核反应堆用钢中点缺陷跃迁特性的模拟研究(3)
图1.2 Cu-Fe合金相图
1.3点缺陷与富铜团簇析出
晶体中原子扩散的主要原因就是晶体中原子总是以它们的平衡位置为中心不停的振动着，其中有一些原子的振动能量高到足以使其从平衡位置跃迁到另一个平衡位置。宏观的扩散现象正是这种微观的原子迁移导致的结果。原子在点阵中进行扩散的物理模型最初在30年代提出，经过实验及验证，逐步提出了几种扩散机制[16]。
1) 间隙机制。它的主要模型是直径小的间隙原子由一个间隙位置跃迁入另一个邻近的间隙位置，此时间隙原子的扩散系数要比基体原子自扩散系数大104-105倍。
2) 换位机制。该机制的本质是依靠点阵结点上原子与邻近位置的原子相互换位来进行扩散。最早提出的是双原子换位模型，但由于该模型使畸变能大大增加。
3）空位机制。空位扩散模型的基本原理是:扩散原子依靠与近邻的空位换位实现迁移，由于空位浓度与温度，辐照等因素有关，因此提高温度或用射线辐照等提高点缺陷密度的因素均使扩散系数增大。
辐照环境下点阵中的原子被碰撞离开正常的点阵位置，点阵原子被撞以后如果其接受的能量小于一临界值Ed(位移阀能)，将不产生离位原子，相当于产生一个局部热点，称为热峰；如果接受的能量大于Ed，则原子离开正常的点阵位置，产生一个空位和间隙原子对；如果离位的原子获得足够大的能量，它和点阵中的其它原子碰撞，继续产生离位原子，称为级联过程。在长时间的辐照下，上述过程在RPV钢中反复产生非平衡空位和间隙原子，使得合金元素原子的可动性大大增加。
由于富铜团簇析出属于典型的扩散控制型相变，这一现象的进程的快慢受到合金元素原子扩散的影响，而合金元素的扩散机制几乎都可以归结为点缺陷的跃迁，尤其重要的是空位在元素偏聚上的作用。由于点缺陷跃迁的难易程度对周边原子的元素组成有较强的依赖性，因此很难用简单的扩散模型描述团簇的聚集现象，尤其是在团簇的形核阶段。
1.4 RPV钢中富铜团簇析出的研究方法
1.4.1 实验研究方法
用中子辐照来研究RPV钢中富Cu相析出，除了辐照费用高昂之外，辐照后样品具有放射性也给实验操作带来诸多不便。因此，发展起来了一种热时效模拟的方法来进行研究，将研究的钢合金加热到高于工作温度的温度范围内，进行长时间保温时效，利用高温下的高浓度平衡点缺陷模拟辐照点缺陷对团簇聚集的加速作用。周邦新院士等人[17]采用了淬火、调质处理后时效模拟的方法，研究了不同质量分数的Ni(0.79％和1.52％)压力容器模拟钢中富Cu、富Ni和富Mn原子团簇的析出情况。研究结果表明，提高钢中的Ni含量会明显促使富Cu原子团簇的析出，析出初期的富Cu原子团簇中都含有Ni和Mn。
实验研究的一个主要问题在于表征上的困难，目前用来研究富铜团簇的表征方法有TEM，原子探针层析技术（atom probe tomography, APT）和小角度中子散射技术（Small Angle Neutron Scattering, SANS）。但由于析出核心与完全长大的析出相间存在诸多差异导致它们对团簇析出的早期形核过程的研究存在一些困难，比如TEM难以判别纳米级共格析出相；APT原子探针层析技术在分析析出相方面需要人为调试设置一些参数才能取得较为可信的结果[17]；SANS虽然广泛用于析出相研究，但是仍然无法给出析出相的空间分布形貌，而且需要假定析出相成分才能获取某些定量信息。产生这些困难的主要原因有几方面：析出的新相一般与母相为共格或半共格状态；新相中含有较多合金中的主元素原子，与基体的成分差异小；新相内部存在较强的第三类应力等等。
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