Crystalline metals in the nuclear energy system often suffer from the radiation-induced embrittlement, resulting from the interaction between dislocation motions and the microstructural damages by irradiation. This transition to a brittle failure may lower the mechanical stability of the irradiated components, posing significant threats to operation and security of whole system. In contrast to the crystalline metals, amorphous alloys, often called metallic glasses, have a different plasticity mechanism without involving the dislocation motion and hence are expected to exhibit the different mechanical behavior under high energetic flux. In this study, we investigated the changes on mechanical properties of Zr-based metallic glasses caused by proton irradiation at 30, 75, 125, 150, 190 and 200 keV. The experimental results were corroborated by molecular dynamic simulation to fully understand the atomic level mechanisms of the irradiation effects in the metallic glasses.
원자력 시스템에서는 고선량, 고온의 험한 조건에서도 성능을 유지하면서 안정적으로 동작하는 것이 중요하다. 지속적인 방사선 조사는 원자력 에너지 시스템 내에서 사용되는 결정질 금속의 내부 원자 단위의 미세 구조에 결함을 만들고, 이에 따라 소성변형을 만드는 전위의 이동을 어렵게 한다. 그 결과로 계속되는 방사선 조사에 의해 결정질 금속 재료는 쉽게 취화된다. 재료의 취화는 취성 파괴를 일으키기 쉽고, 전체 시스템의 작동과 안전성에 중대한 영향을 미치게 되어, 재료의 기계적 안정성을 낮춘다. 원자력 에너지 시스템에서는 재료의 물성 변화가 이와 같은 위험한 문제를 만들 수 있기 때문에 재료의 물성을 파악하고 제어하는 것이 가장 중요하다. 최근에는 나노 기술의 급격한 발전으로 나노 단위에서만 접근할 수 있는 방법들을 이용하여 재료의 물성을 제어할 수 있게 되었고, 차세대 원자력 에너지 시스템에 응용될 수 있는 새로운 물성을 가지는 재료를 개발하기 위해서는 아주 작은 단위에서 재료의 특성을 이해하는 것 또한 매우 중요하다.
그러나 원자력 시스템에서 사용하는 대부분의 결정질 금속과는 달리, 비정질 금속은 전위를 가지고 있지 않아서 다른 형태의 소성 변형 기구를 가진다. 따라서 비정질 금속은 고 에너지속에서 방사선 조사에 의해 결정질 금속과는 다른 거동을 보일 수 있다.
본 논문에서는 지르코늄계 비정질 합금에 양성자를 조사하여 기계적 물성 변화에 어떠한 영향을 미치는지에 대해 연구하였다. 나노 압축 실험을 하기 위해서 양성자가 조사된 지르코늄계 비정질 합금에 200 nm와 400 nm의 지름을 갖는 두 가지 조건의 나노 기둥을 제작하였다. 압축 실험을 통하여 재료의 변형 특성을 연구한 결과, 양성자가 조사되지 않은 시편과 비교해볼 때, 양성자가 조사된 400 nm 시편에서 소성 변형이 평균 8%, 양성자가 조사된 200 nm 시편에서는 소성 변형이 평균 28%가 증가한 것을 확인하였다.
