在核能范畴，锆合金一向扮演着要害人物——核燃料棒的包壳资料。长时间执役于高温、高压与激烈中子辐照的苛刻环境，很多空位、空隙原子等点缺点发生并逐渐演化成等要害功能改变，极度影响反应堆构件的安全与寿数。一般，辐照硬化会导致资料脆化，而。该现象与传统认知相悖，其机理一向未明，却直接影响锆合金包壳在停堆枯燥阶段和长时间储存中的力学行为与安全点评。

  在锆合金中，辐照首要发生两类位错环：〈a〉型位错环（坐落柱面，伯氏矢量 1/3⟨11-20⟩）和〈c〉型位错环（坐落基面，伯氏矢量 1/6⟨20-23⟩）。其间，〈a〉位错环在较高温度下会粗化或湮灭，导致硬化略有下降；而〈c〉位错环在执役温度下很安稳。因为〈a〉位错环一般被认为是辐照硬化的大多数来自，此前学者提出几种假定解说该失常硬化：高温下〈a〉位错环或纳米空泛的短期成长、溶质原子（Fe、Sn、Cr）在〈a〉位错环偏聚、或杂质（氧/氢）与〈a〉位错环相互作用等。但是，因为辐照缺点表征的困难以及合金元素作用的复杂性，这些机制没有得到明晰验证。

  为弄清该失常硬化的实质机理，西安交通大学联合大阪大学研讨人员选用高纯锆（99.9%）扫除合金元素搅扰，经过原位高温纳米压痕、原位透射电镜退火与原子标准模仿相结合的手法，系统研讨了退火进程中缺点结构的动态演化及其对力学行为的影响。

  研讨发现：在500°C退火并冷却至室温后，辐照锆的硬度比400°C退火态进步约25%，与中子辐照锆合金中观察到的失常硬化趋势共同。在400–500°C退火进程中，本来平铺于基面的二维〈c〉型位错环逐渐相互衔接，构成具有台阶状衔接的三维弯折构型。分子动力学模仿显现，相邻〈c〉环端点处的部分位错可在热激活下沿锥面滑移、相遇并重组，逐渐构建出台阶衔接，终究构成安稳的三维弯折结构。这些三维弯折的〈c〉环经过台阶结构明显阻止〈a〉型位错的滑移，其强化作用比平面〈c〉环进步约50%，直接引发微观硬度上升。

  这一发现不只解说了锆合金中的失常硬化现象，也为了解其他六方密排结构金属（如钛、镁等）在辐照与退火进程中的行为供给了新思路。从工程视点看，该机理对核用锆合金包壳在停堆、枯燥及长时间储存阶段的力学功能猜测与安全评价具有极端严重指导意义。经过调控微观缺点构型，未来或可逐渐优化锆合金的辐照功能与耐热性，进步反应堆资料的安全裕度与运用寿数。

  图1.辐照与退火后锆的硬度改变。(a) 在高真空腔室内运用原位纳米压痕进行硬度测验的办法示意图。左下角插图为纳米压痕后辐照纯锆的扫描电子显微镜图画。(b)离子辐照后的纯锆在400°C和500°C退火30分钟前后的硬度改变。

  图2.平面与三维〈c〉位错环的具体表征。(a-d) 同一区域内基面〈c〉位错环在不同衍射矢量下的TEM图画。赤色和黄色箭头别离标记了在不同衍射矢量下同一位错环衬度。(e-g) 同一区域内三维〈c〉位错环在不同衍射矢量下的TEM图画。(h) 三维〈c〉位错环台阶高度的高分辩TEM图画。

  图3.三维弯折〈c〉位错环的构成进程。(a-e) 根据分子动力学模仿得到的两个相邻〈c〉位错环之间的相互作用，导致了弯折〈c〉位错环的构成。 (f) 弯折〈c〉位错环的演化进程示意图。 (g) 400°C时基面〈c〉位错环的高倍TEM图画。(h)在448°C退火后，这些平面〈c〉位错环演化为弯折结构。

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