辐照诱发中间相Zr(Cr,Fe)2非晶化的原位电子显微研究
Fe-B非晶合金的等温晶化动力学研究
* 收稿日期:2021-03~03 基金资助：国家重点研发计划(2017YFB0703001,2017YFB0305100)；国家自然科学基金(51134011,51431008,51790481)；中央高校 基本科研业务费专项资金(3102017jc01002)o 第一作者简介：马亚珠(1985-),女，西北工业大学博士研究生，主要研究方向为非晶及纳米晶等亚稳材料制备及稳定性, E-mail： 419256325@qq. com。 通信作者简介：刘 峰(1974 — )男，西北工业大学教授，主要研究方向为非平衡凝固理论与技术等，E-mail：lifeng@。
本文将通过DSC研究Fe85 B】5非晶合金在不 同温度下的等温晶化动力学行为。结合X-射线衍 射仪和透射电子显微镜，确定其等温晶化后的显微 结构。用解析相变模型结合碰撞模式判断对所有实 验数据进行拟合，明确该合金的等温晶化动力学。
1实验材料与分析方法
1. 1实验材料
本文的实验对象为Fe85 B：5非晶合金。在氩气 保护下利用电磁感应熔炼纯铁和Fe-B中间合金制
得Fe85B“母合金。在下方有直径0. 8 mm喷嘴的 坩埚中放入8 g母合金，置入超快速液淬装置中， 在氩气保护下用8 kW功率加热使合金快速熔化， 通过加压0. 03 MPa向坩埚中充入高纯氩气使得
高温熔体通过喷嘴连续流向以5 000 r • min-1转 速旋转的冷却铜辐上，从而制备出约32 gm厚的 非晶合金薄带。用X，pert Pro MRD型X射线衍 射仪(X-Ray Diffractometer, XRD，Cu-Ka)对制备 的薄带进行物相检测。薄带的化学成分用感应耦
了很多实验结果［1012］ o解析模型具有类似JMA 方程［913］的结构，但是在等温转变中生长指数"、有 效激活能Q和指数前因子犓0是时间的函数。然 而，在用解析相变模型对实验结果的拟合过程中 ， 由于不同形核生长模式组合及参数选取的范围大， 会增大计算的时间。因此，研究者提出了转变速率
电弧喷涂非晶纳米晶复合涂层材料研究
第1卷 第2期 热 喷 涂 技 术 V ol.1, No.22009年12月 Thermal Spray Technology Dec., 2009电弧喷涂非晶纳米晶复合涂层材料研究梁秀兵 ，白金元，程江波，刘燕，徐滨士（装甲兵工程学院，装备再制造技术国防科技重点实验室，北京 100072）摘 要：FeCrBSiNb 非晶纳米晶复合涂层和FeAlNbB 金属间化合物非晶纳米晶涂层均由非晶和纳米晶两相结构组成，涂层结合强度高，摩擦磨损性能等明显优于传统耐磨涂层，在机械金属零件的再制造修复领域应用前景广阔。
关键词：电弧喷涂；铁基非晶纳米晶复合涂层；再制造中图分类号：TG174.4 文献标识码：A 文章编号：1674-7127（2009）02-0023-04Study on Amorphous and Nanocrystalline Composite Coatingsprepared by Arc Spraying ProcessLIANG Xiu-bing ，BAI Jin-yuan ，CHENG Jiang-bo ，LIU Yan ，XU Bin-shi（National Key Laboratory for Remanufacturing ，Academy of Armored Force Engineering ，Beijing 100072，China ）Abstract: FeCrBSiNb amorphous and nanocrystalline coating and FeAlNbB intermetallic amorphous and nanocrystalline coating were developed ，which both are composite structure of nanocrystalline phases embedded in an amorphous matrix. These amorphous and nanocrystalline coatings present perfect high strength bonding and excellent anti-wear properties compared with the other traditional coatings, which exhibits widely applications prospect in the maintenance and remanufacturing fields.Keywords: Arc spraying ；Fe-based amorphous and nanocrystalline coating ；Remanufacture基金项目：国家“863”计划项目（2009AA03Z342）；国防科技重点实验室基金资助项目（914OC85020508OC85） 作者简介：梁秀兵（1974-），男，山东烟台人，博士，副研究员. Email ：liangxiubing@ 非晶纳米晶合金新型材料具有一些奇特的性能，例如，高强度、高硬度、高电阻性、高韧性、良好的耐磨性和耐蚀性等，而且具有优良的磁学性能和超导电性[1]。
快中子反应堆核心结构材料的辐照损伤
