(1.7)--金属材料力学性能的辐照硬化效应.pdf

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1、金属材料力学性能的辐照硬化效应摘要开展金属材料力学性能的辐照硬化研究对抗辐照材料的设计及工程应用具有重要意义材料辐照损伤效应主要包括材料原子移位产生的辐照缺陷以及由核反应产生的氢、氦 等气体杂质对材料性能的影响金属材料的辐照效应主要包括辐照硬化、辐照脆 化和辐照蠕变等该文主要综述在低温（，：是材料的熔点温度）和低辐照剂量下，由原子移位损伤产生的辐照缺陷所导致的辐照硬化行为，即受辐照缺陷 的影响，材料的强度会升高材料的晶粒尺寸、晶界以及温度等因素对多晶材料的辐照硬化具有重要影响金属材 料力学性能的辐照硬化研究是个多尺度问题，其宏观力学性能既取决于微观尺度上辐照缺陷导致晶粒内部结构的变化，也取决于

2、细观尺度上晶粒间 的相互作用该文从实验结果、数值模拟和理论模型三方面综述金属材料力学性能的辐照硬化研究进展在此基础上，展望了该领域中存在的主要科学问题力学进展第卷：引言随着传统化石能源等一次性能源的逐渐枯竭以及人类对能源需求的不断增长，能源问题已成为影响人类生存的重大问题之一相比传 统能源而言，核 能由于其资源丰富，能量产值高而在国际上受到广泛重视核 能可分为核裂变能和核聚变能两种，目前核裂变能已得到较为成熟的商业应用，但是其较低的效率和一定的安全问题迫使人们寻求更高效更安全的核能相比核裂变能，核聚变能具有不可替代的优势，具有核反应原料储量巨大，放能效率 极高以及近乎 安全无污染等特点因此，核

3、聚变能被视为解决人类未来能源需求的主导形式之一，实现可持续可控核聚变，对解决人类所面临的能源问题具有非凡的意义最近数十年，随着国际核聚变能源的研究不断取得突破性进展，特别 是国际热核聚变实验堆（）计划已经获得了较大的成功，人类有望在不久的将来实现可控的惯性约束核聚变，从而从根本上解决能源问题但是目前国际热核聚变实验堆中仍然存在很多亟需解决的问题，其中包括如 何选取力学性能良好的抗辐照材料，以保障核聚变反应装置安全可靠的运行在核技术的发展过程中，核材料在辐照条件下的力学性能研究十分重要，其直接影响到核反应堆服 役期间内的可靠 性和 安全性可以说，核技术的每一次发展和进步都和材料抗辐照性能的提升紧

4、密相关在聚变反应堆中，结构材料通常要经受高通量的中子辐照以及逃逸离子的撞击，其辐照损伤剂量比现有核电站中材料所经历的损伤剂量高倍以上，并且会伴随有其他嬗变产物氢和氦等，至今还没有任何抗辐照材料能满足其在力学性能上的要求（）核材料的力学性能与辐照效应密切相关辐照效应是指射线或者高能粒子与物质相互作用造成的材料物理、力学性能以及结构上发生变化材料辐照损伤效应主要包括材料原 子移位产生的辐照缺陷以及由核反应产生的氢、氦等气体杂质对材料性能的影响金属材料力学性能的辐照效应包括辐照硬化（）、辐照脆化（？）、辐照蠕变（）和照疲劳（）等该文主要综述在低温，是材料的熔点温度）和低辐照剂量下，由原子移位损 伤产

5、生的辐照缺陷所导致的辐照硬化行为通常，核反应会产生大量高 能中子和离子，这些高能粒子具有极强的 穿透力，结构材料的晶格原子受其撞击后，会偏离其原来的位置并形成大量离位原子（，），这些离位原子通过进一步的级联碰撞过程会演化形成复杂的缺陷结构，如间隙子（）、空位（）、位错环（，）、层错四面体（，肖厦 子，宋定坤，楚海建，薛建明，段慧玲：金属材料力学性能的辐照硬化效应）和空洞（）等在温度和辐照剂 量较低的情况下（辐照损伤强度单位为，表示原子平均离位次数），面心立方晶体（）材 料中的主要缺陷类型是层错四面体，而体心立方晶体（）材料中的主要缺陷是位错环；当温度和辐照剂量较高时（辐照损伤 强度较咼），缺陷

6、通常 是以空洞的形式存在（，；）正是由于这些大量辐照缺陷的存在，当核材料受外 载 发 生塑性变形时，其内部位错的运动将受缺陷的影响，从而较大程度地改变其力学性 能，如辐照硬化、辐照脆 化和功硬化系数（）下降等（）可以看出，辐照缺陷对金属材料力学性能影响 的研究 是一个典型的多尺度问题：在微观原 子尺度上高能粒子与晶格 原子的相互作用会改 变材 料的微观晶体结构，形成细观晶粒尺度的缺陷，进而细观层次的 晶体辐照缺陷会影响材 料宏观多 晶尺度的力学性能因此，为了能够系统地分析辐 照损伤是如何改变金属材料的力学性能，须在不同尺度上 开展辐照硬化的研究，在了解 相关物理过程和 作用机理的基础上，建立不

