Hai Huang;Xiaoting Yuan;Longjingrui Ma;Jiwei Lin;Guopeng Zhang;Bin Cai
Nuclear Engineering and Technology
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제55권6호
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pp.2298-2304
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2023
Titanium alloys are expected to become one of the candidate materials for nuclear-powered spacecraft due to their excellent overall performance. Nevertheless, atomistic mechanisms of the defect accumulation and evolution of the materials due to long-term exposure to irradiation remain scarcely understood by far. Here we investigate the heavy irradiation damage in a-titanium with a dose as high as 4.0 canonical displacements per atom (cDPA) using atomistic simulations of Frenkel pair accumulation. Results show that the content of surviving defects increases sharply before 0.04 cDPA and then decreases slowly to stabilize, exhibiting a strong correlation with the system energy. Under the current simulation conditions, the defect clustering fraction may be not directly dependent on the irradiation dose. Compared to vacancies, interstitials are more likely to form clusters, which may further cause the formation of 1/3<1210> interstitial-type dislocation loops extended along the (1010) plane. This study provides an important insight into the understanding of the irradiation damage behaviors for titanium.
A study was made to investigate microstructural evolution and mechanical properties of ultra-fine grained (UFG) pure-Ti produced by equal channel angular (ECA) pressings. The deformed structures were analyzed by finite element method and transmission electron microscopy with the increment of straining. After 4 isothermal ECA pressings, initial coarse grains ($30{\mu}m$) were significantly refined to ${\sim}0.3{\mu}m$ with homogeneous distribution of microstructure which was resulted from $180^{\circ}$ rotation of the sample between pressings. UFG pure-Ti exhibited the considerable improvement in yield strength while losing strain hardening capacity as compared to coarse grained microstructure at ambient temperature, which was mainly attributed to ultra-fine grain microstructure with non-equilibrium grain boundaries.
Radiation hardening is a multiscale phenomenon involving various processes over a wide range of time and length. We present a multiscale model for estimating the amount of radiation hardening in pressure vessel steel in the environment of a light water reactor. The model comprises two main parts: molecular dynamics (MD) simulation and a point defect cluster (PDC) model. The MD simulation was used to investigate the primary damage caused by displacement cascades. The PDC model mathematically formulates interactions between point defects and their clusters, which explains the evolution of microstructures. We then used a dislocation barrier model to calculate the hardening due to the PDCs. The key input for this multiscale model is a neutron spectrum at the inner surface of reactor pressure vessel steel of the Younggwang Nuclear Power Plant No.5. A combined calculation from the MD simulation and the PDC model provides a convenient tool for estimating the amount of radiation hardening.
The effects of nitrogen on the deformation behavior of duplex stainless steel have been studied. The variation of strength was correlated with the characteristic microstructures pertaining to nitrogen. Analysis based on Hall-fetch relation confirmed that nitrogen enhances phase-boundary strengthening effect. The evolution of dislocation structure, slip traces and misorientation distribution during deformation were also characterized to elucidate the effect of nitrogen on inelastic deformation mechanism. It has been verified in this study that the higher nitrogen content provides a dual-phase microstructure with smaller strength difference between austenite and ferrite resulting into the earlier transfer of inelastic deformation from austenite to ferrite.
Gang Feng;Jian Lin;Shuai Yang;Boxuan Zhang;Jiangang Wang;Jia Yang;Zhongfeng Xu;Yongping Lei
Nuclear Engineering and Technology
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제55권11호
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pp.4066-4076
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2023
Pressure resistance welding is usually used to seal the connection between the cladding tube and the end plug made of zirconium alloy. The seal welded joint has a direct effect on the service performance of the fuel rod cladding structure. In this paper, the pressure resistance welded joints of zirconium alloy tube-plug structure were obtained by thermal-mechanical simulation experiments. The microstructure and microhardness of the joints were both analyzed. The effect of processing parameters on the microstructure was studied in detail. The results showed that there was no β-Zr phase observed in the joint, and no obvious element segregation. There were different types of Widmanstätten structure in the thermo-mechanically affected zone (TMAZ) and heat affected zone (HAZ) of the cladding tube and the end plug joint because of the low cooling rate. Some part of the grains in the joint grew up due to overheating. Its size was about 2.8 times that of the base metal grains. Due to the high dislocation density and texture evolution, the microhardnesses of TMAZ and HAZ were both significantly higher than that of the base metal, and the microhardness of the TMAZ was the highest. With the increasing of welding temperature, the proportion of recrystallization in TMAZ decreased, which was caused by the increasing of strain rate and dislocation annihilation.
