Fundamentals of radiation materials science: metals and alloys
"Radiation Materials Science teaches readers the fundamentals of the effects of radiation on metals and alloys. When energetic particles strike a solid, numerous processes occur that can change the physical and mechanical properties of the material. Metals and alloys represent an important clas...
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| 1. Verfasser: | |
|---|---|
| Format: | Buch |
| Sprache: | English |
| Veröffentlicht: |
Berlin [u.a.]
Springer
2007
|
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis Inhaltstext Inhaltsverzeichnis |
| Zusammenfassung: | "Radiation Materials Science teaches readers the fundamentals of the effects of radiation on metals and alloys. When energetic particles strike a solid, numerous processes occur that can change the physical and mechanical properties of the material. Metals and alloys represent an important class of materials that, by virtue of their use in nuclear reactor cores, are subject to intense radiation fields. Radiation causes metals and alloys to swell, distort, blister, harden, soften and deform. This textbook and reference covers the basics of particle-atom interaction for a range of particle types, the amount and spatial extent of the resulting radiation damage, the physical effects of irradiation and the changes in mechanical behavior of irradiated metals and alloys. Concepts are developed systematically and quantitatively, supported by examples, references for further reading and problems at the end of each chapter. Beyond addressing students enrolling for a materials sciences or nuclear engineering degree, the book will benefit professionals in laboratories, reactor manufacturers and specialists working in the utility industry."--Publisher's description. |
| Beschreibung: | Literaturangaben |
| Beschreibung: | XXII, 827 S. Ill., graph. Darst. |
| ISBN: | 9783540494713 3540494715 |
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| 650 | 4 | |a Métaux, Effets du rayonnement sur les | |
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WWW.SITEMAKER.UMICH.EDU/WAS. PART I RADIATION DAMAGE 1 THE RADIATION
DAMAGE EVENT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . 3 1.1 NEUTRON*NUCLEUS INTERACTIONS . 1.1.1 ELASTIC SCATTERING . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.2 INELASTIC SCATTERING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . 11 1.1.3 (N, 2N) REACTIONS . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.1.4 (N, * )
REACTIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 15 1.2.1 INTERATOMIC POTENTIALS . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.2.2 COLLISION KINEMATICS . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.3
IONIZATION COLLISIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 44 1.3.1 ENERGY LOSS THEORY . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 1.3.2 RANGE
CALCULATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . 57 NOMENCLATURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 PROBLEMS . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . 68 REFERENCES . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 71 2 THE DISPLACEMENT OF ATOMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 73 2.1 ELEMENTARY DISPLACEMENT THEORY .
. . 2.1.1 DISPLACEMENT PROBABILITY. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 74 2.1.2 THE KINCHIN AND PEASE MODEL FOR ATOM
DISPLACEMENTS . . . 75 2.1.3 THE DISPLACEMENT ENERGY . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 2.1.4 THE ELECTRON ENERGY LOSS
LIMIT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 *P DISPLACEMENT
MODEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 2.2.1 CONSIDERATION OF E D
IN THE ENERGY BALANCE . . . . . . . . . . . . . . 85 2.2.2 REALISTIC
ENERGY TRANSFER CROSS SECTIONS . . . . . . . . . . . . . . . 86 2.2.4
EFFECTS OF CRYSTALLINITY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 91 2.3 THE DISPLACEMENT CROSS SECTION . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 2.3.1 ELASTIC SCATTERING . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
2.3.2 INELASTIC SCATTERING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . 107 2.3.3 (N, 2N) AND (N, * ) DISPLACEMENTS . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 2.3.4 MODIFICATIONS TO THE
K*P MODEL AND TOTAL DISPLACEMENT CROSS SECTION . . . . . . . . . . . . .
. . . . . 108 XVI CONTENTS 2.4 DISPLACEMENT RATES . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 2.5
CORRELATION OF PROPERTY CHANGES AND IRRADIATION DOSE . . . . . . . . . .
. . 113 2.6 DISPLACEMENTS FROM CHARGED PARTICLE IRRADIATION . . . . . .
. . . . . . . . . . 115 NOMENCLATURE . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 REFERENCES . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 123 3 THE DAMAGE CASCADE . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 3.1 DISPLACEMENT
MEAN FREE PATH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . 125 3.2 PRIMARY RECOIL SPECTRUM . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 3.3 CASCADE DAMAGE ENERGY AND
CASCADE VOLUME . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 3.4 COMPUTER
SIMULATIONS OF RADIATION DAMAGE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
133 3.4.1 BINARY COLLISION APPROXIMATION (BCA) METHOD . . . . . . . . .
133 3.4.2 MOLECULAR DYNAMICS (MD) METHOD . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . 136 3.4.3 KINETIC MONTE CARLO (KMC) METHOD . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 138 3.5 STAGES OF CASCADE DEVELOPMENT . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 3.6 BEHAVIOR OF DEFECTS
WITHIN THE CASCADE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
NOMENCLATURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 PROBLEMS . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 153 REFERENCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 4
POINT DEFECT FORMATION AND DIFFUSION . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 155 4.1 PROPERTIES OF IRRADIATION-INDUCED DEFECTS . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 4.1.1 INTERSTITIALS . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. 155 4.1.2 MULTIPLE INTERSTITIALS . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . 160 4.1.3 INTERSTITIAL*IMPURITY COMPLEXES .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 4.1.4 VACANCIES . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 162 4.1.5 MULTIPLE VACANCIES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . 162 4.1.6 SOLUTE*DEFECT AND IMPURITY*DEFECT
CLUSTERS . . . . . . . . . . . . 162 4.2 THERMODYNAMICS OF POINT DEFECT
FORMATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 4.3 DIFFUSION OF
POINT DEFECTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 167 4.3.1 MACROSCOPIC DESCRIPTION OF DIFFUSION . . . . . . .