7、同尺度之间的联系，从而对核材料的辐照力学性能进行有效的分析和预测为了设 计能够满足力学性能要求的抗辐照材料，深入探索 辐照缺陷 的形成与演化，揭示材 料变形损伤机理，并研究金属材料的辐照硬化行为，己经逐渐成为近年来国内外研究的热点金属材料的辐照硬化分 析可分为个尺度的研究：原子尺度（微观层 次）、晶粒尺度（细观层次）和多 晶尺度（宏观层次丨在不同尺度下，辐照硬化的分析有其主要的研究方法和手段（），如图所示在原子尺度，常用的方法主要包括数 伸试验二力学性能缺陷？有限元：丨為广断裂，力学续介质力学！：位错动力学率场论热力学兔蒙特卡洛方法分子动力学夫第一性一一一原理：益势（空间尺度图材料辐照硬化研究

8、的多尺度研究框架（）（版权归爱 思唯尔出版社所有）力学进展第卷：值模拟，如第一性原理计算、分子动力学模拟等；在晶粒尺度，理论模型通常为研究辐照硬化提供了有效的途径，如基于连续介质力学的辐照晶体塑性理论；在多晶尺度，金属材料受辐照后的力学性能研究主要通过实验、理论和数值计算等方法该文将分别从实验观测、数值模拟和理论模型个方面综述目前国内外关于金属材料在低温低辐照剂量条件下辐照硬化研究的主要进展金属材料辐照硬化的实验观测实验观测是研究金属材料辐照损伤效应最直接、最可靠的方法之一从世纪中期开始，金属材料的辐照效应逐渐引起人们的关注（），并随着实验条件及观测手段的不断进步和发展，如透射电子显微镜（，）

9、和扫描隧道显微镜（，）等的出现，人们对辐照缺陷如何导致辐照硬化的认识不 断深入下面，将从辐照缺陷的形成、演化以及其对材料宏观力学性能的影响这个方面介绍 相关的实验研究工作辐照缺陷 的类型金属材料受高能粒子辐照之后，晶体内部会形成复杂的缺陷 结构，并且缺陷的种类、密度、大小以及性质往往与辐照条件以及材料 性质有关在辐照的初始阶段，晶体材料中 的缺陷主要是点缺陷和空位经过一定 时间 的演化，在低温和低辐照剂量的条件下，体心立方结构材料中的辐 照缺陷主要以位错环的形式存在；而在面心立方结构的材料中缺陷类型还与层错能有关，对于层错能较低的材料，层错四面体是主要的缺陷类型（），如图所示当温度较高时，辐照

10、缺陷主要是以空洞的形式存在此外，通过嬗变反应还会有氦泡的产生位错环可分为两种：空位环和间隙环，分别是辐照产生的空位和间隙原子通过聚集塌陷形成层错四面体是一种正四面体结构的缺陷，一般情况 下，其一旦形成便非常稳定此外，实验观察 发现，材料的结构差异对缺陷类型影响较小，例如，对于纳晶和孪晶面心立方材料而言，虽然其内部存在 大量的界面结构，但辐照缺陷仍以层错四面体为主（；），如图所示辐照缺陷的密度与辐照剂量的高低有密切的关系（，）当辐照剂量较低时，缺陷（位错环和层错四面体）密度与辐照剂量基本呈线性关系；图表明，当辐照剂量达到一定量时，缺陷密 度会达到饱和，随着辐照剂量的继续增加，缺陷就会演变成以空洞

11、的形式存在此外，在一定辐照的剂量下，位错环和层错四面体的尺寸随辐照剂量的变化很小，一般情况下层错四面体的大小在？，位错环的大小在左右（，）最近的研究表明，辐照缺陷的密度还与材料的微结构有关（，肖厦子，宋定坤，楚海建，薛建明，段慧玲：金属材料力学 性能的辐 照硬化效应，二，漆图福照缺陷，（）位错环（）（版权归爱 思唯尔出版社所有）；（）层错四面体（）（版权归爱思唯尔出版社所有）图孪晶银中的辐照缺陷层错四面体（）（版权归自然出版集团所有），）通过对纳晶材料的辐 照 实验研究，人们发现随着晶粒尺寸的减小，晶粒内部的缺陷密度会随之降低，当晶粒尺寸小于临界尺寸 时，辐照缺陷甚至会消失例 如，罗斯 等通过

12、对纳米钯和氧化锆进行重 离 子辐照实验，发现当氧化锆晶粒小于以及钯晶粒的尺寸小于时，相应的样品中便不会存在辐照缺陷（），如图所示尼特等对纳晶铜辐照之后发现，尽管辐照缺陷类型仍以层错四面体为主，但缺陷密度比传统多晶铜的缺陷密度要小很多，因而纳晶材料体现出良好的抗辐照性能（）纳晶材料受辐照之后的缺陷密度之所以比传统多晶材料要 低，主要是由于纳晶材料中较大的晶界比例受晶界的影响，辐照产生的缺陷往往容易迁移到晶界进而被 吸收，这样便降低了晶粒中缺陷的含量，从而体现出较好的抗辐照性能（，力学进展第卷：，（）丄：；，叢：；辐照剂量图缺陷密度与辐照剂量的关系（）（版权归爱 思 唯尔出版社所 有）十：外十：？

