球形壓頭半徑對離子輻照后RAFM鋼硬度及力學性能提取的影響

周善良,黃 希,*,趙 琦,詹子雄,廖新華,劉俊雄,韋麗華,李小燕

(1.東華理工大學 核科學與工程學院,江西 南昌 330013;2.東華理工大學 化學生物與材料科學學院,江西 南昌 330013;3.東華理工大學 江西省聚合物微納制造與器件重點實驗室,江西 南昌 330013)

我國于2020年提出2030年前達到“碳達峰”、2060年前達到“碳中和”目標,要實現“雙碳”目標則必須減少二氧化碳排放[1]。核能作為一種清潔能源,不僅為人類提供了足夠的能源,且不向大氣中排放二氧化碳,因而受到越來越多的關注。相較于核裂變,核聚變釋放的能量更大,并且具有無高放射性核廢料和燃料供應充足等優勢,因此被認為是最具前景的新能源之一[2]。當前核聚變所面臨的問題之一是反應堆結構材料的選擇,低活化鐵素體/馬氏體(RAFM)鋼因具有優越的高溫性能、較低的熱膨脹系數、較高的熱導率以及良好的抗中子輻照腫脹能力,被選為未來核聚變反應堆的候選結構材料之一[3]。

當前,國內外科研人員對非輻照條件下RAFM鋼的力學性能展開了廣泛研究,例如高溫、低溫拉伸性能和蠕變性能等[4-6]。相較于非輻照條件下RAFM鋼的力學性能,人們更加關注中子輻照后RAFM鋼力學性能的改變。但受輻照條件限制,輻照后RAFM鋼的力學性能研究還有待進一步深入。中子輻照后樣品被活化,樣品尺寸越大其放射性越強,因此須減小樣品尺寸以降低其放射性。此外,先前的研究結果已經證實在一定條件下離子輻照可以模擬中子輻照[7],但采用離子輻照的缺點是其輻照深度較淺,無法采用拉伸實驗獲得相應的宏觀力學性能。納米壓痕儀的出現解決了上述問題,但通過該儀器僅能獲得輻照后RAFM鋼的微觀力學性能。因此,建立輻照后RAFM鋼微觀力學性能與宏觀力學性能的關系,從而快速提取宏觀力學性能是當前核材料領域研究亟需解決的問題之一。Krumwiede等[8]比較了中子輻照的8種壓力容器材料硬度與拉伸性能之間的關系,發現采用Berkovich壓頭提取出的屈服強度與拉伸實驗獲得的屈服強度相對誤差僅為2%,該結果表明采用硬度能夠準確預測中子輻照后材料的屈服強度。除Berkovich壓頭外,Pathak等[9]利用球形壓頭成功轉換出He離子輻照W合金的壓頭應力-應變曲線,并獲得了相應的屈服強度和彈性模量,但并未與輻照后材料的屈服強度進行對比,因此其準確性還有待進一步研究。此外,汪可華等[10]分析了采用經驗物理法和模擬分析法提取球形壓頭應力-應變曲線的優缺點,并指出使用兩種方法均可利用載荷-深度曲線提取材料的屈服強度,并且獲得較好的準確度。綜上所述,除采用Berkovich壓頭外,使用球形壓頭也可提取出輻照材料的應力-應變曲線并獲得相應的宏觀力學性能。但球形壓頭具有不同的壓頭半徑,壓頭半徑不同導致其壓入材料后所產生的塑性變形區域也不同,進而導致載荷-深度曲線不同[11]。此外,不同半徑壓頭對表面狀態的敏感度也不相同,例如壓頭半徑較小時,載荷-深度曲線更易受到表面狀態的影響,而當壓頭半徑逐漸增加時,表面狀態對載荷-深度曲線的影響逐漸減弱[12]。因此,采用不同半徑球形壓頭提取的宏觀力學性能是否有差異,何種壓頭更接近于宏觀力學性能,目前仍需進一步深入研究。

基于此,本文使用不同半徑的球形壓頭(0.3、1.0和10.0 μm),研究壓頭半徑對輻照后的RAFM鋼硬度及力學性能提取的影響,比較不同半徑球形壓頭所提取的屈服強度和彈性模量的差異,并分析引起差異的原因。