在辐照生成的杂质原子中，辐照引起的合金 组成变化一般不大． 在快堆的高温环境下，H 足够 快的扩散速率达到与环境的平衡，而 He 基本上 不溶于合金而是以 He 泡析出，因此 He 成为对合 金性能影响最重要的杂质原子． He 的积累速率一 般情况下由 He 量（ appm） 与 dpa 之比来表征，比 值 He / dpa 对中子谱敏感．
204
材料与冶金学报
氦离子辐照非晶态合金的表顶损伤研究
氦离子辐照非晶态合金的表顶损伤研究氦离子辐照是一种常见的实验方法，用于研究材料的抗辐照损伤能力。
最近的研究表明，氦离子辐照对非晶态合金的表面损伤有着显著的影响。
本篇文章将会介绍氦离子辐照在非晶态合金表面的应用以及相关的研究成果。
1. 什么是氦离子辐照？氦离子辐照是利用氦离子对材料样品进行放射性辐照的实验方法。
这种方法可以模拟出一些高能粒子的辐照效应，是材料研究领域中的重要实验手段之一。
2. 氦离子辐照在非晶态合金表面上的应用氦离子辐照通过产生大量的氦原子，可以对非晶合金的表面进行高能量的辐照。
这些氦原子会与非晶合金中的原子发生碰撞，从而形成表面损伤。
这种损伤可以模拟出一些高能粒子对材料的损伤效应。
3. 氦离子辐照对非晶态合金表面的损伤最近的研究表明，氦离子辐照可以对非晶合金的表面造成显著的损伤。
这种损伤表现为各种缺陷和位错，可能会导致合金的性能下降。
然而，一些研究也发现，在适当的氦离子剂量下，氦离子辐照可以加强非晶态合金的抗损伤能力。
4. 氦离子辐照非晶态合金的表顶损伤研究成果近年来，许多研究已经进行了氦离子辐照非晶态合金的表顶损伤研究。
这些研究表明，氦离子辐照可以增加非晶态合金的位错密度和形变能，从而提高合金的抗损伤能力。
此外，一些研究还发现，在特定氦离子剂量下，氦离子辐照可以引入大量的空位，这可能会导致合金的疏松化和力学性能的下降。
综上所述，氦离子辐照是一种重要的材料辐照实验方法，可以模拟出高能粒子对合金的损伤效应。
最近的研究表明，氦离子辐照可以对非晶态合金的表面造成显著的损伤，但适当的氦离子剂量下，氦离子辐照也可以提高非晶态合金的抗损伤能力。
我们相信，在未来的科研探索中，氦离子辐照将会发挥越来越重要的作用。
Fe83Zr7B9Mn1非晶合金中α-Fe纳米晶化的HRTEM和结晶动力学研究
锨
材
料
２ ０ １ ３ 年第 ２ 期（ ４ ４ ） 卷
Ｆ ｅ ８ ３ Ｚ ｒ ７ Ｂ ９ Ｍｎ ｌ 非 晶 合 金 中 — Ｆ ｅ纳 米 晶 化 的 ＨＲＴＥ Ｍ 和 结 晶 动 力 学 研 究
侯 凯 ， 黄
摘 要 ： 通 过 高 分 辨 透 射 电子 显 微 镜 （ ＨＲ ＴＥ Ｍ ）和
而可 以利 用 Ｓ ｅ ｓ ｔ ｄ ｋ Ｂ ｅ ｒ ｇ ｇ ｒ ｅ ｎ 自催 化 模 型 进 行 描 述 。
通 过计 算 ， ａ Ｆ ｅ纳 米 晶 结 晶 过 程 的 指 前 因 子 以 及 转 化
函数分 别为 ： ｌ ｎ Ａ 一３ ０ ． ６以及 ， （ ａ ） 一ａ ”（ １ 一 ） 。
替 代传 统制 冷 方 式 ， 成 为下 一 代 新 型 的 制冷 技 术 。实 现室 温磁制 冷要 求磁 制冷 工质 在室温 附 近及较 小 的外
加磁 场下 具 有 较 大 的磁 熵 变 。Ｆ ｅ基 非 晶 软磁 合 金 具 有热 滞 与磁滞 小［ １ ］ 、 电 阻率 高 、 居里温度可调、 成 本 低 等 特点 ， 可 以满足上 述要 求 ， 因而是 一类 得到 广泛 研 究 的磁制 冷材料 。然而 ， 非 晶态 合 金 是一 类 热 力 学 不 稳 定 材料 ］ ， 在 经过热 处理 之后 ， 非 晶合 金 会 发生 部分 晶 化 或 全 部 晶化 ， 同 时其 物 理性 质 也会 发 生 巨 大 变 化 。
程 不适 合 用 Ｊ ｏ ｈ ｎ ｓ ｏ ｎ — Ｍｅ ｈ ｌ — Ａｖ ｒ ａ ｍｉ （ Ｊ Ｍ Ａ） 模 型描 述 ，
非 晶合金 的 晶化 放热 峰 存 在 重叠 ， 首 先 对 重 叠 放热 峰
分 峰拟合 ， 而后 再进行 动力 学分 析 ， 可 以有 效 减小 计算
Zr基大块非晶合金的摩擦磨损性能_陈伟荣 (1)
第23卷 第1期摩擦学学报V o l23, N o1 2003年1月TR I BOLO GY Jan,2003 Zr基大块非晶合金的摩擦磨损性能陈伟荣1,2,王英敏2,羌建兵2,徐卫平2,王德和2,董 闯2,徐 洮3,张爱民3(1.大连大学机械工程系,辽宁大连 116622;2.大连理工大学三束材料改性国家重点实验室,辽宁大连 116024;3.中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室,甘肃兰州 730000)摘要:研究了以等电子浓度和等原子尺寸为依据设计的6种不同成分的非晶合金以及同非晶合金成分相同的4种晶态合金在干摩擦条件下同GC r15钢对摩时的摩擦磨损行为.结果表明:6种不同成分非晶合金的摩擦系数相近,均在0.5～0.6范围以内;4种晶态合金的摩擦系数均在0.4～0.5范围内,相同成分的晶态合金的摩擦系数比非晶合金的低,且显微硬度和耐磨性较高;非晶合金的磨损机制主要为塑性流变,晶态合金的磨损机制主要为脆性断裂以及磨粒磨损.关键词:Zr基合金;大块非晶;显微硬度;摩擦磨损性能中图分类号:T G139+.8文献标识码:A文章编号:100420595(2003)0120014204 近几十年来,非晶合金以其独特的结构特征和良好的机械、物理及化学性能而受到人们的关注.尤其是20世纪90年代初以来,人们成功地制备出Zr 基[1]、M g基[2]等合金系大块非晶,并在大块非晶合金形成机制、非晶制备方法以及性能研究等方面取得了进展.在针对能够形成大块非晶的合金系的研究中, Zr2A l2N i2Cu合金系一直是研究的焦点,这是因为该合金体系既不含贵金属,也不含有毒元素,且具有优良的机械、物理和化学性能.