13、，晶粒大小孪晶厚度图（）氧化锆中缺陷密度与 晶粒尺寸的关系（）（版权归爱 思唯尔出版社所有）；（）银中缺陷密度与孪晶厚度的关系（）（版权归自然出版集团所有）对于孪晶材料而言，缺陷密度与孪晶界之间的厚度也有关，随着孪晶厚度的减小，辐照缺陷密度也会逐渐减少（），如图所示，这说明孪晶材料也是一种潜在的抗辐照材料，而逐渐受到关注辐照缺陷对材料力学性能的影响 与缺陷的种类以及温度有关通常，当位错滑移遇到缺陷时，缺陷会起到钉扎（）作用并阻碍位错的继续滑移，从而导致辐照硬化对不同的缺陷而言，其阻碍位错滑移的强弱能力是不同的；同样，温度对缺陷与位错相互作用的强弱也有较大影响（，）例如，通过肖厦子，宋定坤，楚海

14、建，薛 建明，段慧玲：金属材料力学性能的辐照硬化效应 。，？，？，：？，？珥？，缺陷密度图缺陷与位错相互作用 强度系数和温度的关系（）（版权归爱思唯尔出版社 所有）对纯 铜以及 铜的合 金材料进行不同温度条件下的辐 照力学 性 能研究，人们发现当温度升高时，缺陷阻碍位 错滑移的能力将减弱，即温度越高，滑移位错越容易克服缺陷 的阻碍并将缺陷涯灭（）（），如图所不辐照缺陷的演化辐照缺陷 的演化与其所处的外载环境以及材料自身 的微结构有关当材料发生塑性变形时，滑移位错与缺陷的相互作用是缺陷演化的主导方式之一滑移位错与缺陷相互作用会改变缺陷的类型以及 数量例 如，当位错滑移遇到缺陷时，缺陷可能被转变为

15、其他类型的缺陷进而被湮灭，或者直接发生湮灭，从而导致缺陷密度的降低（皿站，）如图所不，层错四面 体与滑移位错相互作用以后可能导致其直接浬灭（），也可能 被转换 成法兰克（）环（）层错四面 体在于滑移位错相互作用之后，滑移 位错并 未消失，即位错与缺陷的相互作用通常不会改变滑移位错的密度（，），如图所不值得注 意的是位错与缺陷之间的相互作用具有很强的空间性，这会导致受辐照后的材料在外载条 件下 形成无缺陷（）的位错通道（），从而出现高度局域性（）的塑性变形（）实际上，辐照产生的缺陷在空间 的分 布并不是无规则的，对于位错环这样的平面缺陷而言，环所在平面一般是在丨 丨和丨平面；对于层错四面体这种正

16、四面体的缺陷而言，其相应的层错面通常也是在丨平面（）而对于滑移位错而 言，在不同的晶体体系中，其也具有特定的滑 移体系，如面心立方结构的晶体内位错是在 滑移系上滑移，体心立方 结 构的晶体内位错滑移则在，和力学进展第卷：、卜卜秦噃、，（图层错四面体与滑移位错相互作用后发生湮灭而位错仍存在（）（版权归爱思唯尔出版社所 有）丨 滑移系由此可见，不同滑 移系上的位错与具有特定 空间分布的缺陷相互作用具有明显的空间特性当在一组相距很近的滑移面上的缺陷与滑移位错相互作用后发生湮灭，便会形成位错通道，同时滑移位错所受到的阻力将大大减小，这样位错沿此滑移 面滑移会变得容易，使得塑性变形在局部区域更容易发生，

17、于是便会出现高度局域性的塑性变形（），如图所不此外，材料自身 的微结 构对缺陷的演化也具有影响例 如，对于受辐照后的纳晶材料，受大量晶界的影响，晶粒中靠近晶界的缺陷容易迁移到晶界进而被吸收，这样导致晶粒中在 靠近晶界的区域内的缺陷消失，形成一无缺陷 区域，这样的缺陷分布不均匀性会直接影响缺陷在晶粒内的演化（，）同样在孪晶材料中，孪晶界的迁移也会与缺陷相互作用，实验研究表明，孪晶晶界也 能起到吸收并湮灭缺陷 的作用，进而降低材料中的缺陷密度（），如图所示辐照缺陷对力学性能的影响福照对材料宏观力学性能的影响已有不少实验工作的研究（，），主要关注辐照剂 量、辐照源和温度对材料微结构以及力学性能的影响

18、在低温和低 辐照剂量下，金属材料受辐照后的力学特肖厦子，宋定 坤，楚海建，薛建明，段慧玲：金属材料力学性能的辐照硬化效应图辐照铜变形后出现的位错通道（）（版权归自然出版集团所有）變涵图层错四面体与共格孪晶界作用并且被吸收（）（版权归自然出版集团所 有）性主要体现为辐照硬化、辐照脆化以及功硬化系数下降等对于面心立方结构金属材料，将主要以金属铜为例介绍其辐照力学性能，其他面心立方结 构的金属材料具有类似的辐照效应辛格等（，）通过 对铜和铜的合金材料进行了一系列辐照实验，发现随着辐照剂量的增加，力学进展第卷：，？未福照闼，？应变应变图（）铜的辐照应力应变曲线（）（）（版权归爱思唯尔出版社所有）；）铜

19、的辐照应力应变曲线（）（）（版权归爱思唯尔出版社所有）材料的 屈服应力会不断上升，同时材料的延展性会不断下降，特别是当辐照剂量较大时（辐照损伤强度大于），材料会出现过屈服点应力下降的现象，即屈服后软化（），如图所不产 生屈服后软化的主要原因是当材料发生塑性变形时，辐照缺陷会阻碍位错的滑移，使得材料的屈服应力上升，随着外载增 加到足以使得滑移位错将缺陷湮灭或者破坏缺陷 的阻碍能力，位错 滑 移的阻力将减小，从而导致驱 动位 错滑移所需的外界载荷减小，出现过屈服点后应力下降的现象值得注意的是，这个现象只有当辐照剂量超过一定时才会发生，实际上过屈服点的流动应力演化来自于两部 分机制的竞争：缺陷湮灭导