1 實驗

1.1 實驗材料制備

本文所使用的材料為RAFM鋼,其主要化學成分如表1所列。RAFM鋼預先經過調質熱處理以獲得良好的強度與韌性。具體的實驗步驟為:將RAFM鋼置于980 ℃環境中并保持恒溫30 min使其奧氏體化,然后放入冷水中淬火并冷卻至室溫。淬火后再將其加熱至780 ℃并保持恒溫90 min,然后冷卻至室溫,完成RAFM鋼的回火熱處理。采用線切割將調質熱處理后的樣品制成規格為10 mm×10 mm×3 mm的方形鋼片,依次使用200#、400#、600#、800#、1000#和2000#的砂紙進行打磨,打磨后采用機械拋光方法將樣品拋光至表面無明顯劃痕,使用振動拋光機進一步拋光以消除殘余應力對離子輻照實驗和納米壓痕實驗的干擾。振動拋光后將樣品置于超聲波清洗器中使用丙酮脫脂,取出后用超純水清洗,洗凈后烘干。

表1 RAFM鋼主要化學成分Table 1 Main chemical composition of RAFM steel

將處理后的樣品放入直線加速器中進行高溫離子輻照實驗,使用能量為3.5 MeV的Fe2+離子輻照,輻照溫度為(550±10) ℃,輻照劑量分別為1.43、2.82和8.63 dpa。采用SRIM-2008模擬軟件對Fe2+輻照的RAFM鋼輻照損傷進行模擬,結果如圖1所示。由圖1可知,Fe2+離子在RAFM鋼中的最大輻照深度為1.6 μm。

圖1 3.5 MeV、Fe2+輻照RAFM鋼輻照損傷和離子濃度分布Fig.1 Irradiation damage and ion concentration distribution of RAFM steel after Fe2+ irradiation at 3.5 MeV

1.2 納米壓痕實驗

納米壓痕儀是一種測量材料微納米力學性能的工具,通過測量作用在壓頭上的載荷以及壓頭壓入材料的深度獲得測試材料載荷-位移曲線,并以此分析得到有關材料的一系列微觀力學性能[13]。采用美國Hysitron公司生產的TI950 TriboIndenter進行納米壓痕實驗,使用連續剛度法(CSM)獲得不同輻照劑量下RAFM鋼的硬度/彈性模量-壓入深度曲線。壓痕實驗的最大載荷為2.0 mN。當壓頭半徑為10.0 μm時,2.0 mN的載荷不足以使RAFM鋼發生屈服,因此在實驗中添加了一組最大載荷為12.0 mN的壓痕實驗并與實驗結果進行了比較。采用CSM獲得RAFM鋼的剛度,并結合文獻[9]中的方法提取出相應的屈服強度和彈性模量。為研究球形壓頭半徑對力學性能的影響,采用半徑分別為0.3、1.0和10.0 μm的球形壓頭進行實驗。為確保實驗數據的準確性,每次實驗的測試次數不少于25次,每個測試點間距為25 μm,以此避免各個測試點之間的相互影響。

1.3 微觀結構表征

采用FEI公司生產的Helios NanoLab 600i聚焦離子束掃描電鏡(FIB)制備透射電子顯微鏡(TEM)樣品。在掃描電子顯微鏡(SEM)模式下找到目標位置,采用離子束沉積模式在目標位置上方沉積Pt作為保護層,防止后續操作中破壞目標區域。采用不同能量的離子束把目標位置前后兩側挖空,只剩下目標區域,使用納米機械手將目標區域提出,并采用不同能量的離子束對提取出的薄片進行減薄至理想厚度。將減薄的樣品焊接到銅網上,以便用TEM觀察。采用JEOL-2100F TEM表征輻照后樣品的微觀結構,其工作電壓為200 keV。