有关非晶合金的摩擦磨损性能已有研究[3,4],大多集中于薄带、薄片和薄板等形状的非晶合金,而针对大块非晶的摩擦磨损性能的研究较少.本文就非晶合金的成分设计独辟蹊径,从合金电子结构和原子尺寸的角度,以等电子浓度和等原子尺寸为判据,设计了6种不同成分的合金[5],研究其在干摩擦条件下的摩擦磨损性能,并与成分相同的晶态合金进行对比分析.1 实验部分1.1 材料的制备试验以99.9%Zr、99.999%A l、99.99%N i和99.99%Cu(质量分数计)为原料,采用电弧熔炼法,在氩气保护气氛中经3次反复熔炼,得到成分均匀的试验所用6种非晶合金的高纯母合金,将其用自制的吸铸设备在高真空下制得直径3mm、长度30mm的合金棒.同样用电弧熔炼法制备与1号、2号、4号和5号合金成分相对应的4种晶态合金的母合金,用吸铸法制备成直径为6.5mm的合金棒.非晶及相应成分的晶态合金的结构由岛津X射线衍射仪(XRD)测定(Cu靶,KΑ辐射).1.2 试验方法采用球2盘往复运动形式,在SRV摩擦磨损试验机上进行摩擦磨损试验.上试样为<10mm的GC r15钢球,硬度为55H R C;从所制备的10种不同成分的非晶及晶态合金试棒截取,并用502胶粘接到直径为22mm的纯A l圆盘上,圆盘经减薄后,使总厚度达到试验机所要求的标准厚度7.88mm.试验条件为:干摩擦,温度20℃,相对湿度28%,法向载荷20N (施加于上试样),振幅1mm,频率25H z,试验时间20m in.摩擦系数由试验机自动纪录.利用JS M2 5600LV型低真空扫描电子显微镜(SE M)测量磨痕形貌和尺寸,由此计算出磨损体积损失[6].用DM H2 2L S型显微硬度计测量样品的努氏硬度H K,所加载荷为0.098N,加载时间15s.2 结果与分析2.1 非晶及晶态合金结构试验中所用的10种试样的成分与结构见表1.可见,6种非晶合金成分满足等电子浓度和等原子尺收稿日期:2002203214;修回日期:2002206227 联系人陈伟荣,e2m ail:rem iliu@m ail.dlp .作者简介:陈伟荣,女,1963年生,博士,副教授,目前主要从事大块非晶合金研究.表1 所制备的10种合金试样的成分和结构Table1 Co m position and structure of the sam ples A lloy N po siti on Structure1#Zr65.5A l5.6N i6.5Cu22.4Amo rphous2#Zr65.3A l6.5N i8.2Cu20Amo rphous3#Zr65A l7.5N i10Cu17.5Amo rphous4#Zr64.8A l8.3N i11.4Cu15.5Amo rphous5#Zr64.5A l9.2N i13.2Cu13.1Amo rphous6#Zr63.8A l11.4N i17.2Cu7.6Amo rphous7#Zr65.5A l5.6N i6.5Cu22.4C rystalline8#Zr65.3A l6.5N i8.2Cu20C rystalline9#Zr64.8A l8.3N i11.4Cu15.5C rystalline10#Zr64.5A l9.2N i13.2Cu13.1C rystalline寸规律,具有相同的电子浓度e a和平均原子尺寸R a.其特征为:从1#至6#合金,Zr含量变化很小,A l 和N i含量增大,Cu含量减小.从1#至6#合金的XRD图谱仅存在1个宽峰,而无明显的晶体相的衍射峰[5],这说明6种合金主要以非晶相形式存在.7#合金和8#合金的组分与1#合金和2#合金的相同,其XRD图谱呈现晶态特征,其组成相主要为体心四方(t I)Zr2Cu结构相;9#合金和10#合金的组分与4#合金和5#合金的相同,其XRD图谱显示多相组成特征,主要为体心四方Zr2Cu结构相、简单正交(oP)结构相、简单六角(hP)结构相及其它未知相.2.2 硬度及摩擦磨损特性图1分别示出了6种非晶合金和4种晶态合金试样同GC r15钢对摩时的摩擦系数随时间变化的关系曲线.可以看出:非晶合金的摩擦系数随时间的变化而出现一定波动,大致在0.5～0.6范围以内变化[图1(a)];而4种晶态合金的摩擦系数值在0.4～0.5范围内变化[图1(b)],比非晶合金的摩擦系数略低.另外,晶态合金在试验起始阶段的摩擦系数较低,大约经过2～4m in进入稳定状态,此后其波动较小;而非晶合金在试验起始阶段的摩擦系数即保持稳定,但出现一定的波动.表2示出了10种试样的硬度、摩擦系数及磨损体积损失数据.可见:6种非晶合金的硬度差别不大,4种晶态合金的硬度亦相近;但4种晶态合金的硬度比同样成分的非晶合金的高;6种非晶合金的摩擦系数差别不大,4种晶态合金的摩擦系数也很接近;但4种非晶合金的摩擦系数比相同组成的晶态合金的高,且非晶合金的磨损体积损失较大.相同成分的非晶合金与晶态合金相比,其硬度、摩擦系数和耐磨性均存在差别,晶态合金的摩擦系数较低,而硬度和耐磨性较高.这主要归因于其不同的结构特征.换言之,晶态合金由多相化合物组成,硬质化合物相对硬度和耐磨性的提高起着非常重要的作用;而非晶合金具有结构和化学均匀性,同多相结构相比,这样的均匀相结构具有更低的硬度和更高的塑 (a)Six amo rphous alloys(b)four crystalline alloysF ig1 F ricti on coefficientΛas a functi on of testingti m e t fo r ten samp les图1 不同合金试样在干摩擦条件下同GC r15钢对摩时的摩擦系数随试验时间的变化关系性和韧性,从而导致摩擦系数因塑性变形的加剧而增大.6种不同成分的非晶合金的磨痕形貌特征类似,图2给出了其中2个试样的磨痕形貌SE M照片.