERTY装置，在约100°C条件下对一系列Fe-Cr模型合金进行阶梯式中子辐照，注量范围为6.90×10¹⁸至1.43×10²⁰n/cm²（E>1 MeV）。样品涵盖纯Fe、纯Cr及Cr含量从9到91 wt.%的Fe-Cr合金。关键技术方法包括：电弧熔炼制备均质化合金并进行真空热处理；显微维氏硬度测试评估辐照前后硬化变化；聚焦离子束(FIB)制备针尖样品，结合激光辅助局部电极原子探针(LEAP)进行三维成分分析，引入浓度调制参数（V参数）与短程有序(SRO)参数定量表征相分离程度；正电子湮没寿命谱(PALS)分析空位型缺陷的形态与演化。

结果部分显示，显微硬度测试表明，除Fe–30、45、50Cr合金外，其余成分合金的辐照硬化随注量增加单调上升，而上述三种合金在1.10×10¹⁹n/cm²出现硬化峰后下降。APT分析显示，Fe–30与50Cr合金在该注量下出现显著的Fe与Cr浓度调制结构，而在更高注量下调制减弱甚至消失；V参数与硬化呈正相关，SRO参数同样在硬化峰处最大。PALS结果表明，长寿命成分强度在1.10×10¹⁹n/cm²附近由升转降，意味着微空洞密度下降，点缺陷平衡发生转变。

讨论部分指出，硬化峰的出现与辐射增强扩散导致的浓度调制有关，而更高注量下缺陷团簇的积累改变了自由能，使调制结构不稳定并最终消失。纯Fe与纯Cr的硬化及缺陷演化差异归因于空位迁移能与位错环行为的不同；低Cr合金中Cr偏聚到位错环可抑制空位聚集；高Cr合金则因更接近相分离稳定态而呈现单调硬化。Fe–30至50Cr合金的异常行为反映了辐照过程中相稳定性的动态变化，不能仅用辐射增强扩散预测低温混溶间隙。

结论部分强调，100°C中子辐照下Fe–Cr合金的硬化与相分离呈现复杂的剂量依赖，中Cr区合金存在硬化峰与浓度调制峰，源于辐照诱导缺陷与溶质扩散的竞争；相稳定性受Cr浓度及辐照剂量的共同控制，单纯依赖辐照数据推断低温相图存在风险。本研究为核结构材料的辐照效应机理提供了实验依据，对提高材料在核环境下的服役安全性具有重要参考价值。