Radiation-anneal hardening in niobium — an effect of post-irradiation annealing on the yield stress

Abstract

The effect of low-temperature annealing on the yield stress of niobium following neutron irradiation was studied. The initial increase in yield stress upon irradiation was sensitive to the interstitial carbon content. A further increase in the yield stress (“radiation-anneal hardening”) was observed after two-hour anneals near 150 and 300 °C. When the annealing temperature was raised above 400 °C, the yield stress gradually recovered toward the preirradiation value. Changes in the density and size of the radiation-produced defect clusters were determined by transmission electron microscopy following post-irradiation anneals. An analysis of the observed hardening based on a dispersed barrier model and the density and size of defect clusters indicated that post-irradiation annealing strengthened the clusters as barriers to dislocation motion by as much as a factor of two. Previous resistivity and internal friction measuremements have shown that interstitial oxygen and carbon in irradiated niobium migrate to the defect clusters at the temperatures near 150 and 300 °C, respectively. Thus, the radiation-anneal-hardening peaks at these temperatures are attributed to the trapping of oxygen and carbon, respectively, at defect clusters. There is a reduced tendency for dislocation channeling (i.e., defect cluster removal by slip dislocations) in radiation-anneal-hardened niobium, suggesting that indeed the clusters have been strengthened. Es wurde der Einfluß einer Temperung bei tiefen Temperaturen nach Neutronenbestrahlung auf die Streckgrenze von Niob untersucht. Die anfängliche Erhöhung der Streckgrenze nach der Bestrahlung ist von der Kohlenstoffkonzentration auf Zwischengitterplätzen abhängig. Eine weitere Erhöhung der Streckgrenze („radiation-anneal hardening”︁) wurde nach zwei Stunden Temperung bei 150 und 300 °C beobachtet. Wenn die Temperatur 400 °C übersteigt, heilt die Streckgrenze graduell auf ihren Wert vor der Neutronenbestrahlung aus. Die den einzelnen Temperungsvorgängen folgenden Veränderungen in der Dichte und Größe der Fehlstellenagglomerate wurden mittels Durchstrahlungselektronenmikroskopie bestimmt. Eine Analyse der beobachteten Härtung auf Grund des Modells dispers verteilter Hindernisse und der Dichte und Größe der Fehlstellenagglomerate weisen darauf hin, daß die Agglomerate nach Bestrahlung und Temperung bei 400 °C um einen Faktor zwei stärkere Hindernisse für die Bewegung von Versetzungen darstellen. Frühere Messungen des elektrischen Widerstands und der inneren Reibung haben gezeigt, daß Sauerstoff und Kohlenstoff auf Zwischengitterplätzen bei Temperaturen nahe 150 und 300 °C zu Fehlstellenagglomeraten wandern. Die „radiation-anneal-hardening peaks”︁ bei diesen Temperaturen werden daher auf die Anlagerung von Sauerstoff und Kohlenstoff an Fehlstellenagglomerate zurückgeführt. Außerdem ist in Niob, das durch Bestrahlung und Temperung gehärtet wurde, die Tendenz für eine Entfernung der Fehlstellenagglomerate durch Gleitversetzungen („dislocation channeling”︁) herabgesetzt, was ebenfalls auf eine Verstärkung der Agglomerate hinweist.