由图2(a)可见,非晶合金在磨损过程中产生了严重的塑性变形,其主要磨损机制为塑性流变;从图2(b)可以观察到非晶合金磨损后的疏松组织,表明非晶合金具有非常好的塑性和韧性.图3示出了2种晶态合金的磨痕形貌SE M照片,可见明显的裂纹、剥落的碎片状磨屑[图3(a)]以及压碎的磨粒[图3(b)].与此同时,从图3(a)还可以观察到明显的犁沟迹象,表明晶态合金的磨损机制主要为脆性断裂和磨粒磨损.因此,本试验中的Zr基非晶合金的磨损机制不同于成分相同的晶态合金的磨损机制.一般认为,在干摩擦下的摩51第1期陈伟荣等: Zr基大块非晶合金的摩擦磨损性能表2 所制备的10种试样的硬度、摩擦系数和磨损体积损失Table 2 Hardness ,averaged fr iction coeff ic ien t ,and wear volu m e loss of var ious sam plesA lloy N o .Compo siti on H ardness H K M PaA veraged fricti oncoefficientW ear vo lum e lo ss mm 31#Zr 65.5A l 5.6N i 6.5Cu 22.435.00.5140.2952#Zr 65.3A l 6.5N i 8.2Cu 2035.10.5770.3253#Zr 65A l 7.5N i 10Cu 17.534.20.5670.2744#Zr 64.8A l 8.3N i 11.4Cu 15.535.90.5820.2975#Zr 64.5A l 9.2N i 13.2Cu 13.134.40.5520.2746#Zr 63.8A l 11.4N i 17.2Cu 7.638.50.5120.2757#Zr 65.5A l5.6N i6.5Cu 22.449.10.4120.2628#Zr 65.3A l 6.5N i 8.2Cu2048.10.4080.2699#Zr 64.8A l 8.3N i 11.4Cu 15.547.40.4680.24710#Zr 64.5A l 9.2N i 13.2Cu 13.148.20.4740.245(a )6#alloy (b )2#alloyF ig 2 SE M m icrograph s of w o rn surfaces of amo rphous alloys图2 非晶合金磨痕形貌SE M 照片(a )9#alloy (b )7#alloyF ig 3 SE M m icrograph s of w o rn surfaces of crystalline alloys图3 晶态合金磨痕形貌SE M 照片擦磨损试验过程中,摩擦副接触表面局部闪温可达约1000℃,远远超出了非晶合金的晶化温度.在所制备的6种非晶合金中,6#合金的晶化温度最高,为758K [5].应该指出的是,即使闪温很高,也并不一定导致合金晶化;但这种局部瞬时高温对合金结构和性能的影响不容忽视.实际上,在较高的闪温下合金可处于过冷液相区温度范围内[6],而在这一温度范围内,某些合金表现出优良的超塑性,这已在Inoue [7]的工作中得以证实.在本试验条件下,合金即可能因高闪温的作用而处于过冷液相区温度范围内,从而在摩擦过程中产生大量塑性变形.成分相同的晶态合金的晶粒同晶粒之间的位相差会阻碍合金的塑性变形,合金磨损表面形成的裂纹更易扩展,裂纹扩展至一定程度后形成碎片并剥落,剥落的碎片在反复摩擦过程中被压碎并形成小尺寸磨屑,磨屑作为磨粒对合金产生犁削作用,从而使晶态合金磨损表面出现明显的犁沟.非晶合金硬度比晶态合金的低,相应的磨屑硬度亦较低,其对非晶合金磨损表面的犁削作用较弱,因此非晶合金磨损表面无明显的磨粒磨损迹象,但其塑性变形和塑性流动远比晶态合金的严重,这决定了其61摩 擦 学 学 报第23卷耐磨性较差.3 结论a . 所制备的6种非晶合金试样同GC r 15钢对摩时的摩擦系数处于0.5～0.6范围内,同非晶合金成分相同的4种晶态合金在相同试验条件下的摩擦系数处于0.4～0.5之内.b . 晶态合金的显微硬度和耐磨性比成分相同的非晶合金的高.c . 非晶与晶态合金的磨损机制有所不同,非晶合金主要以塑性流变为主,而晶态合金主要以脆性断裂和磨粒磨损为主.参考文献:[1] Inoue A ,Zhang T ,M asumo to T .Zr 2A l 2N iAmo rphous A lloysw ith H igh Glass T ransiti on T emperature and Significant Supercoo led L iquid R egi on [J ].M ater T rans J I M ,1990,31:1772183.[2] Inoue A ,N akam ura T ,N ish iyam a N ,et a l .M g 2Cu 2Y BulkAmo rphous A lloys w ith H igh T ensile Strength P roduced by a H igh 2P ressure D ie Casting M ethod [J ].M ater T rans J I M ,1992,33:9372945.