. . . . . . . . . . . 168 4.3.2 MECHANISMS OF DIFFUSION . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 4.3.3 MICROSCOPIC
DESCRIPTION OF DIFFUSION . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 4.3.4
JUMP FREQUENCY, * . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 174 4.3.5 JUMP FREQUENCY, * . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 4.3.6 EQUATIONS FOR D . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
4.4 CORRELATED DIFFUSION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 180 4.5 DIFFUSION IN MULTICOMPONENT
SYSTEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 4.6
DIFFUSION ALONG HIGH DIFFUSIVITY PATHS . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 184 NOMENCLATURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 PROBLEMS
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 REFERENCES . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 190 CONTENTS XVII 5 RADIATION-ENHANCED AND DIFFUSION DEFECT
REACTION RATE THEORY . . . 191 5.1 POINT DEFECT BALANCE EQUATIONS. . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 5.1.1 CASE 1:
LOW TEMPERATURE, LOW SINK DENSITY . . . . . . . . . . . . 194 5.1.2 CASE
2: LOW TEMPERATURE, INTERMEDIATE SINK DENSITY . . . . . 196 5.1.3 CASE
3: LOW TEMPERATURE, HIGH SINK DENSITY . . . . . . . . . . . 197 5.1.4
CASE 4: HIGH TEMPERATURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . 199 5.1.5 PROPERTIES OF THE POINT DEFECT BALANCE EQUATIONS . . .
. . . . . . 201 5.1.6 DEFICIENCIES OF THE SIMPLE POINT DEFECT BALANCE
MODEL . . . 203 5.2 RADIATION-ENHANCED DIFFUSION . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 5.3 DEFECT REACTIONS . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . 206 5.3.1 DEFECT PRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 209 5.3.2 RECOMBINATION . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 5.3.3 LOSS
TO SINKS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 210 5.3.4 SINK STRENGTHS . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 5.4 REACTION
RATE-CONTROLLED PROCESSES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . 211 5.4.1 DEFECT*VOID INTERACTION . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 211 5.4.2 DEFECT*DISLOCATION INTERACTION .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 5.5 DIFFUSION-LIMITED
REACTIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 212 5.5.1 DEFECT*VOID REACTIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . 213 5.5.2 DEFECT*DISLOCATION REACTIONS . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 5.6 MIXED RATE CONTROL . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . 217 5.7 DEFECT*GRAIN BOUNDARY REACTIONS . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 218 5.8 COHERENT PRECIPITATES AND SOLUTES
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
NOMENCLATURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 PROBLEMS . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 223 REFERENCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 PART
II PHYSICAL EFFECTS OF RADIATION DAMAGE 6 RADIATION-INDUCED SEGREGATION
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 6.1
RADIATION-INDUCED SEGREGATION IN CONCENTRATED BINARY ALLOYS . . . . .
233 6.1.1 SOLUTION TO THE COUPLED PARTIAL DIFFERENTIAL EQUATIONS. . . .
. 239 6.1.2 INTERSTITIAL BINDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . 240 6.1.3 SOLUTE SIZE EFFECT . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 6.1.4 EFFECT
OF TEMPERATURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 242 6.1.5 EFFECT OF DOSE RATE . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . 245 6.2 RIS IN TERNARY ALLOYS . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 6.3
EFFECT OF LOCAL COMPOSITION CHANGES ON RIS . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . 250 6.4 EFFECT OF SOLUTES ON RIS . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 6.5 EXAMPLES OF RIS IN
AUSTENITIC ALLOYS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
6.6 RIS IN FERRITIC ALLOYS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 259 NOMENCLATURE . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 263 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 REFERENCES . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . 265 XVIII CONTENTS 7 DISLOCATION
MICROSTRUCTURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 267 7.1 DISLOCATION LINES. . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 7.1.1 DISLOCATION
MOTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. 270 7.1.2 DESCRIPTION OF A DISLOCATION . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 274 7.1.3 DISPLACEMENTS, STRAINS AND STRESSES . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 276 7.1.4 ENERGY OF A DISLOCATION . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 7.1.5 LINE
TENSION OF A DISLOCATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. 281 7.1.6 FORCES ON A DISLOCATION . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . 283 7.1.7 INTERACTIONS BETWEEN DISLOCATIONS . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 7.1.8 EXTENDED DISLOCATIONS .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 7.1.9
KINKS AND JOGS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 294 7.2 FAULTED LOOPS AND STACKING FAULT TETRAHEDRA . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 294 7.3 DEFECT CLUSTERS . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. 298 7.3.1 FRACTION OF DEFECTS FORMING CLUSTERS . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 298 7.3.2 TYPES OF CLUSTERS . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 7.3.3 CLUSTER MOBILITY . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304 7.4
EXTENDED DEFECTS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 306 7.5 EFFECTIVE DEFECT PRODUCTION . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 7.6
NUCLEATION AND GROWTH OF DISLOCATION LOOPS . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . 313 7.6.1 LOOP NUCLEATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 313 7.6.2 CLUSTERING THEORY . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319 7.6.3
PRODUCTION BIAS-DRIVEN CLUSTER NUCLEATION . . . . . . . . . . . . . .
321 7.7 DISLOCATION LOOP GROWTH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 325 7.8 RECOVERY . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. 329 7.9 EVOLUTION OF THE INTERSTITIAL LOOP MICROSTRUCTURE . . . . . .
. . . . . . . . . . 332 NOMENCLATURE . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338 REFERENCES . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 341 8 IRRADIATION-INDUCED VOIDS AND BUBBLES . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343 8.1 VOID NUCLEATION . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . 343 8.1.1 EQUILIBRIUM VOID SIZE DISTRIBUTION . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . 345 8.1.2 VOID NUCLEATION RATE . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348 8.1.3 EFFECT OF INERT
GAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
355 8.1.4 VOID NUCLEATION WITH PRODUCTION BIAS . . . . . . . . . . . . .
