Effect van gloeien op microstructuren en verharding van met helium-waterstof geïmplanteerde sequentieel vanadiumlegeringen

Resultaten en discussie

Microstructurele observatie

TEM-helderveld- en HRTEM-afbeeldingen van de bestraalde V-4Cr-4Ti-legeringen worden getoond in figuur 1. Na bestraling met He en H-ionen bij kamertemperatuur verschenen grote hoeveelheden defecten zoals weergegeven in figuur 1a. Deze defecten omvatten clusters van vacatures en interstitiële atomen. Over het algemeen worden beide met dezelfde hoeveelheid geproduceerd tijdens bestraling. Deze defecten waren gelijkmatig verdeeld en werden niet één voor één onderscheiden voor de kleine afmeting. Afbeelding 1b toont de afbeelding met hoge resolutie voor V-4Cr-4Ti-legeringen na He- en H-bestraling bij kamertemperatuur. Er was wat buiging of breuk van de roosterrand (witte pijl). Dit komt omdat franjecontrast gevoelig is voor defecten. Daarom vertoonde het rasterrandbeeld een afwijking tijdens de bestraling.

Afbeeldingen van V-4Cr-4Ti-legeringen na He+H-ionenbestraling achtereenvolgens bij kamertemperatuur. een TEM helderveldbeeld van defecten. b HRTEM-beeld van defecten

Uit Fig. 1 was er geen zichtbare bel in bestraalde He- en H-ionen bij kamertemperatuur. De kiemvorming van bellen hangt voornamelijk af van heliumdiffusie en temperatuur. Heliumdiffusie is een basisvereiste voor nucleatie en groei van bellen [3]. In bestraalde He-ionen werden He-vacature (He-V) -complexen gevormd vanwege de hoge bindingsenergie tussen He-atoom en vacature [15], en een klein aantal He-clusters. De mobiliteit van He-V-complexen en He-clusters was echter beperkt of zelfs verwaarloosbaar bij kamertemperatuur, wat de onderdrukking van bellenkiemvorming veroorzaakte. Waterstofionen bleven vacatures en interstitials produceren. Volgens simulatie is de binding van helium aan clusters altijd veel sterker dan die van waterstof [16]. Als gevolg hiervan werden de nieuw geproduceerde vacatures veroorzaakt door H-bestraling gevangen door He-V-complexen of He-clusters. Waterstof kan worden gevangen door He-V-clusters, of He-clusters of zeer kleine heliumbellenzaadjes om de kiemvorming te bevorderen [17].

Figuur 2 toont de afbeeldingen van He en H-ion-geïmplanteerde V-4Cr-4Ti-legeringen na 10 uur uitgloeien bij 450 °C. Figuur 2a toont dislocatielussen onder focus, terwijl figuur 2b een grote hoeveelheid bellen over focus laat zien. In situ TEM He ⁺ implantatie en gloeien op nanokristallijn ijzer bij RT vond ook twee soorten zichtbare stralingsschade:interstitiële clusters en bellen [18]. Beide zouden de doorstralingsharding van materialen verhogen. Kleine dislocatielussen met een grootte van 4 nm werden ook waargenomen in Fig. 2. De grootte en de nummerdichtheid van de bel zijn ongeveer 9 nm en 1,5 × 10 ¹¹ cm ⁻² , respectievelijk. Als geïmplanteerde H-ionen uitsluitend bestemd zijn voor wolfraam bij hoge temperatuur, ontstonden er kleine waterstofbellen. Maar bellen in dit onderzoek zouden heliumbellen met wat waterstof zijn. He-atomen bezetten vacatures en waterstof wordt gevangen door He-V-complexen, dus de aanwezigheid van He onderdrukt de vorming van waterstofbellen [19].