[3] K linger R ,Feller H G .Sliding F ricti on and W ear R esistanceof the M etallic Glass Fe 40N i 40B 20[J ].W ear ,1983,86:2872297.[4]Yo sh itake N ish i,T sukuru Kai,Katsuh iro K itago.W earR esistance of Fe 2Co 2Si 2B A lloy Glasses [J ].W ear,1988,126:1912196.[5] Chen W R (陈伟荣),W ang Y M (王英敏),Q iang J B (羌建兵),et a l .T he E lectron Concentrati on 2Constant and A tom icSize 2Constant C riteri on in Zr 2Based Bulk M etallic Glasses (Zr基大块非晶合金的等电子浓度和等原子尺寸判据)[J ].Ch inese Journal of M aterials R esearch (材料研究学报),2002,16(2):2192224.[6] Xu G Z ,Zhou Z R ,L iu J J .A Comparative Study on F rettingW ear 2R esistant P roperties of I on 2P lated T i N and M agnetron 2Sputtered M oS 2Coatings [J ].W ear ,1999,224:2112215.[7]Inoue A .H igh Strength Bulk Amo rphous A lloys w ith L ow C ritical Coo ling R ates (O verview )[J ].M ater T rans J I M ,1995,36:8662875.Fr iction and W ear Character istics of Zr -based Bulk M etallic GlassesCH EN W ei 2rong1,2,W AN G Y ing 2m in 2,Q I AN G J ian 2b ing 2,XU W ei 2p ing 2,W AN G D e 2he 2,DON G Chuang 2,XU T ao 3,ZHAN G A i 2m in3(1.M echanical E ng ineering D ep art m ent ,D alian U niversity ,D alian 116622,Ch ina ;2.S tate K ey L aboratory f or M aterials M od if ication by L aser ,Ion and E lectron B eam s ,D alian U niversity of T echnology ,D alian 116024,Ch ina3.S tate K ey L aboratory of S olid L ubrication ,L anz hou Institu te of Che m ical P hy sics ,Ch inese A cad e m y of S ciences ,L anz hou 730000,Ch ina )Abstract :Six k inds of Zr 2based am o rp hou s alloys w ith differen t com po siti on s w ere designed and p repared acco rding to the ru les of con stan t electron concen trati on and con stan t atom ic size .T he fricti on and w ear characteristics of the am o rphou s alloys under dry sliding again st SA E 52100steel w ere investigated on an SRV fricti on and w ear tester ,in a ball 2on 2disc con tact configu rati on .T he fricti on and w ear behavi o r of fou r crystalline sp eci m en s w ith the sam e com po siti on s as the am o rp hou s coun terparts w as also evaluated under the sam e testing conditi on s as a com parison .T he w o rn su rface m o rp ho logies of the alloys w ere ob served w ith a scann ing electron m icro scope .R esu lts indicated that all the am o rphou s alloys had nearly the sam e fricti oncoefficien ts 0.5～0.6,w h ile the crystalline coun terp arts registered fricti on coefficien ts 0.4～0.5.T hecrystalline