. . . . . 362 8.2 VOID GROWTH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365 8.2.1 DEFECT
ABSORPTION RATES AND CONCENTRATIONS AT SINK SURFACES . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366 8.2.2 POINT
DEFECT BALANCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . 370 8.3 VOID GROWTH EQUATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372 8.3.1 TEMPERATURE DEPENDENCE .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377 8.3.2 DOSE
DEPENDENCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . 380 8.3.3 ROLE OF DISLOCATIONS AS BIASED SINKS . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 384 8.3.4 DOSE RATE DEPENDENCE . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385 8.3.5 IRRADIATION VARIABLE
SHIFTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
CONTENTS XIX 8.3.6 STRESS DEPENDENCE . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 393 8.3.7 EFFECT OF RIS . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397 8.3.8
EFFECT OF PRODUCTION BIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 399 8.3.9 VOID LATTICES . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402 8.3.10 EFFECT OF
MICROSTRUCTURE AND COMPOSITION . . . . . . . . . . . . . . 404 8.3.11
EFFECT OF REACTOR OPERATING HISTORY . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 409 8.4 BUBBLE GROWTH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415 8.4.1 BUBBLE MECHANICS . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415
8.4.2 GROWTH LAW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . 418 8.4.3 BUBBLE GROWTH BY DISLOCATION LOOP
PUNCHING . . . . . . . . . . . 421 8.4.4 BUBBLE LATTICES . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422 8.4.5
HELIUM PRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 423 NOMENCLATURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423 PROBLEMS .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 427 REFERENCES . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . 430 9 PHASE STABILITY UNDER IRRADIATION . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433 9.1 RADIATION-INDUCED
SEGREGATION AND RADIATION-INDUCED PRECIPITATION . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 433 9.2 RECOIL DISSOLUTION . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436
9.3 RADIATION DISORDERING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 445 9.4 INCOHERENT PRECIPITATE
NUCLEATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450
9.5 COHERENT PRECIPITATE NUCLEATION . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . 455 9.6 METASTABLE PHASES . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460 9.6.1
ORDER*DISORDER TRANSFORMATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. 461 9.6.2 CRYSTAL STRUCTURE TRANSFORMATIONS . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 461 9.6.3 QUASICRYSTAL FORMATION . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 463 9.7 AMORPHIZATION . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 463 9.7.1 HEAT OF COMPOUND FORMATION AND CRYSTAL STRUCTURE
DIFFERENCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464 9.7.2
SOLUBILITY RANGE OF COMPOUNDS AND CRITICAL DEFECT DENSITY . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467 9.7.3 THERMODYNAMICS AND
KINETICS OF AMORPHIZATION . . . . . . . . 470 9.8 PHASE STABILITY IN
REACTOR CORE COMPONENT ALLOYS . . . . . . . . . . . . . . 480
NOMENCLATURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484 PROBLEMS . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 487 REFERENCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488 10
UNIQUE EFFECTS OF ION IRRADIATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . 491 10.1 ION IRRADIATION TECHNIQUES . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491 10.2
COMPOSITION CHANGES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . 494 10.2.1 SPUTTERING . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495 10.2.2
GIBBSIAN ADSORPTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 501 10.2.3 RECOIL IMPLANTATION . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 503 10.2.4 CASCADE (ISOTROPIC,
DISPLACEMENT) MIXING . . . . . . . . . . . . . . 506 XX CONTENTS 10.2.5
COMBINATION OF PROCESSES AFFECTING SURFACE COMPOSITIONAL CHANGES . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 518 10.2.6 IMPLANT
RE-DISTRIBUTION DURING ION IMPLANTATION . . . . . . . . 522 10.3 OTHER
EFFECTS OF ION IMPLANTATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 525 10.3.1 GRAIN GROWTH . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525 10.3.2 TEXTURE . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 527 10.3.3 DISLOCATION MICROSTRUCTURE . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . 528 10.4 HIGH DOSE GAS LOADING: BLISTERING AND
EXFOILATION . . . . . . . . . . . . . . 530 10.5 SOLID PHASES AND INERT
GAS BUBBLE LATTICES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535
NOMENCLATURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 537 PROBLEMS . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 540 REFERENCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543 11
SIMULATION OF NEUTRON IRRADIATION EFFECTS WITH IONS . . . . . . . . . .
. . . . 545 11.1 MOTIVATION FOR USING ION IRRADIATION AS A SURROGATE FOR
NEUTRON IRRADIATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . 545 11.2 REVIEW OF ASPECTS OF RADIATION DAMAGE
RELEVANT TO ION IRRADIATION 547 11.3 PARTICLE TYPE DEPENDENCE OF RIS . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 550 11.4
ADVANTAGES AND DISADVANTAGES OF THE VARIOUS PARTICLE TYPES . . . . . .
557 11.4.1 ELECTRONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 558 11.4.2 HEAVY IONS . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562 11.4.3
PROTONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . 564 11.5 IRRADIATION PARAMETERS FOR PARTICLE
IRRADIATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565 11.6 EMULATION OF
NEUTRON IRRADIATION DAMAGE WITH PROTON IRRADIATION . . 567 NOMENCLATURE
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . 574 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 575 REFERENCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 576 PART III
MECHANICAL EFFECTS OF RADIATION DAMAGE 12 IRRADIATION HARDENING AND
DEFORMATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 581 12.1
ELASTIC AND PLASTIC DEFORMATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . 581 12.1.1 ELASTICITY . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 581 12.1.2
PLASTICITY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . 587 12.1.3 TENSION TEST . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 589 12.1.4 YIELD
STRENGTH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 592 12.2 IRRADIATION HARDENING . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594 12.2.1 SOURCE
HARDENING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . 595 12.2.2 FRICTION HARDENING . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 597 12.2.3 SUPERPOSITION OF HARDENING
MECHANISMS . . . . . . . . . . . . . . . 606 12.2.4 HARDENING IN
POLYCRYSTALS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 612
12.2.5 SATURATION OF IRRADIATION HARDENING . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . 613 12.2.6 COMPARISON OF MEASURED AND PREDICTED HARDENING . .
