热机械加工对800H合金中子辐照硬化抑制的温度依赖性机制研究

为解决核反应堆结构材料在中子辐照下出现的硬化及延展性下降问题，研究人员通过系统研究热机械加工(TMP)对Incoloy 800H合金的辐照响应，揭示了TMP通过增加缺陷吸收位点(如位错网络和Ti(C,N)析出相)和降低基体Ti溶质含量，分别在低温(359-431℃)和高温(580℃)下抑制位错环和γ′相(Ni3(Al,Ti))的形成，从而显著降低辐照硬化效应。该研究为开发先进抗辐照材料提供了理论依据。

　　

核能作为清洁能源的重要组成部分，其安全性始终是科研人员关注的焦点。反应堆结构材料在服役过程中会遭受高剂量中子辐照，导致材料性能退化，其中辐照诱导硬化(radiation-induced hardening)是最常见的现象之一。这种硬化通常伴随着材料延展性的显著下降，严重威胁反应堆的安全运行。尽管奥氏体不锈钢因其优异的耐腐蚀性和高温性能被广泛应用于核反应堆，但其对辐照诱导硬化的敏感性限制了其进一步应用。如何通过材料设计和工艺优化来提高材料的抗辐照性能，成为核材料领域亟待解决的关键问题。

针对这一挑战，中国某研究机构的研究人员选择了一种成分与奥氏体不锈钢相似但具有更高Cr(19-23 wt%)和Ni(30-35 wt%)含量的Incoloy 800H合金作为研究对象。他们创新性地采用热机械加工(Thermomechanical Processing, TMP)工艺对材料进行改性，系统研究了TMP处理对材料在中子辐照下硬化行为的影响机制，相关成果发表在《Materials》期刊上。

研究人员采用了多种先进表征技术开展系统性研究。通过电子背散射衍射(EBSD)分析样品的晶粒结构；利用扫描透射电子显微镜(STEM)观察位错环、空洞和析出相等微观缺陷；采用原子探针断层扫描技术(APT)分析纳米尺度的溶质团簇；结合维氏硬度测试评估辐照前后的力学性能变化。特别值得一提的是，他们创新性地将分散障碍硬化模型(dispersed barrier-hardening model)应用于定量分析各种微观结构特征对强化的贡献，为理解辐照硬化机制提供了定量依据。

在"3.1. 硬度"部分，研究结果显示所有辐照样品均出现硬度增加，但TMP样品在所有辐照条件下都表现出较低的辐照硬化。在359℃和431℃下，TMP样品的硬化程度比SA样品低11.9%-12.9%；而在580℃下，差异更为显著，达到32.6%。通过硬度-屈服强度转换关系，研究人员进一步量化了辐照诱导的强度变化。

"3.2. 辐照前微观结构"详细对比了SA和TMP样品的初始状态。TMP处理使晶粒尺寸从127μm减小到83μm，并引入了高密度(3×10¹³ m^-2)的位错网络。更重要的是，TMP处理促进了纳米级Ti(C,N)析出相的形成，这些析出相优先在位错网络上形核，其数量密度达到1×10²⁰ m^-3，而SA样品中未见此类析出相。

"3.3. 中子辐照后的微观结构"部分揭示了温度依赖的缺陷演化规律。在359℃和431℃下，位错环是主要的辐照缺陷，SA样品中的位错环密度显著高于TMP样品。而在580℃下，Ni₃(Al,Ti) γ′相成为主导特征，SA样品中γ′相的数量密度是TMP样品的2-8倍。APT分析发现，在较低温度下形成的Ni-Si团簇在SA和TMP样品中表现出相似的尺寸(~2nm)和数量密度(~2×10²³ m^-3)，而其他类型的团簇(如Al-Ti、Cu、Mn)则非常微弱。

在讨论部分，研究人员深入分析了TMP影响辐照硬化的双重机制。在低温区(359-431℃)，TMP引入的位错网络和Ti(C,N)析出相作为有效的缺陷吸收阱，抑制了位错环的形成；在高温区(580℃)，TMP过程中消耗的Ti溶质减少了γ′相的析出驱动力。通过定量计算各种微观结构特征的强化贡献，研究人员证实位错环和γ′相分别是低温和高温下的主要强化来源。

这项研究的重要意义在于：首次系统阐明了TMP在宽温度范围内抑制Incoloy 800H辐照硬化的微观机制，为开发新一代抗辐照材料提供了明确的工艺优化方向。研究揭示的温度依赖性机制不仅适用于800H合金，对其他类似合金体系的设计也具有重要参考价值。特别是提出的通过控制析出相和溶质含量来调控辐照响应的策略，为核反应堆结构材料的性能优化开辟了新思路。