alloys show ed better w ear resistance than the am o rphou s coun terparts ,w h ich w as dependen t on the differen t w ear m echan is m s .In o ther w o rds ,the crystalline alloys w ere characterized by b rittle fractu re and ab rasive w ear ,w h ile the am o rphou s coun terparts w ere characterized by severe p lastic defo r m ati on and flow ing .Key words :Zr 2based alloy ;bu lk m etallic glass ;m icrohardness ;fricti on and w ear behavi o rAuthor :CH EN W ei 2rong ,fem ale ,bo rn in 1963,Ph .D .,A ssociate P rofesso r ,e 2m ail :rem iliu @m ail.dlp tt ...71第1期陈伟荣等: Zr 基大块非晶合金的摩擦磨损性能。
热峰作用下单斜ZrO_(2)相变过程的分子动力学模拟
关键词：ZrO2, 相变, 热峰, 分子动力学 PACS：61.80.Az, 61.82.–d, 71.15.Pd, 05.70.Fh
DOI: 10.7498/aps.70.20201861
1 引 言
随着核能的不断开发利用, 高放射性核废料持 续增多, 如何有效地提高核燃料利用率并减少放射 性核废料, 已成为核能可持续发展所必须解决的关 键问题. 近年来研究发现, 在反应堆以及加速器驱 动的次临界系统中, 采用惰性基质燃料能够有效地 促进钚的回收利用和次锕系元素的嬗变, 从源头上 降低核废物中长寿命放射性元素的含量 [1,2]. 氧化 锆 (ZrO2) 陶瓷耐高温、耐腐蚀、抗辐照性能强, 是
物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 70, No. 13 (2021) 136101
热峰作用下单斜 ZrO2 相变过程的分子 动力学模拟*
赵中华 1) 渠广昊 1) 姚佳池 1) 闵道敏 1) 翟鹏飞 2) 刘杰 2) 李盛涛 1)†
1) (西安交通大学电气工程学院, 电力设备电气绝缘国家重点实验室, 西安 710049) 2) (中国科学院近代物理研究所, 兰州 730000)
本文结合热峰模型和分子动力学两种方法的 优势, 对快速重离子辐照下, ZrO2 由单斜相转化为 四方相的微观过程进行模拟, 并计算诱导 ZrO2 相 变的快速重离子的电子能损阈值. 首先, 利用热峰 模型描述快速重离子入射后, ZrO2 内部电子激发、 电子-声子能量耦合、电子-电子以及声子-声子能量 传递过程, 计算得出晶格温度; 然后, 根据晶格温 度标定体系原子动能, 将其作为分子动力学模拟初 始条件, 研究 ZrO2 微观结构演化, 并通过 X 射线 衍射 (X-ray diffraction, XRD) 计算确定 ZrO2 相 变类型; 随后, 根据 Zr 原子配位数变化具体分析 ZrO2 相变过程; 最后, 改变入射离子的电子能损, 进行多次热峰计算和分子动力学模拟, 确定诱导 ZrO2 发生相变的快速重离子的电子能损阈值.
Zr基非晶合金微热压印实验研究
基金项 目： 国家 自然科 学基金重点项 目（ ０ ３ ０ ０ ５６５２ ） 收稿 日期 ：０ １ １— ９ ２ １－ ２ ２
２ 试验 方法
过 程 中 聚 合 物 成 形 的 流 动 距 离 较 小 ，其 残 余 应 力 也
相 对 较小 ， 细结 构 的复制 精度 高 ， 而 对 于尺 寸精 微 因 度 要 求 比 较 高 的 微 纳 结 构 来 说 ，使 用 微 热 压 成 形 法 加 工 更 为 合 适 ＿ 】 Ｉ 。 微 热压 印 属于正 挤 压工 艺 ，它综合 利 用 了精 密 体 积 成 形 和 精 密 冲 裁 两 种 工 艺 的 优 点 ，成 形 后 零 件 表 面 质 量 更 高 ， 能 更 优 良ｌ。其 变 形 过 程 是 一 个 复 性 ２ ｌ 杂 的Ａ 程 ， 既要 考 虑材 料 的非线 性 ， 要 考虑 几何 ｔ 它 又
对 试 样 进 行 高 温 正 挤 压 ，试 验 在 配 有 加 热 炉 的
Ｚ ｃ ／ ｅｌ 学 性 能 试 验 机 上 进 行 ， 由 上 而 下 依 次 ｗｉｋＲｏ ｌ 力
为 冲 头 、 晶合 金 以 及 刻 有 微 留 槽 的 硅 模 ， 流 槽 截 非 微
面 为 矩 形 ，深 宽 比 均 为 １ ． 槽 宽 有 ３种 规 格 ： ５，
具 。 统 微热 压模 具 制造 方法 有半 导体 加工 、 传 电铸 加
工 、 微 机 加 工 等 ，这 些 方 法 制 造 的模 具 有 着 很 多 不 足 ， 脆 性 大 、 度 不 足 、 造 周 期 长 、 本 高 、 以 如 强 制 成 难 加 工 相 对 较 小 的形 状 特 征 等 『 ４ １ 。 块 体非 晶合金 具有 高强 度 、 硬 度 、 腐 蚀 等优 高 耐 良 Ｉ ， 且 由于没 有 晶粒 ， 晶合金 可 以精 确地 复 生能 而 非