. . . . . 617 12.2.7 RADIATION ANNEAL HARDENING . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . 620 CONTENTS XXI 12.2.8 THE CORRELATION
BETWEEN HARDNESS AND YIELD STRENGTH . . . . 622 12.3 DEFORMATION IN
IRRADIATED METALS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 626 12.3.1 DEFORMATION MECHANISM MAPS . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 630 12.3.2 LOCALIZED DEFORMATION . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 632 NOMENCLATURE . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . 636 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 638 REFERENCES
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 640 13 FRACTURE AND EMBRITTLEMENT . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 643 13.1
TYPES OF FRACTURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 643 13.2 THE COHESIVE STRENGTH OF METALS
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644 13.3
FRACTURE MECHANICS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . 647 13.4 FRACTURE MECHANICS TESTS . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 653 13.5
ELASTIC-PLASTIC FRACTURE MECHANICS . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 655 13.6 BRITTLE FRACTURE. . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 658 13.7
IRRADIATION-INDUCED EMBRITTLEMENT IN FERRITIC STEELS . . . . . . . . . .
. . . 664 13.7.1 NOTCHED BAR IMPACT TESTING . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . 664 13.7.2 DBTT AND REDUCTION IN THE UPPER SHELF
ENERGY . . . . . . . . . 666 13.7.3 MASTER CURVE APPROACH . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 669 13.7.4 FACTORS
AFFECTING THE DEGREE OF EMBRITTLEMENT. . . . . . . . . . . 673 13.7.5
EMBRITTLEMENT OF FERRITIC-MARTENSITIC STEELS . . . . . . . . . . . . .
677 13.7.6 ANNEALING AND RE-IRRADIATION . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 678 13.7.7 FATIGUE . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 679 13.8 FRACTURE
AND FATIGUE OF AUSTENITIC ALLOYS AT LOW TO INTERMEDIATE TEMPERATURES . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 685 13.8.1
EFFECT OF IRRADIATION ON FRACTURE TOUGHNESS . . . . . . . . . . . . .
686 13.8.2 EFFECT OF IRRADIATION ON FATIGUE . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 689 13.9 HIGH-TEMPERATURE EMBRITTLEMENT . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 690 13.9.1 GRAIN BOUNDARY
VOIDS AND BUBBLES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 692 13.9.2
GRAIN BOUNDARY SLIDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . 697 13.9.3 GRAIN BOUNDARY CRACK GROWTH . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . 700 13.9.4 FRACTURE MECHANISM MAPS . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 703 NOMENCLATURE . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 703 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 705
REFERENCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 707 14 IRRADIATION CREEP AND
GROWTH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
711 14.1 THERMAL CREEP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 712 14.1.1 DISLOCATION CREEP . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 716
14.1.2 DIFFUSIONAL CREEP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . 723 14.2 IRRADIATION CREEP . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 725 14.2.1
STRESS-INDUCED PREFERENTIAL NUCLEATION OF LOOPS (SIPN) . . . 726 14.2.2
STRESS-INDUCED PREFERENTIAL ABSORPTION (SIPA) . . . . . . . . . . . 729
14.2.3 CLIMB AND GLIDE DUE TO PREFERENTIAL ABSORPTION (PAG) . . . . 731
14.2.4 CLIMB AND GLIDE DRIVEN BY DISLOCATION BIAS . . . . . . . . . . .
. 733 XXII CONTENTS 14.2.5 TRANSIENT CREEP . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 734 14.2.6 LOOP UNFAULTING .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
738 14.2.7 RECOVERY CREEP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . 739 14.2.8 DIFFUSIONAL CREEP: WHY THERE IS NO
EFFECT OF IRRADIATION . . 740 14.2.9 COMPARISON OF THEORY WITH CREEP
DATA . . . . . . . . . . . . . . . . 741 14.2.10 IRRADIATION-MODIFIED
DEFORMATION MECHANISM MAP. . . . . . . 744 14.3 IRRADIATION GROWTH AND
CREEP IN ZIRCONIUM ALLOYS . . . . . . . . . . . . . . . 746 14.3.1
MICROSTRUCTURE OF IRRADIATED ZIRCONIUM ALLOYS . . . . . . . . . . . 747
14.3.2 IRRADIATION GROWTH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . 750 14.3.3 IRRADIATION CREEP . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 753 NOMENCLATURE . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . 758 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
760 REFERENCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 762 15 ENVIRONMENTALLY
ASSISTED CRACKING OF IRRADIATED METALS AND ALLOYS . 765 15.1 STRESS
CORROSION CRACKING: A TUTORIAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . 768 15.1.1 SCC TESTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 770 15.1.2 SCC PROCESSES . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 772
15.1.3 METALLURGICAL CONDITION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 774 15.1.4 CRACK INITIATION AND CRACK PROPAGATION . .
. . . . . . . . . . . . . . . 774 15.1.5 MECHANISMS OF STRESS CORROSION
CRACKING . . . . . . . . . . . . . . 783 15.1.6 PREDICTIVE MODEL FOR
CRACK PROPAGATION . . . . . . . . . . . . . . . . 786 15.1.7 MECHANICAL
FRACTURE MODELS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 788
15.1.8 CORROSION FATIGUE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . 790 15.1.9 HYDROGEN EMBRITTLEMENT . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 790 15.2 EFFECTS OF
IRRADIATION ON WATER CHEMISTRY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. 791 15.2.1 RADIOLYSIS AND ITS EFFECT ON CORROSION POTENTIAL . . . . .
. . . . . 791 15.2.2 EFFECT OF CORROSION POTENTIAL ON IASCC . . . . . .
