Verfügbarkeit: Fundamentals of radiation materials science

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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Bibliographische Detailangaben
1. Verfasser:	Was, Gary S. (VerfasserIn)
Format:	Buch
Sprache:	English
Veröffentlicht:	Berlin [u.a.] Springer 2007
Schlagworte:	Alliages, Effets du rayonnement sur les Métaux, Effets du rayonnement sur les Metals > Effect of radiation on Stoffeigenschaft Strahlenschaden Metallischer Werkstoff
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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adam_text	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 NEUTRONNUCLEUS 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 KP 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 INTERSTITIALIMPURITY COMPLEXES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 4.1.4 VACANCIES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 4.1.5 MULTIPLE VACANCIES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 4.1.6 SOLUTEDEFECT AND IMPURITYDEFECT 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 DEFECTVOID INTERACTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 5.4.2 DEFECTDISLOCATION INTERACTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 5.5 DIFFUSION-LIMITED REACTIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 5.5.1 DEFECTVOID REACTIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 5.5.2 DEFECTDISLOCATION REACTIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 5.6 MIXED RATE CONTROL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 5.7 DEFECTGRAIN 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 ORDERDISORDER 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 NEUTRONNUCLEUS 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 KP 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 INTERSTITIALIMPURITY COMPLEXES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 4.1.4 VACANCIES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 4.1.5 MULTIPLE VACANCIES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 4.1.6 SOLUTEDEFECT AND IMPURITYDEFECT 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 DEFECTVOID INTERACTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 5.4.2 DEFECTDISLOCATION INTERACTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 5.5 DIFFUSION-LIMITED REACTIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 5.5.1 DEFECTVOID REACTIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 5.5.2 DEFECTDISLOCATION REACTIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 5.6 MIXED RATE CONTROL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 5.7 DEFECTGRAIN 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 ORDERDISORDER 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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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. 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