20、致流动应力 的减小和位 错增殖导致流动应力的增加当辐照剂量较低时，缺陷密 度较小，其浬灭对流动应力的影响 小于位错增殖的影响，故不会出现过屈服点流动应力下降的现象；当辐 照 剂量较高时，大量缺陷 的湮灭对流动应力的影响大于位错增殖的影响，故会出现过屈服点后应力下 降的现象在体心立方结构的金属材料中，铁及其合金是应用较为广泛的材料，也是研究的重点（；，；）通过相 关实验测试表明，体心立方结构金属材料受辐照以后的力学性能与面心立方结构材料的基本类似，其主要的辐照影响同样包括明显的辐照硬化和辐照脆化现象，同样温度以及材料微观结构对辐 照 效应也有相应的影响，如图 所示材料的微观结构以及晶粒的尺 寸对

21、辐照硬化有显著的影响对于单晶材 料而言，当晶粒尺寸较大时，其辐照硬化效应与 多晶材料基本一致（），如图所示但是当晶粒尺寸减小 时，辐 照硬化效应将受到尺寸因素的影响例如，基纳 等对 样品尺寸 从到的单晶铜进行 辐 照后的 力学性能测试，发现辐照单晶肖厦子，宋定坤，楚海建，薛建明，段慧玲：金 属材料力学性能的辐照硬化效应 ，未辐照，未辐照，？应变应变图（）铁辐照的应力应变曲线（）；（）铁辐照的应力应变曲线（）（）（版权归爱思唯尔出版社所有）（）未辐照？（）辐照 厂，；：？，未福照畛？，？，：区。应变晶粒尺寸图（）单晶铜的辐应力应变曲线（）（版权归爱 思唯尔出版社所有）；（）尺寸和 福照对单晶铜屈

22、服应力的影 响（）（版权归自然出版集团所有）存在一个临界尺寸，当单晶尺寸小于临界尺寸 时，尺寸 效应对单晶的力学性能起主导作用，辐照硬化的影响可以忽 略；当尺寸大于临界尺寸 时，辐照 硬化将成为主导机制，单晶尺寸的改变对其力学性能几乎没有影响（），如图所示实际上，当单晶尺寸减小时，一方面晶粒内部位错源激发位错的难易程度将变得越来越难，另一方面晶粒内部的位错和缺陷受到单晶自由表面的影响，将容易从自由表面逃逸，从而导致晶粒内部的位错以及缺陷密度降低，这样就降低了辐照缺陷 的影响所以存在这样的临界尺寸，当晶粒尺寸 小于临界尺寸时，单晶力学性能是由位错源亏乏机理主导（）；当晶粒尺寸大于临界尺寸时，其力

23、学特性主 要由位错与辐照缺陷 的相互作用决定力学进展第卷：，？，：装归一化温度图温度对福照硬化的影响（）（版权归爱思唯尔出版社所有）温度也会影响材料的辐照硬化行为通过在不同温度条件下对面心立方金属材料进行较为系统的研究，人们发现在相同的辐照条件下时，温度的上升会使材料辐照硬化的程度减弱（，），如图所示类似的实验结果也可以从辛格等（，）的辐照实验结果看出（如图所示），当辐照剂量在并且温度从上升到时，屈服应力 则从下降到左右位错与缺陷相互作用的强弱 与位错所处的能量状态有关，当温度升高，位错将受热激励使其穿越缺陷的能量阈值下降，因而克服缺陷阻碍所需的外载降低辐照除了会导致材料辐照硬化以外，还会引起

24、辐照脆化和功硬化系数的降低（？，）从图可以看出，辐照会使材料的延展性以及功硬化系数较未辐照时有显著的下降，并且这种影响往往是非常危险的，工程运用所需要的抗辐照材料必须同时满足一定的强度和軔性，这样才能保证结 构的安全可靠，所以探索既能具有良好的抗辐照性能又具有较好初性的材料是当今核材料研究的重点和难点本节综述了近期关于辐照缺陷的形成、演化以及其对材料宏观力学性能影响的实验研究进展可以看出，辐照硬化与材料本身的 晶体类型、微观结构以及外载环境（辐照剂量和温度）等因素密切相关对于不同晶体结构的金属材料（面心立方结构或者体心立方结构），其总体趋势是一致的，但是当材料的微观结构发生变化时，其辐照特性将

25、发生明显变化随着近些年微纳米技术的发展，具有微纳结构的金属材料展现出优于传统多晶材料的辐照力学性能，例 如受纳晶材料较大比例晶界的影响，晶粒内部辐照缺陷比相同辐照条件下的多晶材料的缺陷密度小，体现出良好的抗辐照性能，但是纳晶材料自身的延展性不佳，故将限制其在抗辐照材料中的应用对于具有孪生肖厦子，宋定 坤，楚海 建，薛建明，段慧玲：金属材料力学性能的辐照硬 化效应 一未辐照的锏纯铜，一，未福照的，和，一纯铜未辐照厶！纯铜，？咖叫三 纯铜，、未辐 照，辐照剂量塑性应变图（）材料延展性与福照强度的关系（）（版权归爱思唯尔出版社 所有）；（）材料功硬化系数与辐照强度的关系（）（版权归爱思唯尔出版社所