. . . . . . . . . . 794 15.3 SERVICE AND LABORATORY OBSERVATIONS OF
IRRADIATION EFFECTS ON SCC . 797 15.3.1 AUSTENITIC ALLOYS . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 797 15.3.2
FERRITIC ALLOYS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 802 15.4 MECHANISMS OF IASCC . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 805 15.4.1 GRAIN
BOUNDARY CHROMIUM DEPLETION . . . . . . . . . . . . . . . . . . 805
15.4.2 IRRADIATION HARDENING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 806 15.4.3 DEFORMATION MODE . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 807 15.4.4 SELECTIVE
INTERNAL OXIDATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
809 15.4.5 IRRADIATION-INDUCED CREEP . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 809 NOMENCLATURE . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 809
PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 811 REFERENCES . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 812 INDEX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. 815 |
| adam_txt |
CONTENTS MOVIES ACCOMPANYING THE TEXT ARE LOCATED AT:
WWW.SITEMAKER.UMICH.EDU/WAS. PART I RADIATION DAMAGE 1 THE RADIATION
DAMAGE EVENT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . 3 1.1 NEUTRON*NUCLEUS INTERACTIONS . 1.1.1 ELASTIC SCATTERING . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.2 INELASTIC SCATTERING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . 11 1.1.3 (N, 2N) REACTIONS . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.1.4 (N, * )
REACTIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 15 1.2.1 INTERATOMIC POTENTIALS . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.2.2 COLLISION KINEMATICS . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.3
IONIZATION COLLISIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 44 1.3.1 ENERGY LOSS THEORY . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 1.3.2 RANGE
CALCULATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . 57 NOMENCLATURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 PROBLEMS . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . 68 REFERENCES . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 71 2 THE DISPLACEMENT OF ATOMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 73 2.1 ELEMENTARY DISPLACEMENT THEORY .
. . 2.1.1 DISPLACEMENT PROBABILITY. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 74 2.1.2 THE KINCHIN AND PEASE MODEL FOR ATOM
DISPLACEMENTS . . . 75 2.1.3 THE DISPLACEMENT ENERGY . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 2.1.4 THE ELECTRON ENERGY LOSS
LIMIT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 *P DISPLACEMENT
MODEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 2.2.1 CONSIDERATION OF E D
IN THE ENERGY BALANCE . . . . . . . . . . . . . . 85 2.2.2 REALISTIC
ENERGY TRANSFER CROSS SECTIONS . . . . . . . . . . . . . . . 86 2.2.4
EFFECTS OF CRYSTALLINITY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 91 2.3 THE DISPLACEMENT CROSS SECTION . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 2.3.1 ELASTIC SCATTERING . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
2.3.2 INELASTIC SCATTERING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . 107 2.3.3 (N, 2N) AND (N, * ) DISPLACEMENTS . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 2.3.4 MODIFICATIONS TO THE
K*P MODEL AND TOTAL DISPLACEMENT CROSS SECTION . . . . . . . . . . . . .
. . . . . 108 XVI CONTENTS 2.4 DISPLACEMENT RATES . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 2.5
CORRELATION OF PROPERTY CHANGES AND IRRADIATION DOSE . . . . . . . . . .
. . 113 2.6 DISPLACEMENTS FROM CHARGED PARTICLE IRRADIATION . . . . . .
. . . . . . . . . . 115 NOMENCLATURE . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 REFERENCES . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 123 3 THE DAMAGE CASCADE . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 3.1 DISPLACEMENT
MEAN FREE PATH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . 125 3.2 PRIMARY RECOIL SPECTRUM . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 3.3 CASCADE DAMAGE ENERGY AND
CASCADE VOLUME . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 3.4 COMPUTER
SIMULATIONS OF RADIATION DAMAGE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
133 3.4.1 BINARY COLLISION APPROXIMATION (BCA) METHOD . . . . . . . . .
133 3.4.2 MOLECULAR DYNAMICS (MD) METHOD . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . 136 3.4.3 KINETIC MONTE CARLO (KMC) METHOD . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 138 3.5 STAGES OF CASCADE DEVELOPMENT . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 3.6 BEHAVIOR OF DEFECTS
WITHIN THE CASCADE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
NOMENCLATURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 PROBLEMS . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 153 REFERENCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 4
POINT DEFECT FORMATION AND DIFFUSION . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 155 4.1 PROPERTIES OF IRRADIATION-INDUCED DEFECTS . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 4.1.1 INTERSTITIALS . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. 155 4.1.2 MULTIPLE INTERSTITIALS . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . 160 4.1.3 INTERSTITIAL*IMPURITY COMPLEXES .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 4.1.4 VACANCIES . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 162 4.1.5 MULTIPLE VACANCIES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . 162 4.1.6 SOLUTE*DEFECT AND IMPURITY*DEFECT
CLUSTERS . . . . . . . . . . . . 162 4.2 THERMODYNAMICS OF POINT DEFECT
FORMATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 4.3 DIFFUSION OF
POINT DEFECTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 167 4.3.1 MACROSCOPIC DESCRIPTION OF DIFFUSION . . . . . . .
. . . . . . . . . . . 168 4.3.2 MECHANISMS OF DIFFUSION . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 4.3.3 MICROSCOPIC
DESCRIPTION OF DIFFUSION . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 4.3.4
JUMP FREQUENCY, * . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 174 4.3.5 JUMP FREQUENCY, * . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 4.3.6 EQUATIONS FOR D . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
4.4 CORRELATED DIFFUSION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 180 4.5 DIFFUSION IN MULTICOMPONENT
SYSTEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 4.6
DIFFUSION ALONG HIGH DIFFUSIVITY PATHS . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 184 NOMENCLATURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 PROBLEMS
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 REFERENCES . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 190 CONTENTS XVII 5 RADIATION-ENHANCED AND DIFFUSION DEFECT
REACTION RATE THEORY . . . 191 5.1 POINT DEFECT BALANCE EQUATIONS. . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 5.1.1 CASE 1:
LOW TEMPERATURE, LOW SINK DENSITY . . . . . . . . . . . . 194 5.1.2 CASE
2: LOW TEMPERATURE, INTERMEDIATE SINK DENSITY . . . . . 196 5.1.3 CASE
3: LOW TEMPERATURE, HIGH SINK DENSITY . . . . . . . . . . . 197 5.1.4
CASE 4: HIGH TEMPERATURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . 199 5.1.5 PROPERTIES OF THE POINT DEFECT BALANCE EQUATIONS . . .