2 實驗結果與討論

2.1 球形壓頭半徑對RAFM鋼硬度的影響

圖2所示為采用不同半徑球形壓頭獲取的不同輻照劑量下RAFM鋼的硬度隨壓入深度的變化關系。由圖2可知,硬度與壓入深度的關系不受輻照劑量的影響,都呈現出相同的變化趨勢。隨著壓入深度的增加,硬度快速增大,然后逐漸趨近于固定值。硬度隨壓入深度增加而快速增大的現象被稱為反尺寸效應(ISE)[14-15]。當前普遍認為人為因素是導致ISE產生的主要原因,如儀器的振動以及接觸面積測量的誤差等[14,16]。當前實驗中所有樣品表面狀態完全相同并且硬度測量實驗全部在同一臺機器上完成,因此可以推斷本實驗中接觸面積測量的誤差是導致ISE產生的主要原因。對于球形壓頭的接觸面積,可通過以下公式進行計算:

(1)

半徑:a——0.3 μm;b——1.0 μm;c——10.0 μm圖2 不同半徑球形壓頭測得的不同輻照劑量下RAFM鋼硬度隨壓入深度的變化關系Fig.2 Variation of hardness of RAFM steel with indentation depth under different irradiation doses measured by spherical indenter with different radii

(2)

式中:A為壓痕的接觸面積;系數C0由壓頭的幾何形狀決定,對于理想球形壓頭,C0為-3.14;C1～C5為通過擬合石英樣品測得的數據;B為偏移因子(與壓頭自身有關,大于0);hc為接觸深度;h為壓入深度;P為施加在壓頭上的載荷;S為接觸剛度;ε為壓頭幾何常數。

從式(1)、(2)可知,當壓頭初次與待測樣品表面接觸(P與h皆為0)時,hc等于0,此時A等于B。實際上此時壓痕尚未在樣品表面形成,A理應為0。圖3所示為未輻照RAFM鋼接觸面積隨載荷的變化關系。由圖3可知,當P接近于0時,A并不為0,也就表明此時A不等于B。由此可知,本次實驗測得的A高于理論值。圖4所示為不同半徑球形壓頭輻照劑量與接觸面積分布范圍的關系。由圖4可知,不管何種球形壓頭,A都不為0,且A隨輻照劑量增加而增大。假設在單次壓痕實驗過程中壓頭為剛性壓頭,B為常數,則有:

圖3 半徑為0.3 μm的球形壓頭測得的未輻照RAFM鋼接觸面積隨載荷的變化關系Fig.3 Relationship between contact area and load of unirradiated RAFM steel measured by spherical indenter with radius of 0.3 μm

圖4 不同半徑球形壓頭輻照劑量與接觸面積分布范圍的關系Fig.4 Relationship between irradiation dose and distribution range of contact area with different spherical indenter radii

(3)

(4)