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第15卷 第7期强激光与粒子束Vol.15,No.7 2003年7月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSJul.,2003
文章编号: 100124322(2003)0720694203
辐照诱发中间相Zr(Cr,Fe)2非晶化的原位电子显微研究Ξ
祖小涛1, 张传飞2, 向 霞1, 吴继红1, 赵文金3, 王鲁闽4(1.电子科技大学应用物理系,四川成都610054; 2.中国工程物理研究院核物理与化学研究所,四川绵阳621900;
3.中国核动力研究设计院核燃料及材料国家重点实验室,四川成都610041;4.DepartmentofNuclearEngineeringandRadiologicalSciences,UniversityofMichigan,AnnArbor,Michigan48109,USA)
摘 要: 在美国Argonne国家实验室连接有IVEM2TandemNationalFacility加速器的Hitatch3000电子显微镜上,通过能量600keV及注量率为2.5×1012cm-2・s-1的Ne离子原位辐照,研究了锆24合金中沉淀相hcp2Zr
(Cr,Fe)2的重离子辐照效应,结果表明:600keV的Ne离子在350℃原位辐照至0.2dpa时,hcp2Zr(Cr,Fe)2沉淀相
的层错条纹开始消失;0.8dpa时沉淀相的电子衍射斑点大部分消失,发生明显的化学无序;217dpa时明场像衬度完全消失,非晶环已非常明显,表明沉淀相已经非晶化。600keV的Ne离子在350℃辐照hcp2Zr(Cr,Fe)2相非晶化的临界损伤离位率约为2.7dpa。 关键词: 锆合金; 重离子辐照; 非晶化转变; 原位电子显微观察 中图分类号: TG139.6 文献标识码: A
自1967年发现不锈钢的辐照肿胀以来[1],金属材料的辐照损伤在理论和实用方面都引起了科学界的极大
关注[1～6]。锆合金由于具有极小的热中子吸收截面(约为铁的1/30)及优良的抗腐蚀性能和力学性能,在核反应堆中被普遍用作结构部件和核燃料包壳元件,但在使用过程中锆合金部件会受到中子的辐照损伤[2]。锆24
合金中有密排六方(hcp)结构的Zr(Cr,Fe)2和面心立方(fcc)结构的ZrFe2两种沉淀相。辐照对ZrFe2沉淀相几乎没有影响,但辐照诱发Zr(Cr,Fe)2粒子从晶态到非晶态的转变,而第二相粒子的非晶化对锆合金的性能有一定影响。在288℃中子辐照2dpa时hcp2Zr(Cr,Fe)2沉淀相的非晶化转变从沉淀相与锆基体的界面处开始,6dpa
时非晶化转变已非常明显,17dpa时完全非晶化[2]。用带电粒子辐照模拟堆内中子辐照效应是目前反应堆材料辐照效应研究的有效途径[3～8]。辐照注量率和辐照离子质量的增加会提高非晶化临界温度[7,8],因此,本文
选择在350℃用600keV的Ne离子辐照锆24合金,利用Argonne国家实验室联接有加速器的电镜原位观察了Zr
(Cr,Fe)2沉淀相的非晶化转变过程。
1 实验过程1.1 试样制备 试验材料为ZircologyPlusCompany提供的锆24合金板材,化学成分见表1。为了制备透射电镜样品,用水砂纸逐级减薄样品至大约300μm,然后用专用打孔机切下直径3mm的圆片,再用水砂纸减薄至100～140μm。最后进行电解单喷减薄。使用的电解液为:高氯酸(10%)+甲醇(90%),电压约40V,温度为-40℃。表1 锆24合金的化学成分Table1 NorminalcompositionofZr24alloy
Ingot(alloy)SnFeCrNiNbU04805P(Zr24)1.35%0.209%0.113%——
1.2 Ne离子原位辐照实验 原位辐照的透射电子显微研究在Argonne国家实验室的IVEM2TandemNationalFacility上进行[7]。预减薄的样品置放在可调温(20～1000K)的样品室里,Ne离子的能量为600keV,注量率为2.5×1012cm-2・s
-1
,根据
Trim97程序[6,7]计算后可换算成损伤离位率10-3dpa/s。300keV的电子束用来进行电子显微观察。为了避免
Ξ收稿日期:2002207217; 修订日期:2003203225
基金项目:国家自然科学基金资助课题(10175042);四川省青年科技基金资助课题(03ZQ0262059
)
作者简介:祖小涛(19652),男,教授,博士;2001～2002年在美国密西根大学核工程与放射科学系作访问学者,已发表论文60余篇;E2mail:zuxt@sohu.com;联系地址:电子科技大学应用物理系,Tel:028283201939。
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.观察用的电子束对样品的辐照产生影响,在Ne离子辐照时关掉了电子束,辐照温度选择在350℃。2 结果及讨论
Fig.1 Bright2fieldimageandSAEDPofunirradiatedZr(Cr,Fe)2inZircaloy4图1 未辐照hcp2Zr(Cr,Fe)2沉淀相的明场像和相应的电子衍射花样
图1示出了未辐照锆合金中hcp2Zr(Cr,Fe
)
2
沉淀相的明场像(图1(a))和电子衍射花样(图1
(b))以及沉淀相附近基体的电子衍射花样(图
1
(c))。在hcp2Zr(Cr,Fe)2沉淀相的明场像中可以
看到明显的由层错衬度构成的条纹。图2表明600keV的Ne离子辐照至0.2dpa时,沉淀相的层错条纹开始消失,0.4dpa时层错条纹基本消失,
