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The Role of silicon on solute clustering and embrittlement in highly neutron-irradiated pressurized water reactor surveillance test specimens

高中性子照射された加圧水型原子炉監視試験片における溶質原子のクラスタリング及び脆化に対するSiの役割

高見澤 悠 ; 端 邦樹 ; 西山 裕孝 ; 外山 健*; 永井 康介*

Takamizawa, Hisashi; Hata, Kuniki; Nishiyama, Yutaka; Toyama, Takeshi*; Nagai, Yasuyoshi*

原子炉圧力容器鋼における中性子照射脆化に及ぼすシリコンの影響を明らかにするため、三次元アトムプローブにより、高照射量領域まで中性子照射された監視試験片中の溶質原子クラスタを分析した。高Cu含有材では、Ni, Mn, Siがクラスタ中心のCu原子を囲むように凝集し、コアシェル構造を形成するのに対して、低Cu含有材ではNi, Mn, Siがクラスタ中を均一に分布していた。クラスタ内のCu原子の数はCu含有量の減少と共に減少したが、それを補うようにSi原子数が増加した。材料中の公称のSi含有量の増加とともに、クラスタのギニエ半径は減少し、数密度が増加した。結果として、クラスタの体積率は一定であった。延性脆性遷移温度移行量とクラスタの体積率とギニエ半径の積の平方根が良い相関関係を示すことから、脆化の主要因は、溶質原子クラスタを転位が切断するメカニズムによる硬化であることが示された。また、Si含有量の増加により、クラスタの体積率は一定のままギニエ半径が減少することで脆化の程度を減少させることが示された。

Solute clusters (SCs) formed in pressurized water reactor surveillance test specimens neutron-irradiated to a fluence of 1 $$times$$ 10$$^{20}$$ n/cm$$^{2}$$ were analyzed via atom probe tomography to understand the effect of silicon on solute clustering and irradiation embrittlement of reactor pressure vessel steels. In high-Cu bearing materials, Cu atoms were aggregated at the center of cluster surrounded by the Ni, Mn, and Si atoms like a core-shell structure. In low-Cu bearing materials, Ni, Mn, and Si atoms formed cluster and these solutes were not comprised core-shell structure in SCs. While the number of Cu atoms in clusters was decreased with decreasing nominal Cu content, the number of Si atoms had clearly increased. The cluster radius ($$r$$) and number density ($$N_{d}$$) decreased and increased, respectively, with increasing nominal Si content. The shift in the reference temperature for nil-ductility transition ($$Delta$$RT$$_{NDT}$$) showed a good correlation with the square root of volume fraction ($$V_{f}$$) multiplied by r ($$sqrt{V_{f}times {r}}$$). This suggested that the dislocation cutting through the particles mechanism dominates the precipitation hardening responsible for irradiation embrittlement. The negative relation between the nominal Si content and $$Delta$$RT$$_{NDT}$$ indicated that increasing of nominal Si content reduces the degree of embrittlement.

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