Набухание материалов выявлено посредством автоматизированной семантической сегментации полостей на изображениях электронной микроскопии

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 5178 (2023) Цитировать эту статью

848 Доступов

1 Цитаты

Подробности о метриках

Точная количественная оценка набухания сплавов, подвергшихся облучению, важна для понимания характеристик сплавов в ядерном реакторе и имеет решающее значение для безопасной и надежной эксплуатации реакторных установок. Однако типичной практикой является то, что радиационно-индуцированные дефекты на изображениях сплавов, полученных электронной микроскопией, количественно оцениваются вручную исследователями-экспертами в данной области. Здесь мы применяем комплексный подход глубокого обучения с использованием модели региональной сверточной нейронной сети Маски (Mask R-CNN) для обнаружения и количественной оценки наноразмерных полостей в облученных сплавах. Мы собрали базу данных изображений помеченных полостей, которая включает 400 изображений, > 34 тыс. дискретных полостей, а также многочисленные составы сплавов и условия облучения. Мы оценили как статистические (точность, полнота и баллы F1), так и ориентированные на свойства материалов (размер полостей, плотность и набухание) показатели производительности модели, а также провели целевой анализ оценок набухания материалов. Мы обнаружили, что наша модель дает оценки набухания материала со средней (стандартное отклонение) средней абсолютной ошибкой набухания, основанной на случайной перекрестной проверке с исключением 0,30 (0,03) процента набухания. Этот результат демонстрирует, что наш подход может точно обеспечить показатели набухания для каждого изображения и каждого состояния, что может дать полезную информацию о конструкции материала (например, измельчение сплава) и влиянии условий эксплуатации (например, температуры, дозы облучения) на набухание. . Наконец, мы обнаружили случаи тестовых изображений с плохими статистическими показателями, но с небольшими ошибками в разбухании, что указывает на необходимость выхода за рамки традиционных показателей, основанных на классификации, для оценки моделей обнаружения объектов в контексте приложений в области материалов.

Металлические сплавы, используемые в активных зонах ядерных реакторов и окружающих конструкциях, подвергаются облучению, что приводит к повреждению материала, что может привести к образованию обширных дефектов, таких как дислокационные петли, выделения и полости (иногда называемые пустотами, если они не содержат газа, или пузырьки, если они не содержат газа). содержат газ), что, в свою очередь, оказывает вредное воздействие на механические свойства посредством затвердевания, охрупчивания и набухания1,2,3,4,5. Рост полостей, вызванный смещением, приводящий к неограниченному распуханию под нейтронным облучением, обычно происходит за счет присутствия гелия (полученного в результате ядерной трансмутации), который стабилизирует полости3,6. Значительное набухание может привести к деградации и разрушению материала, поэтому понимание взаимодействия состава сплава, микроструктуры и условий реактора, таких как рабочая температура и доза облучения, важно для обеспечения безопасной и надежной эксплуатации реактора7. Методы объемного измерения компонентов реактора, такие как метод Архимеда, как правило, проще всего использовать для получения информации об общей реакции объемного набухания материала8. Однако методы трансмиссионной и сканирующей трансмиссионной электронной микроскопии (S/TEM) также широко используются в исследованиях и оценках разработок материалов для определения характеристик микроструктуры сплава ex situ и количественного определения набухания. Методы ПЭМ имеют преимущество перед методами объемного измерения, поскольку они позволяют получить строгую реакцию набухания из-за наличия полостей, устраняя вклад в набухание других факторов, таких как ползучесть, образование вторичной фазы и уплотнение фазы при высокой температуре.

ПЭМ-анализ также можно использовать для локальной идентификации реакций набухания, например, как это наблюдается во время ионного облучения или в сложных микроструктурах из-за локализованных микроструктурных эффектов на энергетику и кинетику образования гелия и дефектов. Наконец, ПЭМ-анализ может быть использован для понимания реакции на облучение на ранней стадии, например, процесса зарождения и роста полостей, который начинается до того, как произойдет значительное макроскопическое набухание. Таким образом, такая микромасштабная характеристика обеспечивает детальное понимание механизма, важное для проектирования устойчивых к распуханию сплавов, а также позволяет исследователям понять связи между микроструктурой материала, составом и реакцией на набухание как функцию ключевых рабочих переменных, таких как температура, тип облучения (например, нейтронное или нейтронное). .ион), мощность дозы и общая доза9. Эта информация, в свою очередь, полезна для моделирования набухания материалов в различных режимах (т.е. инкубационного, переходного и стационарного набухания) и может помочь определить эксплуатационные пределы материала в ядерном реакторе5.