Zr基块体非晶合金的离子辐照效应

• 作 者: 邢建硕
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院研究生院 中国科学院大学
• 发表日期: 2012年期
• 关键词: 非晶合金 离子辐照效应 结构稳定性 表面损伤 力学行为 Zr基块体

非晶合金表现出极高的强度和耐蚀性等特点,同时由于它具有无规则的结构,因而被期望具有较好的抗辐照能力,这使其在核装置和航天器上具有广泛地应用前景。非晶合金没有线、面晶体缺陷,也是研究辐照效应的理想模型材料。本文选取具有较强玻璃形成能力的Zr47.9Ti0.3Ni3.1Cu39.3Al9.4块体非晶合金作为研究对象。研究了低能和高能离子辐照对非晶合金结构、表面特征和力学行为的影响。　　
用30和120keVHe离子辐照了不同状态的Zr基非晶合金。在所研究的1×1016到6×1018/cm2剂量范围内,铸态和弛豫态非晶合金均没有晶化。随着剂量的增加,各状态的Zr基非晶合金,表面损伤类型经历了从损伤孔或损伤坑到发泡转变的过程。铸态与弛豫态非晶合金样品表面损伤类似,这说明自由体积含量的多寡对表面损伤的影响不大。在3×1018/cm2剂量下,部分晶化态表面还出现了大尺寸的沟壑状损伤坑,表面损伤严重。而完全晶化态表面损伤反而较部分晶化合金要轻些。结果表明晶化对非晶合金的表面损伤有重要的影响。另外,铸态非晶合金表面还出现了少量发泡,而纯Zr表面形成了密集的发泡,Ni33Zr67合金表面出现了大面积层离。从损伤面积的角度讲,当剂量为3×1018/cm2时,铸态非晶合金要比对比材料更抗辐照;而当剂量为6×1018/cm2时,铸态非晶合金的抗辐照能力不如纯Zr。　　
在20MeVCl离子和Si离子辐照下,剂量范围在4.8x1014到2.76x1016/cm2时,铸态和弛豫态非晶合金均没有晶化。非晶合金表面出现圆孔结构。圆孔的直径、深度和密度依赖于样品组织结构和入射离子。离子辐照使得非晶合金的锯齿流变特征更加显著,但辐照样品之间的锯齿流变特征差别不大。未辐照和低辐照损伤样品压痕周围出现剪切带,而高辐照损伤样品则没有观察到。这是因为离子辐照改变了非晶合金的微观结构,从而引起缺陷的浓度和分布发生变化,最终影响到非晶合金的变形特点。辐照削弱了压痕尺寸效应。辐照后样品的硬度和弹性模量均降低,最大降幅分别达到16%和7%。从自由体积模型出发,推导出无量纲硬度与辐照损伤程度满足η=α+(1-α)/(1+βd)。