Dislocatielussen en bellen van V-4Cr-4Ti-legeringen na gloeibehandeling na bestraling bij 450 ° C gedurende 10 uur. een Dislocatie lussen. b Bellen van helder veld. c , d , e Bubbels van afbeeldingen met hoge resolutie

Na bestraling zijn de He- en H-gehalten constant. Met de toenemende temperatuur nam de mobiliteit van He-V-complexen toe en veroorzaakte de vorming van bellen. Vrijwel vindt de kiemvorming van bellen plaats door de gelijktijdige diffusie en clustering van He-atomen, H-atomen, vacatures (en interstitials), wat een gecompliceerd kiemvormingsproces vertegenwoordigt. De microstructuren van bestraalde gegloeide monsters worden echter niet alleen gedomineerd door bellen, maar ook door dislocatielussen/netten [20]. De aard van dislocatielussen kan van het type interstitiaal of leegstand zijn. Bestraling met lichtionen zoals helium en waterstof bij lagere temperatuur resulteerde in interstitiële lussen [21]. Vrije interstitials migreren sneller dan vacatures die betrokken zijn bij de sterke vorming van dislocatielussen. In deze studie is het type dislocatielussen dus interstitieel.

Met de toenemende temperatuur of bewaartijd worden dislocatielussen en bellen die opgroeiden en de neiging hadden om grover te worden weergegeven in figuur 3, wat betekent dat de gemiddelde grootte toenam terwijl de dichtheid in de loop van de tijd afnam. De microstructuren bestonden naast grote dislocatielussen en bellen van het interstitiële type. De gemiddelde grootte en aantaldichtheid van dislocatielussen is 18 nm en 7,5 × 10 ¹⁰ cm ⁻² , respectievelijk. De gemiddelde grootte en dichtheid van bellen is 11 nm en 2,1 × 10 ¹¹ cm ⁻² .

Microstructuren van V-4Cr-4Ti-legeringen na gloeibehandeling na bestraling bij 450 ° C gedurende 20 uur. een Dislocatielussen van helder veld. b , c Bellen van helder veld. d , e Bubbels van afbeeldingen met hoge resolutie

Tijdens de aanhoudende wachttijd gingen steeds meer He, H, vacatures en kleine interstitials de luchtbellen in. De bellen hadden een hogere druk en een groter volume. Ten slotte scheurden de onder druk staande bellen die zich dicht bij de grens van het dunne gebied bevonden eerst en vlokken in de krater (figuur 3b) [22]. Ondertussen verdwijnen leegstand en interstitial door allerlei putten zoals bellen, lussen, korrelgrens en oppervlak.

De verruwing van de bellen wordt verklaard door Ostwald-rijpingsmechanismen die het gevolg zijn van thermisch geactiveerde resolutie van kleine en heropname van He- en H-atomen door grote bellen [10, 23]. Daarnaast nam de druk toe doordat er steeds meer He en H in bubbels komen. De meeste waterstofatomen werden gevangen door heliumbellen. Tijdens het proces zou waterstof eerst worden aangetrokken door het spanningsveld van de heliumbellen onder hoge druk. Het grover worden van bellen zorgt voor meer vrij oppervlak om meer waterstofatomen te binden.

Toen de houdtijd maximaal 30 uur was, bleven de bellen grover worden, zoals weergegeven in Fig. 4. De gemiddelde grootte is 14 nm en de getalsdichtheid is 1,6 × 10 ¹¹ cm ⁻² . De dislocatielussen zijn niet verschenen. Een tweede mechanisme dat bijdraagt ​​aan de afname van de dichtheid van de dislocatielus tijdens het uitgloeien, is de schijnbare ontsnapping van mobiele lussen aan het vrije oppervlak. Deze verdwijning kan het gevolg zijn van ofwel het snel oplossen van puntdefecten in de matrix of, meer waarschijnlijk, de migratie van de lus naar de dichtstbijzijnde gootsteen, in dit geval het vrije oppervlak [21]. Op de HRTEM-afbeelding in Fig. 4b kunnen we dislocatielijnen identificeren.