说明原子已发生了无序。0.8dpa时沉淀相的电子衍射斑点已大部分消失,2.7dpa时沉淀相的明场像中观察不到任何衍射衬度,非晶环已非常明显(图3),表明沉淀相已经非晶化。 荷能离子入射物质,主要通过与靶原子的电
Fig.2 Stackingfaultcontraststartsfadingupto0.2dpa,andalmostdisappearsupto0.4dpa图2 Ne离子辐照至0.2dpa沉淀相hcp2Zr(Cr,Fe)2层错衬度开始消失,离子辐照至0.4dpa已大部分消失
Fig.3 Spotscorrespondingtohcp2Zr(Cr,Fe)2inSAEDPstartsdisappearingupto0.8dpaandthestackingfaultcontrasthasdisappearedbasically;allcontrastandthespotsdisappearandamorphousringappearsupto2.7dpa图3 Ne离子辐照至0.8dpa时hcp2Zr(Cr,Fe)2的电子衍射点和衬度基本消失;
2.7dpa时,衬度完全消失,非晶环出现,表明沉淀相已非晶化子(离子化碰撞)和原子核(弹性碰撞)作用损失能量。靶原子通过弹性碰撞得到足够的能量而离开正常晶格位置,并进一步与其它靶原子碰撞,产生级联碰撞。分子动力学计算发现,许多金属中单次级联损伤在10ps内形成[9]。根据入射粒子的能量和靶的质量,移位级联的作用范围在几个nm到几百个nm;级联碰撞区域产生时为液态,若这一区域冷却速度足够快,级联碰撞区域直接淬火成nm尺寸的非晶区,否则迅速退火则将保留一些点缺陷或缺陷簇。通过非晶区域的逐渐积累或点缺陷的积累形成全部非晶化[10]。也有另一些证据表明非晶化是由晶格原子的无序积累产生的[3,7]。本实验结果表明,重离子辐照与中子辐照[7,8]不同,锆24合金中hcp2Zr(Cr,Fe)2粒子的非晶化转变没有从沉淀相与锆基体的界面处开始,非晶化是均匀产生的并经历了原子无序
596第7期 祖小涛等:辐照诱发中间相Zr(Cr,Fe
)
2非晶化的原位电子显微研究
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.过程(图1～3中衍射斑点随辐照注量的增加而消失)。因此,锆24合金中hcp2Zr(Cr,Fe)2沉淀相在重离子辐照下的非晶化过程的原位电子显微研究支持了第二种模型,即认为hcp2Zr(Cr,Fe)2沉淀相的非晶化是由晶格原子化学无序的积累产生的。 在288℃中子辐照使锆24合金中hcp2Zr(Cr,Fe)2沉淀相发生非晶化转变,而本实验选择在350℃用Ne离子辐照hcp2Zr(Cr,Fe
)
2,由于所用离子的质量(Ne为20u)和注量率10-3dpa/s都远大于中子和质子辐照(1u,10
-7
dpa/s)[2,3],同样使其发生了非晶化转变。这说明辐照注量率和辐照离子质量的增加会提高非晶化临界温度[8]。
3 结 论 用透射电子显微镜原位研究了锆24合金的Ne离子辐照效应,发现:600keV的Ne离子在350℃原位辐照至0.2dpa时,hcp2Zr(Cr,Fe)2沉淀相的层错条纹开始消失,0.8dpa时沉淀相的电子衍射的斑点大部分消失,发生
明显的化学无序;2.7dpa时明场像衬度完全消失,非晶环已非常明显,表明沉淀相已经非晶化。600keV的Ne
离子在350℃辐照锆24合金中hcp2Zr(Cr,Fe)2相非晶化的临界离位率约为2.7dpa。致 谢 感谢教育部留学回国人员科研启动基金的支持。
参考文献:
[1] CawthorneC,FultonEJ.Voidinirradiatedstainlesssteel[J].Nature,1967,216:515.[2] GriffithsM,MeckeJF,WinegarJE.Evolutionofmicrostructureinzirconiumalloysduringirradiation[A].ZirconiuminNuclearIndustry:EleventhInterna2tionalSymposium[C].Philadephia,PA:Americansocietyfortestingandmaterials,1996.580—602.[3] KaiJJ,HuangWI,ChouHY.Themicrostucturalevolutionofzircaloy24subjectedtoprotonirradiation[J].JournalofNuclearMaterials,1990,170:193—209.[4] 祖小涛,封向东,林理彬,等.Zr2Sn2Nb合金质子辐照效应研究[J].核动力工程,2001,22(5):406—410.(ZuXT,FengXD,LinLB,etal.Effectof18MeV2protonirradiationonZr2Sn2Nballoys.NuclearPowerEngineering,2001,22(5):406—410)[5] 王治国,祖小涛,封向东,等.18MeV质子辐照对TiNi形状记忆合金R相变的影响[J].强激光与粒子束,2003,15(1):97—100.(WangZG,ZuXT,FengXD,etal.Influenceof18MeVprotonirradiationontheR2phasetransformationofTiNishapememoryalloys.HighPowerLaserandParticle