이온조사한 Fe-Cr 합금의 나노역학특성 평가

Abstract

미래형 원자력 재료를 개발하는 과정에서 고선량 중성자에 노출된 재료의 기계적 물성은 주된 관심 대상이다. 본 연구에서는 페라이트/마르텐사이트 강의 모델 합금으로 널리 사용되는 Fe-12Cr 합금을 상온에서 8 MeV의 Fe4+으로 조사시켜 조사 손상량이 다른 세 개의 시편을 제작하였다. 모든 조사 시편에서 2.3 μm정도 두께의 조사층이 형성되었고 최대 조사 선량은 각각 0.54, 2.69, 6.45 dpa이다. 얇은 조사층의 기계적 물성을 평가하기 위해 나노압입시험을 수행하였으며 깊이에 따라 달라지는 조사 선량 분포와 조사층 하부 비조사 영역의 영향을 고려한 해석을 위해 다음과 같은 과정을 거쳤다. 먼저 분산 장애물 강화이론을 바탕으로 조사 선량과 항복 강도 사이의 관계 결정하였고, 조사 선량 분포곡선을 따라 깊이에 따른 항복강도를 구하였다. 앞서 구한 항복강도를 Johnson 모델에 적용하여 조사 시편에 발생한 소성역을 특정하고 그 부피를 계산하였으며, 마지막으로 조사 영역과 비조사 영역에 발생한 소성역의 부피 분율을 혼합율 법칙에 적용하여 조사 영역만의 경도를 평가하였다. 추가적으로 원자간힘현미경과 주사전자현미경을 이용해 나노압입시험 후 남아 있는 압흔을 관찰하고 조사 전후 압흔 형태의 변화를 비교, 분석하였다.|The mechanical behavior of materials exposed to high doses of irradiation is of great interest for the development of next-generation nuclear materials. In the present study, the Fe-12Cr alloy, a widely used model alloy of ferritic/martensitic steel, was irradiated with 8 MeV Fe4+ ions at room temperature, resulting in ~2.3 μm-thick damage layers having three different maximum doses of 0.54, 2.69, 6.45 dpa. Nanoindentation tests were performed to evaluate the irradiation-induced hardness variation. For precisely interpreting the results, it is required to consider both dose profile within the irradiated layer and the influence of the unirradiated region on the experimental results. Therefore, in order to properly extract the hardness of only-irradiated layer from the nanoindentation results, a new procedure is suggested in this study on the basis of volume fraction of irradiated layer in the indentation-induced plastic zone and the possible change in yield strength within the layer. The reasonable results were obtained from the suggested procedure, which may validate its usefulness in the investigation of real effect of irradiation on the mechanical behavior of future nuclear materials.; The mechanical behavior of materials exposed to high doses of irradiation is of great interest for the development of next-generation nuclear materials. In the present study, the Fe-12Cr alloy, a widely used model alloy of ferritic/martensitic steel, was irradiated with 8 MeV Fe4+ ions at room temperature, resulting in ~2.3 μm-thick damage layers having three different maximum doses of 0.54, 2.69, 6.45 dpa. Nanoindentation tests were performed to evaluate the irradiation-induced hardness variation. For precisely interpreting the results, it is required to consider both dose profile within the irradiated layer and the influence of the unirradiated region on the experimental results. Therefore, in order to properly extract the hardness of only-irradiated layer from the nanoindentation results, a new procedure is suggested in this study on the basis of volume fraction of irradiated layer in the indentation-induced plastic zone and the possible change in yield strength within the layer. The reasonable results were obtained from the suggested procedure, which may validate its usefulness in the investigation of real effect of irradiation on the mechanical behavior of future nuclear materials.