式中:H測和A測分別為本次實驗測得的硬度及接觸面積;H為材料自身的硬度。

此外,由圖2可知,使用不同半徑球形壓頭獲得的RAFM鋼硬度隨輻照劑量的增加呈現先增加后減小的趨勢。當輻照劑量從0 dpa增加至1.43 dpa時,RAFM鋼出現明顯的輻照硬化現象。造成該現象的原因可能是輻照誘導后RAFM鋼中產生大量輻照缺陷,如空位、間隙原子及位錯環等[17],這些輻照缺陷的存在阻礙位錯在變形過程中的滑移,從而引起位錯堆積,進而導致輻照硬化[18]。圖5所示為不同輻照劑量輻照后的RAFM鋼微觀結構。由圖5可知,未輻照的RAFM鋼微觀結構主要由馬氏體板條及分布于板條周圍的析出相組成。而經過1.43 dpa輻照后,RAFM鋼中觀察到大量位錯環,如圖5b中白色箭頭所示。該結果與推測引起RAFM鋼輻照硬化的原因完全吻合。隨著輻照劑量的增加,RAFM鋼輻照硬化程度逐漸減弱,在8.63 dpa時甚至觀察到輻照軟化現象。由圖5d可知,當輻照劑量增加至8.63 dpa時,RAFM鋼中仍觀察到位錯環,并且亞晶粒尺寸呈現增加的趨勢,該結果與Li等[18]研究550 ℃時3.5 MeV、Fe13+輻照不同劑量CLAM鋼后所獲得的結果基本一致。因此可以推斷亞晶粒尺寸增加造成的組織回復與輻照誘導產生的缺陷的共同作用是引起輻照軟化產生的主要原因。眾所周知,輻照誘導產生的缺陷將引起合金的硬化[19]。當輻照劑量為8.63 dpa時,RAFM鋼中出現大量位錯環,位錯環的存在將導致RAFM鋼硬度增加,而實際上卻觀察到輻照軟化現象,這也就表明亞晶粒尺寸增加造成的組織回復是引起RAFM鋼輻照軟化的關鍵因素。先前的研究結果已經證實輻照后組織中晶粒邊界增加、線位錯數量減小及非均勻分布會導致輻照軟化[20]。圖6所示為不同輻照劑量下RAFM鋼中位錯環的尺寸分布。由圖6可知,當輻照劑量為1.43 dpa時,位錯環尺寸分布于4.61～17.93 nm之間,平均尺寸為(9.48±1.80) nm,位錯環體積密度為7.11×1022m-3;而當輻照劑量增加至2.82 dpa時,位錯環尺寸分布于2.38～27.33 nm之間,平均尺寸增加至(10.70±3.86) nm,位錯環體積密度為5.38×1022m-3;當輻照劑量進一步增加至8.63 dpa時,位錯環尺寸分布于5.14～29.74 nm之間,平均尺寸為(13.89±3.71) nm,位錯環體積密度為3.98×1022m-3。當前的研究結果表明,隨著輻照劑量的增加,位錯環尺寸逐漸增加,但密度逐漸減小。Singh等[21]通過分析和總結輻照缺陷對輻照硬化的影響從而提出DBH(dispersed barrier hardening)硬化模型,該模型指出合金的輻照硬化與輻照缺陷的平均尺寸和其體積密度之積呈正比。在本實驗中位錯環的平均尺寸與體積密度的乘積隨著輻照劑量的增加而逐漸減小,當輻照劑量為1.43 dpa時,該乘積為6.74×1012m-2;當輻照劑量為2.82 dpa時,其值為5.76×1012m-2;當輻照劑量增加至8.63 dpa時,其值為5.53×1012m-2。也就表明隨著輻照劑量的增加,輻照缺陷引起的硬化程度逐漸減弱。該結果進一步證實輻照誘導組織回復是導致輻照軟化的主要原因。

a——未輻照;b——1.43 dpa;c——2.82 dpa;d——8.63 dpa圖5 不同輻照劑量輻照的RAFM鋼微觀組織Fig.5 Microstructure of RAFM steel irradiated with different irradiation doses

圖6 不同輻照劑量下RAFM鋼中位錯環的尺寸分布Fig.6 Size distribution of dislocation loop in RAFM steel irradiated with different irradiation doses

圖7所示為RAFM鋼硬度隨壓頭半徑的變化關系。為便于比較,在圖7中添加了壓頭半徑為0.5 μm的Berkovich壓頭硬度。圖7中獲得的數據均來自h為50 nm時的硬度。由圖7可知,不論是否進行輻照,RAFM鋼的硬度都隨著壓頭半徑的增大而減小,該現象被稱為球形壓頭的尺寸效應。產生該現象的主要原因是RAFM鋼在變形過程中產生的幾何必要位錯(GNDs)密度隨壓頭半徑的變化而變化[22-23]。軸對稱壓痕產生的GNDs數量λ可由式(5)計算得出[22]:

(5)

圖7 RAFM鋼硬度隨壓頭半徑的變化關系Fig.7 Relationship between hardness of RAFM steel and indenter radius

式中:a為接觸半徑;b為伯氏矢量;A和n為常數;h為Berkovich壓頭的圓錐高度;r為Berkovich壓頭的圓錐半徑,由壓頭的幾何形狀決定。

對于球形壓頭,A=1/2Ri,(Ri為壓頭半徑),n=2[22]。將上述參數代入式(5)中可得:

(6)

假定GNDs分布在壓痕下半徑為a的半球內[24],則壓痕的GNDs密度為:

(7)

