核反应堆内结构材料服役于极端的辐照环境,特别是中子辐照与结构材料元素的(n,α)核嬗变反应,使得特定堆型的结构材料面临严重的氦脆风险。材料内氦泡的形成及其演化是金属材料氦脆产生的根本原因,研究氦泡的演化机制有助于深入理解反应堆内结构材料的氦致辐照损伤机理,促进综合评估堆内结构材料的服役性能。论文以第四代熔盐堆备选结构材料镍基Hastelloy N合金以及纯镍为研究对象,利用离子辐照在材料内引入氦原子和辐照损伤,从两个方面系统研究了氦泡的演化行为(机制)。氦泡在特定环境下的演化机制。氦泡的演化受到众多因素的影响,其中温度和应力最为重要。利用室温氦离子辐照后不同温度退火实验,研究了Hastelloy N合金内氦泡的演化行为。根据弹性反冲探测实验测量的辐照样品内氦浓度分布,得到了样品内氦的扩散与逃逸行为。基于对氦泡在退火过程中内压不同程度释放的分析,揭示了辐照样品内存在两个特殊的演化区域:“合并区”和“熟化区”,“迁移合并”和“Ostwald熟化”机制分别驱动了相应区域内氦泡的长大。材料脆化的发生与晶界氦泡的形成及长大密切相关,利用透射电镜内原位400 oC加热实验,观察到纯镍晶界氦泡沿晶界发生伸长形变、与相邻的形变氦泡相遇后触发合并而长大的完整演化过程。由于合并氦泡之间内压的差别,氦泡表现出表面扩散和氦泡内压梯度驱动的两种合并模式。热激发下晶界氦泡的这种长大方式被称之为氦泡的“形变合并”演化机制。基于氦泡表面原子扩散规律,开发了一个有限差分数值计算模型,计算结果再现了实验观察到的氦泡沿晶伸长过程。应力是材料氦脆发生的另一关键影响因素,利用原位拉应力加载过程中的同步辐射小角散射实验,得到了纯镍中氦泡的尺寸、数量密度和体积随应力的变化趋势。通过分析位错与氦泡的相互作用,揭示了单轴应力下的氦泡表现为与热激发条件下晶界氦泡类似的“形变合并”演化行为。氦泡与辐照诱导的微观结构的相互作用。利用氦、氙离子先后辐照Hastelloy N合金,观察到合金样品内氦泡和位错环相对于单束离子辐照,发生了明显的长大。研究表明,氦离子预辐照形成的氦泡减弱了随后氙离子辐照引入的Frankel缺陷的湮灭,因而促进了氦泡与位错环之间的协同演化并加剧了材料的硬化。另外,实验观察到氙离子辐照诱导了合金内hcp结构析出相的形成,并与基体晶格具有特定的取向关系。研究发现,析出相内部形成了大量氦泡,尺寸显著小于析出相外的氦泡。基于分析氦泡长大和析出相形核两者对空位捕获的竞争,揭示了氦泡和析出相的耦合演化机制。