Microstructuren van V-4Cr-4Ti-legeringen na gloeibehandeling na bestraling bij 450 ° C gedurende 30 uur. een Bellen van helder veld. b Dislocatielijnen van afbeeldingen met hoge resolutie

Onderzoek naar uitgloeien boven 400 °C in vanadium gebaseerde legering vond een aantal Ti-O type plaatachtige en kubusvormige precipitaten [24]. Om de samenstellingen van de V-4Cr-4Ti-legering te analyseren na een gloeibehandeling na bestraling (de bewaartijd is 30 uur), gebruikten we de FEI Tecnai F20-microscoop uitgerust met een energiedispersief röntgenspectrum (EDS) analysesysteem en een scanning-elektronenmicroscoop (STEM-EDS) die de samenstellingsanalyse heeft uitgevoerd. Het resultaat is als volgt.

Uit Fig. 5 verschenen geen duidelijke precipitaten. Hoewel het zuurstofgehalte een beetje hoog was, is er geen plaat- of schijfachtige neerslag. De kwantitatieve analyse van door straling veroorzaakte defecten is als volgt.

STEM- en EDS-mapping van V-4Cr-4Ti-legeringen na gloeibehandeling na bestraling bij 450 ° C gedurende 30 uur. een De lage vergroting Z-contrast afbeelding. b De compositie mapping

Bestralingsverharding

Nano-indentatietest werd gebruikt om de verharding van bestraalde en nabestraalde monsters in dit onderzoek te testen vanwege het kleine bestraalde gebied en de bestraalde diepte van het monster in de ionenversneller te beperken. De resultaten worden getoond in Fig. 6. Ter vergelijking werd ook de hardheid van de niet-bestraalde V-4Cr-4Ti-legering getest.

Hardheid in V-4Cr-4Ti legeringen met verschillende omstandigheden. een Diepteprofielen van ruwe bestralingshardheid. b Inkepingsdiepte van gemiddelde nano-indentatiehardheid met foutbalk. c Perceel van H ² vs 1/h voor bestraalde monsters. d Experimenteel ΔH metingen gecorrigeerd voor ISE

Indentatiegrootte-effect (ISE) werd waargenomen voor bijna alle monsters uit figuur 6a, wat zich manifesteerde omdat de kleinere inkepingen een hogere hardheidswaarde gaven. Om ISE uit te sluiten, zijn de gegevens in een gebied dat ondieper is dan 100 nm genegeerd. De diepte die afhankelijk is van de gemiddelde nano-inspringinghardheid met foutbalk voor alle monsters wordt gegeven in figuur 6b. Het is duidelijk dat de verharding werd veroorzaakt door bestraling. De hardheid van bestraalde en nabestraalde monsters is hoger dan die van niet-bestraalde monsters.

De resultaten van de hardheid werden verder gecorrigeerd met behulp van het Nix-Gao-model [25] dat de toenemende hardheid verklaarde als gevolg van de geometrisch noodzakelijke dislocaties nabij het oppervlak waarin het indringlichaam is opgenomen [26]. Het Nix-Gao-model wordt uitgedrukt als:

Waar H is de experimentele hardheid, H ₀ is de hardheid op oneindige diepte, h ^* is een karakteristieke lengte die afhangt van het materiaal en de vorm van de indenterpunten, en h is de inspringdiepte.

Als H ² is ingesteld als Y -as, terwijl 1/h is ingesteld als X -as, de plot van H ² vs 1/h voor alle monsters werd verkregen zoals getoond in Fig. 6c. Het is te zien dat de plot van H ² vs 1/h vertoont een goede lineariteit op geringere diepte en wijkt af van lineaire passing op dieper gebied [6, 27].

De mate van afwijking in figuur 6c voor bestraalde monsters was groter. H ₀ in het bestraalde gebied kan worden verkregen door de overeenkomstige gegevens uit figuur 6c aan te passen. Vervolgens kunnen we experimentele ΔH-metingen krijgen die zijn gecorrigeerd voor ISE zoals weergegeven in figuur 6d. De hardheid van niet-bestraalde monsters was het laagst, daarna werd het bestraalde monster, wat de toename van de hardheid aangaf, geïnduceerd door bestraling. Van de drie reeksen monsters met gloeiing na bestraling was de hardheid van monsters na gloeien na bestraling bij 450 °C gedurende 20 uur het laagst, en wanneer de bewaartijd 10 uur was, was de hardheid het hoogst. De verschillen kunnen worden veroorzaakt door de interactie tussen puntdefecten, dislocatielussen en bellen. We hebben het hieronder besproken aan de hand van het model voor verharding van de gedispergeerde barrière en de Friedel-Kroupa-Hirsch-relatie.

