研究背景

在核能领域，锆合金一直扮演着关键角色——核燃料棒的包壳材料。长期服役于高温、高压与强烈中子辐照的严苛环境，大量空位、间隙原子等点缺陷产生并逐渐演化成位错环、层错四面体、空洞等缺陷。这些缺陷与材料中的位错发生相互作用，导致辐照硬化、应变局域化、辐照生长与蠕变等关键性能变化，严重影响反应堆构件的安全与寿命。通常，辐照硬化会导致材料脆化，而后辐照退火可通过缺陷湮灭部分恢复材料性能。然而，在六方密排结构（HCP）的锆合金中，却观察到一个反常现象：中子辐照后的锆合金在400°C以上退火后硬度不降反升。该现象与传统认知相悖，其机理一直未明，却直接影响锆合金包壳在停堆干燥阶段以及长期贮存中的力学行为与安全评价。

在锆合金中，辐照主要产生两类位错环：〈a〉型位错环（位于柱面，伯氏矢量 1/3⟨11-20⟩）和〈c〉型位错环（位于基面，伯氏矢量 1/6⟨20-23⟩）。其中，〈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〉位错环在服役温度下非常稳定。由于〈a〉位错环通常被认为是辐照硬化的主要来源，此前学者提出几种假设解释该反常硬化：高温下〈a〉位错环或纳米空洞的短期生长、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。然而，由于辐照缺陷表征的困难以及合金元素作用的复杂性，这些机制尚未得到清晰验证。

研究内容

为澄清该反常硬化的本质机理，西安交通大学联合大阪大学研究人员选用高纯锆（99.9%）排除合金元素干扰，通过原位高温纳米压痕、原位透射电镜退火与原子尺度模拟相结合的手段，系统研究了退火过程中缺陷结构的动态演变及其对力学行为的影响。

研究发现：在500°C退火并冷却至室温后，辐照锆的硬度比400°C退火态提升约25%，与中子辐照锆合金中观察到的反常硬化趋势一致。在400–500°C退火过程中，原本平铺于基面的二维〈c〉型位错环逐渐相互连接，形成具有台阶状连接的三维弯折构型。分子动力学模拟显示，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，逐步构建出台阶连接，最终形成稳定的三维弯折结构。这些三维弯折的〈c〉环通过台阶结构显著阻碍〈a〉型位错的滑移，其强化效果比平面〈c〉环提高约50%，直接导致宏观硬度上升。

研究意义

这一发现不仅解释了锆合金中的反常硬化现象，也为理解其他六方密排结构金属（如钛、镁等）在辐照与退火过程中的行为提供了新思路。从工程角度看，该机理对核用锆合金包壳在停堆、干燥及长期贮存阶段的力学性能预测与安全评估具有重要指导意义。通过调控微观缺陷构型，未来或可进一步优化锆合金的辐照性能与热稳定性，提升反应堆材料的安全裕度与使用寿命。

论文以《Kinked basal dislocation loops for anomalous annealing hardening in irradiated zirconium》为题发表在Acta Materialia, 2025。

全文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121366

图1. 辐照与退火后锆的硬度变化。 (a) 在高真空腔室内使用原位纳米压痕进行硬度测试的方法示意图。左下角插图为纳米压痕后辐照纯锆的扫描电子显微镜图像。(b)离子辐照后的纯锆在400°C和500°C退火30分钟前后的硬度变化。

图2. 平面与三维〈c〉位错环的详细表征。 (a-d) 同一区域内基面〈c〉位错环在不同衍射矢量下的TEM图像。红色和黄色箭头分别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图像。(h) 三维〈c〉位错环台阶高度的高分辨TEM图像。

图3. 三维弯折〈c〉位错环的形成过程。 (a-e) 基于分子动力学模拟得到的两个相邻〈c〉位错环之间的相互作用，导致了弯折〈c〉位错环的形成。 (f) 弯折〈c〉位错环的演化过程示意图。 (g) 400°C时基面〈c〉位错环的高倍TEM图像。(h)在448°C退火后，这些平面〈c〉位错环演变为弯折结构。