式中:ρG為壓痕的GNDs密度;V為GNDs分布體積。

由式(7)可知,壓痕中的GNDs密度與h無關,與Ri呈反比。也就表明當壓頭壓入樣品時,半徑較小的壓頭將導致壓痕下方GNDs密度增加,進而導致硬度增加,即半徑較小壓頭所獲得的硬度大于半徑較大的壓頭。此外,由圖7還可知,相同Ri情況下輻照1.43 dpa的RAFM鋼硬度大于未輻照樣品的硬度,這與圖2的結論相一致,即輻照誘導RAFM鋼硬化。

2.2 球形壓頭半徑對RAFM鋼力學性能提取的影響

圖8所示為采用Pathak等[9]的方法提取的RAFM鋼壓痕應力-應變曲線。由圖8可知,隨著應力的增加,RAFM鋼首先發生彈性變形,隨后發生塑性變形并進入屈服階段,這與典型的金屬拉伸應力-應變曲線完全一致[24]。依據金屬拉伸應力-應變曲線可知,彈性階段所對應的斜率即為該材料的彈性模量。而在本文中,通過計算壓痕應力-應變曲線彈性變形階段的斜率得到的是折合模量(Er),通過以下公式可將Er轉換為對應的彈性模量(ES)[9]:

(8)

a——未輻照;b——1.43 dpa;c——2.82 dpa;d——8.63 dpa圖8 球形壓頭半徑對不同劑量輻照的RAFM鋼壓痕應力-應變曲線的影響Fig.8 Effect of spherical indenter radius on stress-strain curve of RAFM steel under different irradiation doses

式中:ES和Ei分別為樣品和壓頭的彈性模量;νS和νi分別為樣品和壓頭的泊松比。表2列出了通過式(8)對不同輻照劑量RAFM鋼屈服強度和彈性模量表征的結果。由表2可知,不管輻照劑量如何改變,彈性模量均隨壓頭半徑的增加而增大,且均低于通過拉伸實驗所獲得的彈性模量。導致該現象的原因為壓痕形成過程中彈性壓入深度(he)與壓痕深度(ht)的比值隨壓頭半徑增大而增大。此外,通過表2還可知,隨著輻照劑量的增加,提取出的彈性模量呈現先增加后減小的趨勢,這也表明彈性模量的提取可能與輻照后的微觀結構及表面狀態有關。

表2 不同半徑球形壓頭提取的受不同輻照劑量輻照的RAFM鋼屈服強度與彈性模量Table 2 Extraction yield strength and elastic modulus of ion irradiated RAFM steel using spherical indenter with different radii

基于Pathak等[9]對壓痕應力-應變的定義,可通過下列公式計算折合模量:

(9)

式中:σind為壓痕應力;εind為壓痕應變。在赫茲接觸理論中,折合模量的定義為[25]:

(10)

將式(9)比式(10)可得:

(11)

由式(11)可知,實驗所測的折合模量與理論折合模量的比值小于1且正比于he/ht,而本文中采用不同半徑壓頭所獲得的he/ht不同。圖9所示為不同半徑球形壓頭獲得的經過2.82 dpa、Fe2+離子輻照的RAFM鋼載荷-位移曲線。通過不同輻照劑量輻照的RAFM鋼載荷-位移曲線獲得相應的he/ht,進而獲得不同壓頭半徑與he/ht的關系,如圖10所示。由圖10可知,he/ht隨壓頭半徑的增大而增大,he/ht的增加將導致半徑大的壓頭獲得更高的折合模量。由式(8)可知,Er越高其相應的ES越大,壓頭半徑越大,he/ht也越大,這可能歸因于P、ht及he三者之間的關系。在相同載荷條件下,壓頭半徑越大,ht越小,加載曲線與卸載曲線越接近重合。壓痕主要由RAFM鋼的彈性變形構成,此時彈性穿透深度he≈ht。所以壓頭半徑越大,對應的he/ht就越高,這在圖9中也有體現。此外,壓頭半徑為10.0 μm、載荷為2.0 mN的實驗結果進一步證實了該結論。當載荷為2.0 mN時,提取出的彈性模量為124.40 GPa,與拉伸實驗所獲得的相對誤差僅為18.16%。而當載荷為2.0 mN時,材料處于彈性變形階段而非塑性變形階段。對于相同半徑的壓頭,P越小其h越小,he/ht越低,相應的Er以及ES越小,這與表2中的結果相一致。此外,Er還與a有關,載荷加載初期對接觸面積的高估將引起a偏大,進而導致Er降低。