26、有）界面的纳米孪晶材料而 言，其特有的孪生界面使其同样具有良好的抗辐照特性，同时孪晶材料的延展性能良好，使其具有发展成为下一代抗辐照材料的潜能而成为研究的热点可以看到，福照条件下金属材料的 力学性能与诸多因素有关，通过实验研究不同结构材料在不同辐照环境下的力学性能，能有助于对材料 辐照硬化效应微观机理的探索，从而为研究设计良好的抗辐照材料提供准确可靠的实验依据金属材料辐照硬化的数值模拟金属材料受辐照后的宏观力学性能可以通过 实验的方法直接观测，但是金属材料受高 能粒子撞击后如何形成各种缺陷以及辐照缺陷在微观层 次的演化规律很难直接通过实验方式 来研究在微观尺度以及细观尺度，数值模拟为人们研究材

27、料辐照硬化效应的微观机理和力学特性提供了一种可能的方法，特别是近年来计算机技术的迅猛发展，使得运用大规模计算方法研究材料辐照硬化的微观机理成为可能，其中最主要数值模拟方法 包括分子动力学（）模拟和位错动力学（）模拟分子动力学模拟完全是基于传统的牛顿力学计算粒子（原子或分子）之间的相互作用，在粒子间势场确 定的基础上，对不同系综中的粒子进行动力学计算，通过对每个粒子的位置和速度等信息进行统计分 析，从而得到研究体系所需的宏观物理量（如温度、压强或者应力等）位错动力学模拟是从细观尺度上研究位错演化以及晶粒材料宏观力学行为的一种有效的方法，在晶体辐照体系下能够研究位错与缺陷相互作用的机理并预测材料受

28、辐照后的部分 宏观力学性能辐 照缺陷对材料力学性能的影响主要通过其与位错以及晶界的相互作用，下面将从三方面对材料辐照硬化数值模拟的研究进展进行介绍：位力学进展第卷：错与缺陷相互作用、缺陷与晶界相互作用以及辐照缺陷对材料力学性能的影响位错与缺陷相互作用金属材料发生塑性变形是通过晶粒内部的位错滑 移，当材料受到辐照之后，其晶粒内部会产生大量的缺陷并阻碍位错的滑移，从而导致辐照硬化的产 生但是通过实验人们很难直接观察位错与缺陷相互作用的过程通过数值模拟的方法，人们可以从微观层次研究位错与缺陷相互作用的过程，从而深入理解 辐照效应的物理机理通过分子动力学模拟研究表明，刃位错、螺位错以及混合位错与层错四

29、面体的相互作用是很复杂的（，）尽管 实验已经直接观测 到层 错四面体被滑移位错直接吸 收而发生煙灭（，），但是分子动力学模拟表明层 错四面体在与位错相互作用后会经历一系列 复杂的演化，并且这些演化过程与诸多外界因素有关（，）例 如，等利用分 子动力学模拟研究了刃位错和螺位错与层错四面体的相互作用，发现其结果受缺陷大小、几何结构、温度以及加载应变率的影响会产生种可能的结果，如缺陷部 分湮灭、缺陷发生旋转以及缺陷被分割 成其他类型的缺陷等情形（，），见图所示混和位错是晶体中最常见的位错类型，李等通过分子动力学模拟 发现，混合位错与层错四面体进过一次相互作用很难导致缺陷直接发生煙灭，而必须经过多次一

30、系列复杂的相互作用才能使缺陷发生湮灭（）关于位错与辐照产生的位错环之间 的相互作用，也有 不少分子动力学模拟的数值研究（，），如图和图所示一般认为位错环与位错的相互作用与几何构 型以及位（令！图（）层错四面体与螺 型位错相互作用；（）层错四面体与刃型位错相互作用（）（版权归爱思唯尔出版社所有）肖厦 子，宋定坤，楚海建，薛建明，段慧玲：金属材料力学性能的辐照硬化效应，丨？图层错四面体与位错相互作用后发生煙 灭（）（），（），（），（），（）（版权归爱思唯尔出版社 所有）图位错与位错环相互作用（）（版权归爱思唯尔出版社所有）错的性质（刃位错或者螺位错）有关，其结 果可能有（）位错环发生剪切；（）位

31、错环转变为其 他可滑移的构 型；（）位错环被吸收（）力学进展第卷：缺陷与界 面相互作用辐照缺陷除了与位错相互作 用以外，还会受材料自身界面的影响并且改变其力学性能，如晶界会吸收大量辐照产生的点缺陷，使晶粒内部的缺陷 密度降低（，）；福照缺陷会引起晶界滑移和迁移（；），晶界吸收辐照产生的点缺陷之后其晶界内平均摩擦系数 会大幅度降低（），同样辐照缺陷会导致孪晶界的迁移（）下面将回顾近年来国内外关于缺陷与界 面 相互作用的分 子 动力学模拟进展关于晶界如何影响金属材料中辐照缺陷 的演化，其研究重点主要集中在 面心立方结构材料和体心立方结 构材料例如 对 于 面心立方材料而言，人们主要研究了银（）、镜