Dislocatielussen en bellen dragen bij aan de verharding door bestraling. Dus analyseerden we de bestralingsverharding van numerieke simulatie vanuit twee aspecten. Op basis van het dispersed barrier hardening-model kunnen we de toename van de vloeispanning [28], veroorzaakt door dislocatielussen, schatten.

Waar, M is Tarlor-factor (3,05 voor BCC-metaal); α is de barrièresterkte (0,45), I is de gemiddelde afstand tussen obstakels die kan worden geschat als 1/\( \sqrt{Nd} \), μ is de afschuifmodulus, b is Burgers vector, en N en d zijn respectievelijk de gemiddelde lusdichtheid en gemiddelde grootte van dislocatielussen, die worden weergegeven in Tabel 2. Volgens de formule is de verharding die wordt veroorzaakt door dislocatielussen evenredig met \( \sqrt{Nd} \).

De verharding veroorzaakt door bellen kan worden ontwikkeld door de Friedel-Kroupa-Hirsch-relatie.

waar N en d zijn de gemiddelde lusdichtheid en gemiddelde grootte van bellen die worden weergegeven in tabel 2.

Volgens formule (2) en (3) werd de bestralingsharding van de V-4Cr-4Ti-legering die de nabestralingsgloeibehandeling gedurende 10, 20 en 30 uur bij 450 °C onderging, als volgt geschat. A en B stellen verschillende constanten voor in formules (2) en (3).

Uit tabel 3 werd de invloed van dislocatielussen op de bestralingsharding verminderd en de impact van de bel was het tegenovergestelde met de vasthoudtijd. Het is vermeldenswaard dat de niet-bestraalde en als-bestraalde legering niet in de berekening is opgenomen, omdat we de grootte en het aantal dichtheid van dislocatielussen en bellen erin niet konden tellen.

Zonder uitgloeien na bestraling waren er kleine defecten of dislocatielussen tijdens de incubatieperiode. Roostervervorming veroorzaakt door bestralingsdefecten beïnvloedde de bestralingsharding. Bij ontlaten bij 450 ° C groeiden dislocatielussen. En de bubbels kwamen tevoorschijn en werden grover. Bellengroei was door helium geïnduceerde loop punching, geholpen door de aanwezigheid van waterstof, in plaats van als een directe interactie tussen waterstof en helium [19]. De interactie tussen bellen en lussen was sterk wanneer de verblijftijd 10 uur was en zou de verharding verhogen. De aanhoudende houdtijd zorgde ervoor dat vacatures en interstitials vernietigd werden bij allerlei soorten putten, zoals lussen, bellen, korrelgrens en vrij oppervlak. De gebreken die overbleven werden steeds minder. Ondertussen ontsnapten dislocatielussen langzaam van het oppervlak. Het pinning-effect tussen dislocatielussen en bellen werd zwakker, wat het kleine herstel van de bestralingsharding veroorzaakte. Toen de bewaartijd maximaal 30 uur was, verdwenen de meeste dislocatielussen. Toen speelden zeer grote bellen een dominante rol bij het uitharden.

Hoewel de uitharding van bestraalde V-4Cr-4Ti-legeringen lager is dan die van bestraald martensitisch staal uit China met lage activering [29], herstelde de bestralingsharding niet volgens het uitgloeien bij 450 °C gedurende maximaal 30 uur. Fukumoto et al. [14] bestudeerde de gloeibehandeling na bestraling van met neutronen bestraalde vanadiumlegeringen en vond 3% rekherstel in V-4Cr-4Ti-legeringen dat werd bereikt door de gloeibehandeling bij 500 °C gedurende 20 uur in een vacuüm. Microstructurele elementen (bijv. defectclusters en dislocatiestructuren) behielden echter een hoge verharding, zelfs na 50 uur gloeibehandeling. Verder onderzoek is nodig om de gloeitemperatuur [11] te verhogen of de bewaartijd te verlengen.