재료는 방사선과 상호작용을 통해 그 물리적, 화학적 특성이 변화하며 여러 방사선 중에서 전하를 띄고 있지 않아 침투깊이가 깊은 중성자 조사에 의한 금속소재의 조사손상은 원자력발전소의 안전과 관련해서 오랜 기간 동안 집중적인 연구대상이었다. 중성자 조사에 의한 조사손상은 초반 피코 초 스케일에서 벌어지는 원자단위의 점결함의 생성으로 시작되며 그 이후의 전개 양상은 전위 고리나 공극과 같은 미세구조상 결함으로 확인될 수 있다. 이러한 미세구조 상 결함의 형상과 분포에 따라 소재의 특성에 미치는 효과는 상이하게 된다. 그러므로 중성자 조건에 따른 미세구조를 예측하는 것은 매우 중요한 일로, 본 논문에서는 중성자 조사에 의한 재료 내의 미세구조 발달에 대해 리뷰한 뒤 조사된 소재의 미세구조 변화 예측에 널리 사용될 수 있는 상장 모델에 대해 간략히 소개하였다.
The mechanical properties and microstructure evolution of Mg-8Li-3Al-1Y alloy undergoing different rolling processes were systematically investigated. X-ray diffraction, optical microscope, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy as well as electron backscattered diffraction were used for tracking the microstructure evolution. Tensile testing was employed to characterize the mechanical properties. After hot rolling, the $MgLi_2Al$ precipitated in ${\beta}-Li$ matrix due to the transformation reaction: ${\beta}-Li{\rightarrow}{\beta}-Li+MgLi_2Al+{\alpha}-Mg$. As for the alloy subjected to annealed hot rolling, ${\beta}-Li$ phase was clearly recrystallized while recrystallization rarely occurred in ${\alpha}-Mg$ phase. With regard to the microstructure undergoing cold rolling, plenty of dislocations and dislocation walls were easily observed. In addition, the microstructure of alloys subjected to annealed cold rolling revealed the formation of new fresh ${\alpha}-Mg$ grains in ${\beta}-Li$ phase due to the precipitation reaction. The mechanical properties and fracture modes of Mg-8Li-3Al-1Y alloys can be effectively tuned by different rolling processes.
The ARB (Accumulative Rolling Bonding) Process was applied to a 6061 Al alloy to obtain ultra-fine grains. After 4 ARB cycles at $315^{\circ}C$, original equilibrium large grains were transformed to ultra-fine grains of several hundred nano-meter size with nonequilibrium grain boundaries. At lower number of cycles, microsutcture of highly-tangled dislocation cells were observed. Large grains and coarsened precipitates filled the microstructure of specimens experienced ARB cycles more than 5. Sliding wear tests using a pin-on-disk type wear tester were conducted on the ARB processed 6061 Al alloy plate. Wear rates of the 6061 Al alloy increased with the increase of ARB cycle number as well as the applied load. Worn surfaces and debris, cross-sections of the worn specimen were examined with scanning electron microscopy (SEM) to investigate the wear mechanism of the ultra-fine grained 6061 Al Tensile properties of the 6061 Al alloy were also studied and used to correlate the wear test results with the microstructures, which evolved continuously with the number of ARB cycles.
The effect of Ca addition on the microstructure evolution and deformation behavior of AZ31 magnesium alloy produced by hot extrusion was investigated. For this purpose, Ca was added into AZ31 melts to the level of 0.7 and 2.0 wt.% Ca. Then, AZ31 base alloy and Ca modified AZ31 alloys were extruded at $383^{\circ}C$. Ca added alloys showed finer grain size and increased hardness value rather than AZ31 base alloy. After isothermal hot compression, the shape of tested specimen exhibited a noticeable anisotropy due to the crystallographic texture effect. The ratio of major and minor axes of ovality was not directly related to test condition and Ca amount. Flow stress level increases with the increase of Ca addition at temperature below $300^{\circ}C$ because of fine microstructure. However, at high temperature and low strain rate region ($400^{\circ}C$ and $10^{-3}s^{-1}$), reverse tendency was observed since main deformation mechanism changes from dislocation slip to grain boundary sliding or diffusional process at high temperature.
Cu-Sn based alloys were manufactured by gas atomization spray casting route in order to achieve a fine scale microstructure and a high tensile strength. The spray cast Cu-10Sn-2Ni-0.2Si alloy had an equiaxed grain microstructure, with no formation of brittle ${\delta}-Cu_{41}Sn_{11}$ phase. Aging treatment promoted the precipitation of finely distributed particles corresponding to ${\delta}-Ni_2Si$ intermetallic phase throughout the $\alpha$-(CuSn) matrix. The cold-rolled Cu-Sn-Ni-Si alloy had a very high tensile strength of 1200 MPa and an elongation of 5%. Subsequent aging treatment at $450^{\circ}C$ for 1h slightly reduced the tensile strength to 700 MPa and remarkably increased the elongation up to 30%. This result has been explained by coarsening the precipitates due to over aging and reducing the dislocation density due to annealing effects.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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