32、（，）、铜（，）等材料晶界对福照缺陷的影响；对于体心立方材料而言，主要以铁（）为主尽管材料性质不一样，但是晶界对辐照缺陷的影响是一致的：辐照会产生大量的点缺陷和空位，其中点缺陷移动的阈值比空位低，因而更容易迁移到晶界而被吸收，同时晶界 也会激发出点缺陷并移动到晶粒内部与辐照 产生的空位中和，这样便降低了晶粒内部点缺陷和空位的密度，从而使得由点缺陷和空位通过进一步演化形成位错环和层错四面体的数量减少，体现出一定的抗辐照作用（，），如图所示晶界在吸收大量点缺陷以后，其力学性能也会有较大改变作为面对等离子体的第一壁材料，金属钨辐照力学性能的研究具有重要意义人们研究了点缺陷对体心立方结 构钨晶界力学特

33、性的影响，发现当晶界吸收点缺陷以后，其摩擦系数会大幅度降低，即晶界吸收的点缺陷会使得晶界滑移变得更加容易，从而使得晶界的力学性质变软（）值得指出的，辐照后晶界的力学行为研究才刚 刚开始，仍存在很多问题值得研究，如 受辐照后晶界的宏观力学性能等间 隙子发射图点缺陷和空位受晶界影 响（）（版权归爱 思唯尔出版社所有）肖厦子，宋定坤，楚海建，薛建明，段慧玲：金属材料力学性能的辐照硬化效应 图辐照引起的晶界迁移（）（版权归美国物理学会所有）一般而言，晶界处 于较低的能量状态，因而 能保持其构 型 并稳定存在？当受到外界激励如 高温、应力作用时，晶界的结构 及其稳定性会发生改变，从 而引起晶界滑移或者晶

34、界迁移当 晶界受辐照缺陷的影响时，其结构及稳定性同样 会发生改变？人们通过分子动力学模拟，研究了辐照缺陷对晶界 结构及其 稳定性的影响，发现在辐照条件下，晶界的滑移或者迁移所需要的外 界激励比未辐照 条件下的小，这可能是因为 晶界处的辐照缺陷有利于位错 成核的发生，从而使得晶界更加容易滑移或者迁移，见图（）为了研究辐照缺陷对孪晶界的影响，宋等通过对体心立方结构铁中孪晶界面的辐照力学性能研究，发现辐照不仅会产生团族型的点缺陷，同时在剪 切力的作用下会在孪晶界上形成孪晶位错环，并引起孪晶界迁移；（）孪晶界上的辐照点缺陷可能形核成孪晶位错环（）辐照缺陷对材料力学性能的影响等采用分子动力学模拟的方法研

35、究了辐照下单晶铜的 力学行为（，），该模型体系研究的是轴向加 载的铜纳米线，共包含个原子，在不同入射铜离子的辐照条件下，观测辐照缺陷的演化过程，以及对含有缺陷 的单晶铜进行拉伸和压缩等力学特性的研究，如图所示在辐照剂量较低的情况下，单晶铜内主要产生点缺陷：空位和间隙子，其中间隙子很容易迁移、扩散并聚集成团，而空位往往不易迁移辐照缺陷会导致单晶铜的杨氏模量发生改变：压缩杨氏模量随着空位的增加先变大后减小，而拉伸杨氏模量则随空位的增加一直减小，如图所示辐 照前后，单晶铜的塑性变形都是通过位错在 滑移系的滑移在辐照缺陷处，位错可以形核并发射出来，从而减低单晶铜的屈服应力采用位错动力学模拟 来研究辐照

36、缺陷对材 料力学性能的影响逐渐成为近年来数力学进展第卷：未辐照，舍：？街？应变图 辐照铜 应力应变曲线（幻（版权归爱思 唯尔出版社所有），鼉，？辐照样品，疏 未福 照样品，？處？傷？處丄，？辐照样品？未辐照样品？蠢垂？空位数量空位数量，辐照样品？；？未箱雕品“？遐處：辟，起？福照样品：？未辐照样品？空位数量空位数量图辐照后铜的拉伸及压缩杨氏模量（句（版权归英国物理学会出版社所有）值模拟的有 效手段（，）例 如，人们 利用位错动力学的方法主要研究了体心立方结 构铁辐照硬化的机理以及无缺陷 的位错通道形成的过程（），如图所示该模肖厦子，宋定坤，楚海建，薛建明，段慧玲：金属材料力学性 能的辐照 硬化

37、效应 八：葬國应变图（）福照铁的应力应变曲线（）（片反权归爱思 唯尔出版社所有）；（）局域性的塑性变形和位错通道（）（版权归自然出版集团所有）画无缺陷缺陷密度画圓缺陷密度缺陷密度國灘缺陷密度缺陷密度图 不同初 始位错环密度下的塑性变形（）（版权归爱思唯尔出版社所有）拟体系采用边长为的立方体，其中包含了初始 均匀分布的位错及不同密度的位错环，通过轴向加载分析其宏观力学性能随着辐照缺陷（位错环）密度的不断上升，材料的屈服应力会随之增加，并且当位错环密度大于时，流动应力会在过屈服点后发生明显的下降现象为了从微观机制上分析其产生的原因，人们 分 析了位错及位错 环 在发生塑性变形时的演化情况，从图可以