. . . . . . 201 5.1.6 DEFICIENCIES OF THE SIMPLE POINT DEFECT BALANCE
MODEL . . . 203 5.2 RADIATION-ENHANCED DIFFUSION . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 5.3 DEFECT REACTIONS . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . 206 5.3.1 DEFECT PRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 209 5.3.2 RECOMBINATION . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 5.3.3 LOSS
TO SINKS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 210 5.3.4 SINK STRENGTHS . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 5.4 REACTION
RATE-CONTROLLED PROCESSES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . 211 5.4.1 DEFECT*VOID INTERACTION . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 211 5.4.2 DEFECT*DISLOCATION INTERACTION .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 5.5 DIFFUSION-LIMITED
REACTIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 212 5.5.1 DEFECT*VOID REACTIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . 213 5.5.2 DEFECT*DISLOCATION REACTIONS . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 5.6 MIXED RATE CONTROL . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . 217 5.7 DEFECT*GRAIN BOUNDARY REACTIONS . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 218 5.8 COHERENT PRECIPITATES AND SOLUTES
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
NOMENCLATURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 PROBLEMS . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 223 REFERENCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 PART
II PHYSICAL EFFECTS OF RADIATION DAMAGE 6 RADIATION-INDUCED SEGREGATION
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 6.1
RADIATION-INDUCED SEGREGATION IN CONCENTRATED BINARY ALLOYS . . . . .
233 6.1.1 SOLUTION TO THE COUPLED PARTIAL DIFFERENTIAL EQUATIONS. . . .
. 239 6.1.2 INTERSTITIAL BINDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . 240 6.1.3 SOLUTE SIZE EFFECT . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 6.1.4 EFFECT
OF TEMPERATURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 242 6.1.5 EFFECT OF DOSE RATE . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . 245 6.2 RIS IN TERNARY ALLOYS . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 6.3
EFFECT OF LOCAL COMPOSITION CHANGES ON RIS . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . 250 6.4 EFFECT OF SOLUTES ON RIS . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 6.5 EXAMPLES OF RIS IN
AUSTENITIC ALLOYS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
6.6 RIS IN FERRITIC ALLOYS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 259 NOMENCLATURE . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 263 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 REFERENCES . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . 265 XVIII CONTENTS 7 DISLOCATION
MICROSTRUCTURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 267 7.1 DISLOCATION LINES. . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 7.1.1 DISLOCATION
MOTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. 270 7.1.2 DESCRIPTION OF A DISLOCATION . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 274 7.1.3 DISPLACEMENTS, STRAINS AND STRESSES . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 276 7.1.4 ENERGY OF A DISLOCATION . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 7.1.5 LINE
TENSION OF A DISLOCATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. 281 7.1.6 FORCES ON A DISLOCATION . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . 283 7.1.7 INTERACTIONS BETWEEN DISLOCATIONS . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 7.1.8 EXTENDED DISLOCATIONS .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 7.1.9
KINKS AND JOGS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 294 7.2 FAULTED LOOPS AND STACKING FAULT TETRAHEDRA . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 294 7.3 DEFECT CLUSTERS . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. 298 7.3.1 FRACTION OF DEFECTS FORMING CLUSTERS . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 298 7.3.2 TYPES OF CLUSTERS . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 7.3.3 CLUSTER MOBILITY . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304 7.4
EXTENDED DEFECTS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 306 7.5 EFFECTIVE DEFECT PRODUCTION . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 7.6
NUCLEATION AND GROWTH OF DISLOCATION LOOPS . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . 313 7.6.1 LOOP NUCLEATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 313 7.6.2 CLUSTERING THEORY . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319 7.6.3
PRODUCTION BIAS-DRIVEN CLUSTER NUCLEATION . . . . . . . . . . . . . .
321 7.7 DISLOCATION LOOP GROWTH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 325 7.8 RECOVERY . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. 329 7.9 EVOLUTION OF THE INTERSTITIAL LOOP MICROSTRUCTURE . . . . . .
. . . . . . . . . . 332 NOMENCLATURE . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338 REFERENCES . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 341 8 IRRADIATION-INDUCED VOIDS AND BUBBLES . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343 8.1 VOID NUCLEATION . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . 343 8.1.1 EQUILIBRIUM VOID SIZE DISTRIBUTION . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . 345 8.1.2 VOID NUCLEATION RATE . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348 8.1.3 EFFECT OF INERT
GAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
355 8.1.4 VOID NUCLEATION WITH PRODUCTION BIAS . . . . . . . . . . . . .