圖9 在2.82 dpa、Fe2+離子輻照下球形壓頭半徑對RAFM鋼載荷-位移曲線的影響Fig.9 Effect of spherical indenter radius on load-displacement curve of RAFM steel under Fe2+ ion irradiation up to 2.82 dpa

圖10 球形壓頭半徑與he/ht的關系Fig.10 Relationship between spherical indenter radius and he/ht

由式(9)可知,相同載荷條件下,Er-S與ht呈反比。對于輻照樣品,隨著輻照劑量增加,彈性模量呈現先增加后減小的趨勢。當輻照劑量從0增加至2.82 dpa時,RAFM鋼中輻照缺陷逐漸增加,導致ht逐漸減小,進而導致彈性模量逐漸增加。當輻照增加至8.63 dpa時,輻照產生的缺陷被晶粒邊界等吸收并且出現組織回復,導致ht逐漸增加,進而引起彈性模量減小。先前的研究結果表明,彈性模量與材料中原子或分子的鍵能有關[26]。對于鋼鐵材料來說,離子輻照后材料的彈性模量一般不會發生顯著變化[27]。對比拉伸實驗所獲得的彈性模量與采用納米壓痕方法提取的彈性模量可知,球形壓頭半徑越大,提取的彈性模量越接近于拉伸實驗所獲得的數值。這也表明,壓頭半徑越大,提取的數值準確度越高,而彈性模量的誤差將直接影響提取屈服強度的準確度。由表2可知,與彈性模量相反,隨著壓頭半徑的增加,提取出的屈服強度逐漸降低。對于未輻照樣品,該RAFM鋼的拉伸屈服強度為0.67 GPa,采用半徑0.3 μm的球形壓頭提取出的屈服強度為1.19 GPa,與拉伸屈服強度的相對誤差達到76.8%;而當半徑增加至10.0 μm時,屈服強度降低至0.74 GPa,與拉伸屈服強度的相對誤差僅為10.5%。該結果表明采用較大半徑球形壓頭提取出的RAFM鋼屈服強度更接近于拉伸的屈服強度。導致屈服強度與彈性模量實驗結果相反的主要原因為本文中所提取的屈服強度為應變為0.2%時所對應的屈服強度,彈性模量越高,屈服強度越低。此外,由表2還可知,隨著輻照劑量的增加,提取出的屈服強度呈現先增加后減小的趨勢,這與硬度的變化趨勢完全一致。

3 結論

本文采用具有不同半徑球形壓頭(0.3、1.0和10.0 μm)納米壓痕儀對550 ℃條件下輻照不同劑量RAFM鋼的硬度進行了測量,并獲得了相應條件下的載荷-深度關系,利用此關系提取出相應條件下RAFM鋼的彈性模量和屈服強度并進行了比較,結論如下。

1) 不管壓頭半徑如何改變,經過離子輻照的RAFM鋼都表現出反尺寸效應。測試過程中接觸面積測量誤差是產生該現象的主要原因。

2) 不管壓頭半徑如何改變,經過離子輻照的RAFM鋼都出現輻照硬化,但隨著輻照劑量的增加,RAFM鋼的硬度呈現先增加后減小的趨勢。造成該現象的主要原因是:隨著輻照劑量的增加,輻照缺陷對RAFM鋼硬化效果的貢獻度逐漸降低。當輻照劑量增加至8.63 dpa時,亞晶粒回復造成RAFM鋼軟化效應超過輻照缺陷造成的硬化效應,從而導致輻照軟化現象。此外,相同載荷與輻照劑量條件下,隨著壓頭半徑的增加,RAFM鋼的硬度逐漸降低。

3) 不管輻照劑量如何改變,隨著壓頭半徑的增加,提取出的彈性模量逐漸增加而屈服強度卻逐漸減小。通過對比未輻照樣品可知,壓頭半徑增加至10.0 μm時,所提取出的屈服強度和彈性模量更接近于拉伸實驗所獲取的數值。相同壓頭半徑條件下,彈性模量和屈服強度都隨著輻照劑量的增加呈現先增加后減小的趨勢。