38、看出，当初 始位错环的 力学进展第卷：密度大于时，塑性变形会从原来的均一化变形转变为髙度局部化的塑性变形，并且在（）平面形成明显的无缺陷通道事实上，在（）平面上其分剪应力最大，所以在这个平面上的缺陷将最容易被滑移位错湮灭，一旦缺陷开始发生湮灭，在其平面上滑移位错遇到的滑移阻力将下降，这样将导致宏观流动应力的下降，同时产生局域性的塑性变形并形成无缺陷的位错通道本节主要综述了利用数值模拟方法研究辐照缺陷演化的微观机理以及辐照缺陷对结 构稳定性和力学性能的影响通过数值模拟可帮助了解辐照缺陷演化的物理过程，同时有助于理解辐照缺陷对材料宏观力学性能的影响可以看出，辐照缺陷自身的演化不仅受材料内在结构的影

39、响，在发生塑性变形时还会与滑移位错发 生复杂的相互作用，正是这些微观尺度的缺陷和位错的演化导致材料在宏观尺度上体现出辐照硬化利用数值模拟的方法研究辐 照硬化的机理，对建立相关辐照理论模型以及设计良好的抗辐照材料具有重要意义金属材料辐照硬化的理论模型基于实验观察和数值模拟的结果，分析相关的变形机理，建立相 关辐照硬化理论模型，是研究辐照硬化效应并预测辐照缺陷对材料宏观力学性能影响的有效手段目前国内外的福照硬化理论模型主要研究温度范围在：以下、低辐照剂量时多晶金属材料的力学性质？纵观辐照硬化的理论模型，可分为三类：（）考虑微观辐照缺陷与宏观辐照硬化联系的辐照硬化模型，该模型能够定量描述辐照缺陷密度

40、与屈服应力增量的关系，但是不能描述材料在整个加载过程中的辐照力学行为；（）基于传统晶体塑性理论的辐照晶体塑性模型，该模型将辐照硬化效应考虑到晶体塑性理论框架下，不仅能够分析材料的辐照硬化行为，而且通过位错密度和缺陷密度的演化规律，可以有效描述过屈服点后材料的辐照力学行为，但没有考虑缺陷与位错的空间相互作用；（）辐照晶体张量模型，该模型 在辐照晶体塑性模型的基础上，较好的考虑了辐照缺陷与位错的空间相互作用，能够准确地描述辐照缺陷对材料力学性能影响的过程下面，将分别 介绍这三类模型的主要内容辐照硬化模型基于早期对材料受辐照后力学性质的实验观测，西格和辛格等分别提出 了相应的福照硬化模型来解释有关的

41、辅照现象（，￥，）金属材料受辐照后，发生塑性变形时，其屈服应力会上升，为了建立微观辐照缺陷 与 宏观辐照硬化之间 的联系，西格提出了贫原子区硬化（，）模型该模型认为辐照硬化来源于辐照缺陷对滑移位错的阻碍，在奥罗万的强度理论框架下（），辐照硬化对屈服肖厦子，宋定坤，楚海建，薛建明，段慧玲：金属材料力学性能的辐照硬化效应应力 的贡献可表示为（）其中，和分别是材料的剪切模量和伯格矢量的大小，和分别是缺陷密度和大小是缺陷强度参数，用来描述不同缺陷对辐照硬化的贡献实验观察 表明，一般而言对于位错环？；层错四面体；空 洞但是贫原子区硬化模型只能近似预测材料由于辐照缺陷 导致的屈服应力增量，而对于屈服点之后

42、的力学行为如后屈服软化的现象，贫原子区硬化模型 并不能给出相应的理论解释？为此，在布卢伊特等工作的基础上（），辛格等提出了缺陷级联诱 导源硬 化（，）模型（），其主旨思想是认为照 导致的 屈服应力上升来自于法兰克里德（）位错源在辐照条件下难以激发出位错但是实验表明，缺陷级联诱导源硬化模型并不能很好的描述一些合金材料的辐照力学性能（），同时也没有考虑辐照效应与辐照剂量的关系（），因而具有一定的局限性辐照晶体塑性模型近年来，为了能够有效地预测 辐照金属材料的宏观力学性能，人们开始在传统的晶体 塑性理论（，）的基础上考虑辐照硬化效应的影响，进而发展了辐照晶体塑性理论模型，并且在此基础上分析温度、材料

43、结构等因素对辐照金属力学性能的影响传统晶体塑性理论认为位错滑移导致材料发生塑性变形，滑移系的塑性应变率一般采用幂次法则（，）（）其中，加和分别是参考应 变率和应变率敏感系数，是相应滑移系的剪应力分量亡是临界切应力（），表征位错在相应滑移系滑移的难易程度对于传统无辐照硬化效应的晶体塑性理论模型而言，临界切应力一般包括材料固有的晶格阻力（）、位错相互作用对位错滑移的阻力？（位错网络形成的背应力（）以及材料微结构对位错滑移的影响，如晶体尺寸效应（，）或者孪晶材料中孪晶界的影响（）当考虑辐照硬化效应时，位错在滑移系上的滑移还会遇到辐照缺陷的阻碍作用焓，故辐照晶体塑性模型中临界切应力的一般形式可表示为（

44、，（）下面，将简要回顾近年来关于辐照晶体塑性理论模型的研究进展力学进展第卷：在贫原子区辐照硬化模型的基础上，人们针对面心立方结 构材料建立了基于位错密度的辐照晶体塑性模型（）在该模型中，材料强度来源于位错之间的相互作用以及位错与缺陷（层错四面体）的相互作用，并且该模型假设缺陷强度只与缺陷大小有关同时辐照缺陷 的体积分数在塑性变形过程中保持不变通过将晶粒辐照本构关系与有限元计算方法结合，人们分析了宏观多晶辐照铜的拉伸力学性能，并且能够定性的与实验数据比较，能够有效的刻画辐 照硬化的现象，并且硬化程度随辐照 剂量的增加而上升但是该模型假设缺陷密度随加载过程而增加，这与实验观察和分子动力学模拟的结