. . . . . 362 8.2 VOID GROWTH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365 8.2.1 DEFECT
ABSORPTION RATES AND CONCENTRATIONS AT SINK SURFACES . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366 8.2.2 POINT
DEFECT BALANCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . 370 8.3 VOID GROWTH EQUATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372 8.3.1 TEMPERATURE DEPENDENCE .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377 8.3.2 DOSE
DEPENDENCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . 380 8.3.3 ROLE OF DISLOCATIONS AS BIASED SINKS . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 384 8.3.4 DOSE RATE DEPENDENCE . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385 8.3.5 IRRADIATION VARIABLE
SHIFTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
CONTENTS XIX 8.3.6 STRESS DEPENDENCE . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 393 8.3.7 EFFECT OF RIS . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397 8.3.8
EFFECT OF PRODUCTION BIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 399 8.3.9 VOID LATTICES . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402 8.3.10 EFFECT OF
MICROSTRUCTURE AND COMPOSITION . . . . . . . . . . . . . . 404 8.3.11
EFFECT OF REACTOR OPERATING HISTORY . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 409 8.4 BUBBLE GROWTH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415 8.4.1 BUBBLE MECHANICS . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415
8.4.2 GROWTH LAW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . 418 8.4.3 BUBBLE GROWTH BY DISLOCATION LOOP
PUNCHING . . . . . . . . . . . 421 8.4.4 BUBBLE LATTICES . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422 8.4.5
HELIUM PRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 423 NOMENCLATURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423 PROBLEMS .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 427 REFERENCES . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . 430 9 PHASE STABILITY UNDER IRRADIATION . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433 9.1 RADIATION-INDUCED
SEGREGATION AND RADIATION-INDUCED PRECIPITATION . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 433 9.2 RECOIL DISSOLUTION . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436
9.3 RADIATION DISORDERING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 445 9.4 INCOHERENT PRECIPITATE
NUCLEATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450
9.5 COHERENT PRECIPITATE NUCLEATION . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . 455 9.6 METASTABLE PHASES . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460 9.6.1
ORDER*DISORDER TRANSFORMATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. 461 9.6.2 CRYSTAL STRUCTURE TRANSFORMATIONS . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 461 9.6.3 QUASICRYSTAL FORMATION . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 463 9.7 AMORPHIZATION . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 463 9.7.1 HEAT OF COMPOUND FORMATION AND CRYSTAL STRUCTURE
DIFFERENCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464 9.7.2
SOLUBILITY RANGE OF COMPOUNDS AND CRITICAL DEFECT DENSITY . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467 9.7.3 THERMODYNAMICS AND
KINETICS OF AMORPHIZATION . . . . . . . . 470 9.8 PHASE STABILITY IN
REACTOR CORE COMPONENT ALLOYS . . . . . . . . . . . . . . 480
NOMENCLATURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484 PROBLEMS . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 487 REFERENCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488 10
UNIQUE EFFECTS OF ION IRRADIATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . 491 10.1 ION IRRADIATION TECHNIQUES . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491 10.2
COMPOSITION CHANGES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . 494 10.2.1 SPUTTERING . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495 10.2.2
GIBBSIAN ADSORPTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 501 10.2.3 RECOIL IMPLANTATION . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 503 10.2.4 CASCADE (ISOTROPIC,
DISPLACEMENT) MIXING . . . . . . . . . . . . . . 506 XX CONTENTS 10.2.5
COMBINATION OF PROCESSES AFFECTING SURFACE COMPOSITIONAL CHANGES . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 518 10.2.6 IMPLANT
RE-DISTRIBUTION DURING ION IMPLANTATION . . . . . . . . 522 10.3 OTHER
EFFECTS OF ION IMPLANTATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 525 10.3.1 GRAIN GROWTH . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525 10.3.2 TEXTURE . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 527 10.3.3 DISLOCATION MICROSTRUCTURE . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . 528 10.4 HIGH DOSE GAS LOADING: BLISTERING AND
EXFOILATION . . . . . . . . . . . . . . 530 10.5 SOLID PHASES AND INERT
GAS BUBBLE LATTICES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535
NOMENCLATURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 537 PROBLEMS . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 540 REFERENCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543 11
SIMULATION OF NEUTRON IRRADIATION EFFECTS WITH IONS . . . . . . . . . .
. . . . 545 11.1 MOTIVATION FOR USING ION IRRADIATION AS A SURROGATE FOR
NEUTRON IRRADIATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . 545 11.2 REVIEW OF ASPECTS OF RADIATION DAMAGE
RELEVANT TO ION IRRADIATION 547 11.3 PARTICLE TYPE DEPENDENCE OF RIS . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 550 11.4
ADVANTAGES AND DISADVANTAGES OF THE VARIOUS PARTICLE TYPES . . . . . .
557 11.4.1 ELECTRONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 558 11.4.2 HEAVY IONS . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562 11.4.3
PROTONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . 564 11.5 IRRADIATION PARAMETERS FOR PARTICLE
IRRADIATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565 11.6 EMULATION OF
NEUTRON IRRADIATION DAMAGE WITH PROTON IRRADIATION . . 567 NOMENCLATURE
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . 574 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 575 REFERENCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 576 PART III
MECHANICAL EFFECTS OF RADIATION DAMAGE 12 IRRADIATION HARDENING AND
DEFORMATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 581 12.1
ELASTIC AND PLASTIC DEFORMATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . 581 12.1.1 ELASTICITY . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 581 12.1.2
PLASTICITY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . 587 12.1.3 TENSION TEST . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 589 12.1.4 YIELD
STRENGTH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 592 12.2 IRRADIATION HARDENING . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594 12.2.1 SOURCE
HARDENING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . 595 12.2.2 FRICTION HARDENING . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 597 12.2.3 SUPERPOSITION OF HARDENING
MECHANISMS . . . . . . . . . . . . . . . 606 12.2.4 HARDENING IN
POLYCRYSTALS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 612
12.2.5 SATURATION OF IRRADIATION HARDENING . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . 613 12.2.6 COMPARISON OF MEASURED AND PREDICTED HARDENING . .
