铁素体钢中碳化物对Cr元素晶界辐照诱导偏析的影响研究

Radiation induced segregation (RIS) will seriously affect the microstructure evolution and property degradation of materials under radiation. The mechanism of RIS of Cr near the grain boundaries (GBs) in high Cr ferritic steel is not yet fully understood. Especially, the effects of carbides on the RIS of Cr near the GBs are quite controversial. Samples containing carbides and samples containing nearly no carbides of Fe-9 at.% Cr ferritic steel were prepared. By comparing the RIS behaviors in the two types of samples under the same high-temperature self-ion radiation conditions, effects of carbide on the RIS of Cr near GBs in ferritic steel will be studied. Phase-field modeling describing the grain evolution, concentration distribution, and RIS of Cr near GBs will be explored by employing several phase-field variables. The mechanism of RIS of Cr in ferritic steel will be revealed by comparing the phase-field calculation and experimental results. The aim of this project is to reveal the mechanism of RIS of Cr through exploring the effects of grain boundary carbides and grain boundary characteristics, providing not only basic experimental data and theoretical predictive model for the RIS behavior of Cr in Cr-containing steels, but also the evaluation of composition design, microstructure control and property optimization for Cr-containing ferritic steels.

辐照诱导偏析(RIS)会严重影响材料在辐照环境下的组织演变和性能退化，目前铁素体钢中Cr在晶界处的辐照诱导偏析规律及其微观机理尚未完全确定，特别是碳化物对晶界处Cr辐照诱导偏析的影响还存在学术争议。本项目针对Fe-9 at.% Cr铁素体钢，利用热处理制备含有晶界碳化物和基本不含有晶界碳化物的试样，拟通过对相同辐照条件下两种试样晶界处Cr辐照诱导偏析的对比分析，研究铁素体钢中晶界碳化物对Cr元素辐照诱导偏析规律的影响；建立伴随着晶界移动、浓度场变化和碳化物形貌演变过程的能够对铁素体钢中晶界处Cr辐照诱导偏析进行描述的相场模型，通过模拟结果与实验结果的对比揭示晶界碳化物对Cr辐照诱导偏析的影响机制。本项目将从晶界碳化物的角度揭示Cr的辐照诱导偏析机制，为理解成分更复杂的含Cr铁素体钢中的辐照诱导偏析行为提供基础实验数据和理论预测模型，也为含Cr铁素体钢的成分设计、组织调控和性能优化提供评价。

铁素体/马氏体（F/M）钢由于具有优于奥氏体钢的抗辐照肿胀和抗蠕变断裂等综合性能，是一种非常有应用前景的先进核能系统候选材料。铁素体/马氏体钢主要是Fe-Cr系的合金，其中Cr的浓度范围大约为7 at.%-15 at.%。研究发现，晶界是析出相形核长大的有利位置，而铁素体/马氏体钢在晶界处常常会发现Cr元素的辐照诱导偏析（RIS）：晶界处Cr的富集会增加沉淀，从而导致材料的脆化；而晶界处Cr的耗尽可能会极大地弱化晶界的耐腐蚀性。本项目通过多尺度数值模拟和实验分析，对Fe-Cr合金晶界处的Cr元素的辐照偏析行为进行了研究。原子尺度模拟结果表明：最大离位数随着Cr含量的升高而降低，且缺陷中Cr原子比例比基体中的更低；多晶Fe-Cr合金中的晶界对于点缺陷具有很强的吸收作用，且对于间隙原子的吸收更为明显，并且Cr原子在间隙原子中的比例随温度升高而增加；Fe原子的偏析能比Cr原子更高，更容易在晶界处达到稳定，导致了晶粒内间隙型点缺陷中有更高的Cr元素含量。介观尺度模拟结果表明：温度对Fe-Cr合金晶界处Cr元素的偏析程度有明显的影响；随着基体中Cr元素含量的增加，热力学条件下晶界处Cr元素的相对浓度增量降低；引入辐照条件后，晶界处Cr元素的相对偏析量比热力学条件下的偏析量有明显增加；然而随着Cr元素含量的增加，辐照后晶界处Cr元素的相对浓度增量降低。实验结果表明：Fe-Cr合金辐照后基体中形成了大量的位错环，而Fe-9Cr-C合金中的形成的位错环的尺寸更大，这是由于C原子对位错环的“钉扎”作用阻碍其向位错、晶界等缺陷阱处迁移，因而促进了位错环的生长；高温氦辐照后的氦泡主要分布在位错环的惯习面上，形成了“气泡-位错环复合结构”，进一步分析发现Cr元素在“气泡-位错环复合结构”上存在明显的富集现象。本项目的研究，不仅从理论模拟和实验表征上对Fe-Cr合金中的界面处Cr元素的偏析行为进行了揭示，而且能为铁素体/马氏体钢中Cr元素含量的优化提供理论指导和实验支撑，具有工程意义。