45、果相违背克里希纳等发展了基于率无关理论的面心立方结 构材料辐照晶体塑性模型（）该模型认为 临界 切应力主要来源于位错相互作用以及位错与缺陷相互作用，并且其相应的演化规律都基于一定的物理基础在晶粒尺度和多 晶尺度，该模型能够较好的描述材料在屈服点前后的辐照力学行为，包括辐照硬化和后屈服软化以及辐照前后流动应力不重合同样结合有限元的方法，他们利用该模型模拟了辐照多晶铜的力学性能，并且与相关实验结果吻合较好，体现出该模型一定的合理性在其理论模型的基础之上，他们进而发展了针对体心立方材料钼的辐照理论模型，其主要分析了在低温（）和低辐照剂量时金属钼特有的辐照软化现象（）？该模型将临界切应力分为热相关和热

46、无关两部分，其中热无关的部分由位错密度和缺陷密度决定，而 热 相关的部分采用温度函数来描述通过理论分析，辐照软化与 临界温度有关，在一定辐照剂量范围内，临界温度随辐照剂量的上升而降低，从而导致在一定温度范围内辐照情况下的流动应力比未辐照情况下的更低，并与相关实验数据吻合较好帕特拉和麦克道尔针对体心立方结构材料建立了较为系统的辐照理论框架（，）该模型不仅分别考虑了辐照产生的点缺陷和位错环随加载过程的演化规律，还分析了辐照蠕变（，）、位错交滑移（）（）和位错攀移（）（）等因素对材料力学性能辐照效应的影响通过与有限元方法结合，该模型能够定性描述辐照产生的局部化塑形变形现象，并且理论预测的宏观多晶辐照

47、结果与实验数据吻合较好？但是由于该模型考虑的影响因素较多，使得模型参数过于复杂以上辐照晶体塑性模型都是将辐照硬化效应考虑到传统的晶体塑性理论框架内，在位错滑移的过程中，不仅考虑位错相互作用还包含了辐照缺陷对位错运动的阻碍作用，因而能够体现辐照硬化效应在缺陷密度的演化过程中，位错滑移一般会导致辐照缺陷的湮灭或缺陷性质的改变，使得缺陷密度随塑性变形而不断降低，这会导致材料发生局部化塑性变形现象以及当辐照剂量达到一定量时出现过屈服点流动应力下降的情况？但是在上述辐照理论模型中，辐照缺陷通常是用标量性质的变量来刻画，使肖厦子，宋定坤，楚海 建，薛 建明，段慧玲：金属材料力学性能的辐照硬化效应 其不能够

48、有效地描述辐照缺陷与滑移位错的空间相互作用通过实验观察和数值模拟表明，辐照产 生的缺陷有自身的特征平面，而位错滑移也是在特定的滑移系，所以缺陷与位错的相互作用具有很强的空间性，为了更加准确地描述缺陷与位错的相互作用，其相互作用的空间性必须予以考虑此外，建立从晶粒尺度的辐照本构关系到宏观多晶材料力学性质的跨尺度联系通常采用传统有限元计算方法，但是值得指出的是有限元方法通常是基于泰勒形式的均一化理论来得到每一个积分点 的宏观力学性质（），而忽略了晶粒之间由于取向以及晶界等因素导致的应力分布不均匀性（），同时有限元较大的计算量在一定程度上也限制了其广泛运用，因而建立更准确更有效的跨尺度手段将具有重要

49、意义，如弹黏塑性自洽理论（，）辐照晶体张量模型最近，巴顿等分别针对体心立方结构和面心立方结构的辐照金属材料提出了相应的辐照晶体张量模型（，），较好地考虑了位错环（体心立方材料中的主要缺陷）和层错四面体（面心立方 材料中的主要缺陷）与滑移位错的空间相互作用，进而能够有效的模拟受辐照影响材料发生塑性变形时产生的局部化塑性变形现象如图所示，当位错滑移平面与缺陷所在特征平面相交时，滑移位错必定会与缺陷发生相互作用；当位错滑移平面与位错环所在特征平面平行时，位错与位错环的相互作用不会发生；当位错滑移平面 与层错四面体所在特征平面平行时，情况将变得复杂一些，由于层错四面体具有一定的几何高度，所以在这种情况

50、下位错与层错四面体仍存 在相互作用的概率（）下面将以面心立方结 构为例介绍辐照晶体张量模型的具体内容，同时分析尺寸效应和温度效应对材料辐照力学性能的影响，关于体心立方结构的辐照晶体 张量模型可见参考文献（）在辐照面心立方结构材料中，位错滑移主要受到层错四面体的阻碍作用，在滑移系中，辐照硬化效应可表不为（）：？其中，是缺陷硬化强弱系数，凡是缺陷特征平面的数量，对于层错四面体而言凡和分别是描述位错和缺陷 的二阶张量，其定义为？（）和（？（）力学进展第卷：层错晒体位错环个此位错层错四面体位错，环滑史图位错环和层错四面体与位错的空间相互作用（）（版权归爱思唯尔出版社所有）其中，和分别是缺陷体 密度和大