Page 21 - 《爆炸与冲击》2026年第10期

第 46 卷 叶想平，等： 辐照-预应力和冲击耦合作用下金属硬化和脆化规律与微观机理实验研究进展 第 10 期

基于该思想建立了一个仅需未辐照金属本构关 65
系和失稳应力，以及辐照金属的屈服强度就能够
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预测其脆化性能的模型，且模型预测与实验吻合
很好。(2) 辐照、冷轧等在金属材料中产生的缺 39 0 dpa-10%
0.03 dpa-10%
陷种类、尺寸和数密度等差异很大，但均表现出 True stress/MPa 0.12 dpa-10%
0.20 dpa-10%
在相同真应力条件下应变硬化率不变的特质，且 26 0 dpa-0%
0.01 dpa-0%
最终失稳应力近乎恒定，这不仅表明辐照缺陷、 13 0.09 dpa-0%
0.22 dpa-0%
冷轧林位错等对滑移位错的阻碍作用存在某种 0.83 dpa-0%
等价机制，且这种等价效应达到某个固定临界值 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
后金属材料随即发生失稳断裂，尽管具体等价机 True strain
制仍不清楚，但这对于揭示材料塑性失稳的物理 图 4 中子辐照高纯铝应变平移后的真应力-应变曲线 [31]
本质，以及统一材料失稳判据等均具有重要意 Fig. 4 Shifted true stress-strain curves of neutron irradiation
义。因此，以 Byun 为首的研究人员正在不断推 high-purity aluminum [31]
进这方面的工作 [37-39,55] 。
1.2 辐照脆化效应与机理
脆化是辐照金属的另一个典型力学特性，即材料的均匀延伸率随辐照剂量增加而不断降低，如图 2(a)
所示。金属辐照脆化的机理大致可分为以下 3 类。
第 1 类，偏析脆化。金属内部的 Cu、P 等元素在辐照过程中发生偏析，且析出物往往是与基体晶格
适配度低的薄片，严重降低界面结合能，导致基体材料发生脆化 [28,48,66] 。但当研究者发现并确认这一脆
化机制后，通过严格控制反应堆用结构材料中 Cu、P 等元素的含量，有效控制了辐照偏析导致的脆化问
题 [28,48,67-68] 。
第 2 类，氢/氦脆化。反应堆内嬗变产生的氢/氦进入材料内部，由于二者均不溶于金属，因此其极易
迁移到晶界处聚集形成氢/氦泡，降低晶界强度，导致材料发生氢/氦脆化效应 [4,69] 。针对氢/氦导致晶界弱
化引起的脆化行为，目前主要通过提高材料内部界面面积（减小晶粒尺寸、引入第二相颗粒等方法），为
氢/氦原子提供更多的形核点，并尽可能将氢/氦泡控制在孕育期，延缓其长大时间，从而延缓基体材料的
氢/氦脆化 [9,70-74] 。
第 3 类，位错通道脆化。Singh 等 [7,43] 和 Fujii 等 [46] 基于辐照金属形变后普遍存在约 100 nm 宽通道，
且内含少量或不含缺陷的实验现象，提出位错通道脆化机制。其核心思想是位错通道的形成和演化引发
位错滑移的高度局域化，最终导致材料脆化。以中子辐照无氧铜为例：辐照缺陷起初非均匀钉扎在滑移
位错周围，如图 5(a) [7] 所示；当驱动载荷超过临界值后，部分钉扎阻碍应力较弱的位错发生脱钉，并开始
滑移，且湮灭其滑移路径上的绝大部分缺陷（点缺陷、位错环、四面体等），降低后续位错沿该路径滑移
的阻力，从而诱使更多位错集中在这一路径上滑移，导致位错在局部区域的集中滑移，并最终形成位错
通道 [7,40,75-76] ，如图 5(b) 所示。辐照剂量越高，位错滑移的局域化越严重，塑性变形后形成的位错通道平均
[7]
宽度越宽，中心间距越大，断裂时位错通道内部积累的应变越小，宏观上则表现为辐照脆化效应 [65,75-78] 。
基 于 位 错 通 道 的 脆 化 机 理 能 够 很 好 地 定 性 解 释 包 括 辐 照 脆 化 、 过 屈 服 点 等 在 内 的 大 量 辐 照 现
象 [5,7,38-39] ，但存在以下不足。(1) 位错通道一旦形成，将出现位错滑移阻碍显著低于周围区域的局域快速
滑移通道，显著降低基体材料的承载能力（这也是过屈服点实验现象的微观机制），并最终导致材料发生
完全脆性断裂，但绝大部分材料在形成位错通道后依旧保有较好的塑性 [7,79] 。尽管肖厦子等 [5] 和 Luft [80]
认为位错通道内部的位错密度增殖强化可能会延缓位错通道承载能力的降低，从而使位错通道形成后
基体材料仍旧保有一定的强度，但始终缺乏实验证据。(2) 位错通道脆化机制的实验证据均限于辐照后
缺陷（位错环、四面体等）钉扎位错，塑性形变后材料内部形成大量不含或含少量辐照缺陷的滑移通道，
以及宏观上材料表现出脆化效应 [7,43,46, 52,75,81-82] 。尽管 Gussev 等 [40] 在 TEM 原位实验中观察到位错通道的

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