[发明专利]一种辐照材料力学性能测试方法

说明书

本发明公开了一种辐照材料力学性能测试方法，利用聚焦离子束(FIB)对辐照材料加工成长径比为2‑6:1的微纳柱体，使柱体标距为整个辐照区域，在纳米压痕或电镜的原位微纳力学测试系统中进行单轴压缩或拉伸测试，得应力‑应变曲线，进一步得辐照样品的屈服强度、流变应力和抗拉强度等力学性能指标，能够准确测量辐照区域内材料力学性能，评估材料的辐照损伤程度。

技术领域

本发明属于材料力学性能测试技术领域，具体涉及一种辐照材料力学性能测试方法。

背景技术

随着航空飞行器、核能源领域的飞速发展，对材料力学性能和服役性能的要求更加严苛，材料在具有电子、质子、重离子、中子辐照的环境中，常常会发生诸如辐照硬化、辐照脆化、辐照肿胀、辐照析出和辐照蠕变等材料失效行为。与应用于飞行器及核反应堆内的材料经受的环境不同，研究中均利用离子加速器(如He离子和Kr、Fe重离子等)模拟堆内核反应产生的嬗变元素及中子对材料进行辐照，通过调控加速电压和注入剂量可以获得不同的注入深度和离子浓度，如何评价金属及其合金和金属复合材料在极端条件下的辐照损伤程度及力学性能成为相关研究人员关心的问题。

由于离子辐照过程会产生电离能损，因此离子注入深度往往有限，严重限制辐照材料后续表征手段的选择。就目前而言，纳米压痕和透射电镜成为主要表征手段，纳米压痕用于测量辐照材料的硬度变化，辐照引入了空位、间隙原子和位错环等缺陷，这些缺陷均成为材料变形过程中位错运动的阻碍，引起材料的硬化，透射电镜用于观测辐照引起的材料内部微观组织的变化。然而，对于常见的块体材料和多层膜金属复合材料而言，在纳米压痕测量硬度时均存在明显的基底效应，如：块体材料辐照层之下通常软于辐照层，多层膜结构金属复合材料的SiO₂或Si基底通常硬于辐照层，得出的硬度曲线出现随压入深度的增加而下降或上升的情况，测出的硬度-深度曲线随深度变化而变化，无法准确获得材料的硬度值，只能进行相对比较，且由于纳米压痕测量硬度通常使用berkovich压头，样品变形区域存在梯度，应力应变状态复杂。

发明内容

为克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种直接的辐照材料力学性能测试方法，能够准确测量辐照区域内材料力学性能，评估材料的辐照损伤程度。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种辐照材料力学性能测试方法，具体地，包括如下步骤：

(1)根据待测试的辐射材料选择注入离子源，计算注入元素分布和dpa分布，根据需要对所述辐射材料进行离子辐照，获得离子分布；

(2)依据步骤(1)中所述辐照材料的离子分布，利用聚焦离子束将所述辐照材料加工为用于单轴测试的微纳柱体或拉伸样；其中，所述微纳柱体或拉伸样的长径比为2-6:1，且上、下锥度不大于3°；

(3)在纳米压痕或电镜的原位微纳力学测试系统中设定压缩或拉伸参数，用平头压头或特制拉伸夹具对步骤(2)中所述微纳柱体或拉伸样进行单轴压缩或拉伸测试，得应力-应变曲线；再通过上述应力-应变曲线得所述辐射材料的力学性能，同时在扫描电镜下观察所述辐照材料的变形行为，在透射电镜下观察所述辐照材料的微观组织结构。

优选的，所述辐照材料包括金属、金属合金或金属基复合材料。

优选的，步骤(2)中，所述微纳柱体的加工方式包括：

当离子浓度在辐照区域内均匀分布且注入深度深时，采用离子束上表面注入并利用聚焦离子束(FIB)加工高度与离子辐照深度一致的微纳柱体；和/或

当离子浓度在辐照区域内分布不均匀或注入深度浅时，采用离子束侧面注入，并利用聚焦离子束(FIB)沿上表面边缘加工所述微纳柱体，且所述微纳柱体的直径等于辐照区域深度。

优选的，步骤(2)中，所述微纳柱体的长径比为3-5:1，且上、下锥度不大于3°。