. . . . . 617 12.2.7 RADIATION ANNEAL HARDENING . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . 620 CONTENTS XXI 12.2.8 THE CORRELATION
BETWEEN HARDNESS AND YIELD STRENGTH . . . . 622 12.3 DEFORMATION IN
IRRADIATED METALS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 626 12.3.1 DEFORMATION MECHANISM MAPS . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 630 12.3.2 LOCALIZED DEFORMATION . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 632 NOMENCLATURE . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . 636 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 638 REFERENCES
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 640 13 FRACTURE AND EMBRITTLEMENT . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 643 13.1
TYPES OF FRACTURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 643 13.2 THE COHESIVE STRENGTH OF METALS
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644 13.3
FRACTURE MECHANICS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . 647 13.4 FRACTURE MECHANICS TESTS . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 653 13.5
ELASTIC-PLASTIC FRACTURE MECHANICS . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 655 13.6 BRITTLE FRACTURE. . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 658 13.7
IRRADIATION-INDUCED EMBRITTLEMENT IN FERRITIC STEELS . . . . . . . . . .
. . . 664 13.7.1 NOTCHED BAR IMPACT TESTING . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . 664 13.7.2 DBTT AND REDUCTION IN THE UPPER SHELF
ENERGY . . . . . . . . . 666 13.7.3 MASTER CURVE APPROACH . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 669 13.7.4 FACTORS
AFFECTING THE DEGREE OF EMBRITTLEMENT. . . . . . . . . . . 673 13.7.5
EMBRITTLEMENT OF FERRITIC-MARTENSITIC STEELS . . . . . . . . . . . . .
677 13.7.6 ANNEALING AND RE-IRRADIATION . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 678 13.7.7 FATIGUE . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 679 13.8 FRACTURE
AND FATIGUE OF AUSTENITIC ALLOYS AT LOW TO INTERMEDIATE TEMPERATURES . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 685 13.8.1
EFFECT OF IRRADIATION ON FRACTURE TOUGHNESS . . . . . . . . . . . . .
686 13.8.2 EFFECT OF IRRADIATION ON FATIGUE . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 689 13.9 HIGH-TEMPERATURE EMBRITTLEMENT . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 690 13.9.1 GRAIN BOUNDARY
VOIDS AND BUBBLES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 692 13.9.2
GRAIN BOUNDARY SLIDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . 697 13.9.3 GRAIN BOUNDARY CRACK GROWTH . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . 700 13.9.4 FRACTURE MECHANISM MAPS . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 703 NOMENCLATURE . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 703 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 705
REFERENCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 707 14 IRRADIATION CREEP AND
GROWTH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
711 14.1 THERMAL CREEP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 712 14.1.1 DISLOCATION CREEP . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 716
14.1.2 DIFFUSIONAL CREEP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . 723 14.2 IRRADIATION CREEP . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 725 14.2.1
STRESS-INDUCED PREFERENTIAL NUCLEATION OF LOOPS (SIPN) . . . 726 14.2.2
STRESS-INDUCED PREFERENTIAL ABSORPTION (SIPA) . . . . . . . . . . . 729
14.2.3 CLIMB AND GLIDE DUE TO PREFERENTIAL ABSORPTION (PAG) . . . . 731
14.2.4 CLIMB AND GLIDE DRIVEN BY DISLOCATION BIAS . . . . . . . . . . .
. 733 XXII CONTENTS 14.2.5 TRANSIENT CREEP . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 734 14.2.6 LOOP UNFAULTING .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
738 14.2.7 RECOVERY CREEP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . 739 14.2.8 DIFFUSIONAL CREEP: WHY THERE IS NO
EFFECT OF IRRADIATION . . 740 14.2.9 COMPARISON OF THEORY WITH CREEP
DATA . . . . . . . . . . . . . . . . 741 14.2.10 IRRADIATION-MODIFIED
DEFORMATION MECHANISM MAP. . . . . . . 744 14.3 IRRADIATION GROWTH AND
CREEP IN ZIRCONIUM ALLOYS . . . . . . . . . . . . . . . 746 14.3.1
MICROSTRUCTURE OF IRRADIATED ZIRCONIUM ALLOYS . . . . . . . . . . . 747
14.3.2 IRRADIATION GROWTH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . 750 14.3.3 IRRADIATION CREEP . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 753 NOMENCLATURE . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . 758 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
760 REFERENCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 762 15 ENVIRONMENTALLY
ASSISTED CRACKING OF IRRADIATED METALS AND ALLOYS . 765 15.1 STRESS
CORROSION CRACKING: A TUTORIAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . 768 15.1.1 SCC TESTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 770 15.1.2 SCC PROCESSES . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 772
15.1.3 METALLURGICAL CONDITION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 774 15.1.4 CRACK INITIATION AND CRACK PROPAGATION . .
. . . . . . . . . . . . . . . 774 15.1.5 MECHANISMS OF STRESS CORROSION
CRACKING . . . . . . . . . . . . . . 783 15.1.6 PREDICTIVE MODEL FOR
CRACK PROPAGATION . . . . . . . . . . . . . . . . 786 15.1.7 MECHANICAL
FRACTURE MODELS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 788
15.1.8 CORROSION FATIGUE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . 790 15.1.9 HYDROGEN EMBRITTLEMENT . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 790 15.2 EFFECTS OF
IRRADIATION ON WATER CHEMISTRY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. 791 15.2.1 RADIOLYSIS AND ITS EFFECT ON CORROSION POTENTIAL . . . . .
. . . . . 791 15.2.2 EFFECT OF CORROSION POTENTIAL ON IASCC . . . . . .
. . . . . . . . . . 794 15.3 SERVICE AND LABORATORY OBSERVATIONS OF
IRRADIATION EFFECTS ON SCC . 797 15.3.1 AUSTENITIC ALLOYS . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 797 15.3.2
FERRITIC ALLOYS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 802 15.4 MECHANISMS OF IASCC . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 805 15.4.1 GRAIN
BOUNDARY CHROMIUM DEPLETION . . . . . . . . . . . . . . . . . . 805
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809 15.4.5 IRRADIATION-INDUCED CREEP . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 809 NOMENCLATURE . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 809
PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 811 REFERENCES . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 812 INDEX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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