核级铪中同素异晶FCC相

【摘要】： 核级铪(Hf)作为一种重要的核用材料,对堆芯运行的反应性起着重要的调控作用。近10年以来,Hf中发现了一种应力诱导的同素异晶面心立方相(Face centered cubic,简称FCC),FCC-Hf的出现,为Hf的反应堆应用带来了新的挑战,因此,展开FCC-Hf的晶体学研究成为迫切任务。本文分为四个逻辑:(1)统计Hf中FCC相的类型、尺寸、含量及形貌;(2)研究FCC相的分位错来源,探索相关的机理;(3)建立不同类型FCC相的空间关系;(4)探究Hf中调制结构的晶体学特征及其电子结构。理论上Hf中FCC相与基体的位向关系可能为6种,对FCC相的类别进行重新定义,分别命名为Bα、Bβ、Bγ、Pα、Pβ和Pγ型,其中,Bβ和Bγ型FCC相为未发现的类型,与基体的位向关系可分别表示为:[1120]HCP//[110]FCC and(0001)HCP//(110)FCC,[1120]HCP//[100]FCC and(0001)HCP//(010)FCC。对于轧制态 Hf,FCC相的总面积分数约为11.37%,Bα、Pα和Pβ型FCC相的面积分数分别约为10.08%,0.24%和0.05%。Bα型FCC相的形成与不全位错在每隔一层的(0001)面上的滑移有关,其平面形貌轮廓可分为三类:Ⅰ型、Ⅱ型及Ⅲ型,形成这三种轮廓形貌FCC相的不全位错来源于晶粒内的基面型位错分解。FCC相在E界面(edge)和{1102}孪晶的BP(基面)和PB(柱面)界面形核。在合适的应力作用下,一方面,FCC相尖角处的不全位错沿着(0001)面继续滑移,另一方面,尖角处的型位错会发生分解,形成不全位错,为FCC相的形核提供不全位错来源,使FCC相沿其长轴方向生长,短轴方向增厚。同样的,在合适的应力加载下,孪晶的BP和PB界面处的基面型位错分解成不全位错,如果不全位错分别单独沿基体和孪晶的(0001)面滑移,则在{1102}孪晶的BP和PB界面处单独形成FCC相,如果是同时滑移,则在孪晶的BP和PB界面处同时形成长轴夹角为85°的2个FCC相。Hf中FCC相的空间关系可分为3类:Bα型FCC相间的接触界面、Bα和Pβ型FCC相的90°交叉以及Pα型变体之间的120°交叉。Bα型FCC相间的接触界面可分为3种,分别为SS(side-side)界面、EE(edge-edge)界面以及EESS(side-side,edge-edge)界面,其中,在EE界面以及EESS界面处观察到了 9R和12R'长周期结构,这些长周期结构的形成与位错在FCC相的密排面上的滑移有关。对于Bα和Pβ型FCC相的90°交叉界面分为2类:由(110),(111)和(111)组成的锯齿状界面以及由(113)和(110)界面组成的夹角为157.5°的V型界面。当基体中的原子分别沿着[1210]和[2110]方向进行剪切时,则会在基体中形成长轴方向的夹角为120°的2个Pα型FCC相。在应力作用下,Hf中α相中的晶格发生改变,导致不同层原子发生偏移,促使费米面与布里渊区相切,使得布里渊区发生分裂,从而降低系统能量,使得调制结构呈稳定状态。

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