歐、美、日等國在役核反應堆內構件失效案例表明奧氏體不銹鋼和鎳基合金等堆芯結構材料以輻照促進應力腐蝕 (IASCC)為代表的輻照促進腐蝕失效已成為影響核電站安全高效運行的關鍵問題之一。目前國外研究者對材料輻照損傷及其與 IASCC 的內在聯系進行了大量研究。發現輻照與不 銹鋼材料發生交互作用產生的結構缺陷、輻照偏析、輻照硬化等損傷結構是 IASCC 發生的關鍵材料因素，而輻照材料在應力作用下發生的局部不均勻變形是導致開裂的主要機 制[1-4] 。另一方面，與應力腐蝕(SCC)類似，IASCC 同樣受腐蝕性環境、敏感的材料結構和應力/ 應變影響。因此，全面闡明 IASCC 機制還需要澄清輻照致材料腐蝕行為變化。文章在綜述近年來國外研究者對材料輻照損傷及其對IASCC的影響， 以及關于輻照對材料腐蝕行為影響研究的基礎上，提出了該領域的發展趨勢。

1 輻照損傷研究

反應堆堆芯結構材料長期服役在強烈中子輻照下，受輻照后會產生大量的離位原子，離位原子通過擴散、遷移乃至相互結合，形成位錯和空洞等，并促進材料出現元素偏析和硬化等現象。

材料受輻照后產生的位錯和孔洞等結構損傷主要受輻 照溫度、輻照劑量和合金化學成分的影響。堆芯溫度下(大于 300℃)，奧氏體不銹鋼輻照結構缺陷主要為位錯環和空洞(圖 1 a，b)。隨輻照劑量增加，位錯環的尺寸和數量密度都相應 增加。其中位錯環尺寸隨輻照劑量增加緩慢，在 3~5dpa 范圍 趨于穩定，而位錯環密度則在 0~1.5dpa 范圍就快速趨于穩 定(圖 2c)。位錯環等缺陷的尺寸和數量密度主要取決于合金 化學成分和輻照劑量。如 Gan 等發現，360℃質子輻照后的高 純 304 不銹鋼(HP304)中產生明顯的位錯環和空洞，而在相 同條件輻照后的工業純 304 不銹鋼(CP304)中只出現了位錯環，且其尺寸和數量密度與 HP 304 相差一倍以上。Deng 等研究國產核用304不銹鋼輻照損傷，并將其與國外材料輻照損傷數據對比，發現位錯環尺寸和數量密度隨輻照劑量演變規律基本一致，但位錯環的平均尺寸和數量密度存在明顯差異。國產核電結構材料在材料設計、性能評估等方面采用國外數據可能會存在較大差異。

圖 1 304 不銹鋼經 2 MeV 質子輻照后損傷結構觀察

圖 2 304 不銹鋼經 2 MeV 質子輻照后元素偏析 APT 分析結果

奧氏體不銹鋼材料受輻照后，晶界處常發生貧 Cr 富 Ni 和 Si 的元素偏析。圖 2a 給出了核用 304 不銹鋼 經 2 MeV 質子輻照后晶界偏析的三維原子探針分析。輻照偏析與輻照劑量在一定范圍內存在正相關關系 (圖 2b)，并且材料因素(如合金成分、冷變形、熱處理 等)影響。如 Allen 等觀察到在多數奧氏體不銹鋼中出 現晶界貧 Fe 現象，但當 Ni 和 Cr 的含量比值較低使得 晶界處富 Ni 量少于貧 Cr 量時，也會出現富 Fe 現象。另 一方面，在晶粒內部位錯環等缺陷處，Jiao 和 Deng 等[5- 6] 也發現類似晶界處的元素偏析(圖 3c)，都是貧 Fe、 Cr 和富 Si、Ni，且 Fe、Cr 和 Ni 在位錯環處的偏析程度與 晶界處相近，而 Si 在位錯環處的偏析程度則數倍于晶 界處。位錯環處成分偏析到一定程度滿足形成相的成 分條件時有可能形成新相。事實上，已有發現在高劑量 輻照不銹鋼中發現位錯環處析出了 γ'- Ni3Si 相。輻照偏 析及輻照誘發第二相的析出對材料性能產生不利影 響。如晶界貧 Cr 使得晶界的腐蝕抗力降低，會促進沿晶SCC 的發生。輻照誘發的 γ'- Ni3Si 相將大量的 Ni 和 Si 從基體中剝奪，基體中 Ni 含量的降低會改變材料層錯 能，導致材料變形性能劣化。

輻照硬化實質是輻照后產生的大量微觀尺寸缺陷 如位錯環和空洞等對位錯的釘扎作用阻礙位錯線的滑 移，進而使材料發生硬化。輻照硬化值與位錯環等缺陷 的尺寸和數量密度緊密相關。如彌散障礙硬化模型認 為，輻照硬化值(ΔH)與位錯環數量密度(N)和直徑(d) 乘積值的平方根((Nd)0.5)成正比。也有研究表明[7] ，輻 照形成的原子團簇和基體間模量不協調造成的模量失 諧同樣也會引起材料的硬化。硬度值增加會增加材料 的屈服強度，源硬化模型認為，屈服強度的增加同樣受 位錯環的數量密度與尺寸影響，并與輻照劑量的平方 根呈線性關系，如圖 3a 所示。另一方面，屈服強度增加 會促進 SCC 的發生(圖 3b)。

2 輻照損傷對 IASCC 的影響研究

該研究主要包括輻照偏析和輻照硬化等結構損傷 對 IASCC 行為的影響。鑒于奧氏體不銹鋼經敏化處理 后具有高的 SCC 敏感性，特別是在氧化性高溫高壓水 環境中，輻照偏析致晶界貧 Cr 一直是 IASCC 研究的焦 點之一。IASCC 裂紋在實際服役環境下的萌生時間一般 較長，在實驗室條件下通常采用慢應變速率拉伸(SSRT)加速實驗，即在高溫高壓水環境中對輻照后試樣以緩 慢的應變速率(10- 8~10- 6/s)施加一定的應變以促進裂紋 的萌生。實驗后，通過分析觀察表面或者分析斷面發生 IGSCC 面積的百分比(IG%)表征 IASCC 的敏感性。

圖 3

圖 4 慢應變速率拉伸試驗后 IGSCC 敏感性 與輻照偏析致晶界貧 Cr 的變化

圖 4 總結了部分奧氏體不銹鋼材料輻照偏析致晶 界貧 Cr 與沿晶 SCC 敏感性之間的關系。在 BWR 水環 境中(高的腐蝕電位)，所有發生 IASCC 的奧氏體不銹 鋼晶界都存在一定程度的貧 Cr。對于 304 和 316 不銹 鋼材料，輻照偏析致晶界 Cr 含量下降 1%~2wt%(小于 17wt%) 時，就易發生沿晶 SCC。研究 600 鎳基合金 IASCC 敏感性時，也發現晶界處 Cr 含量從 9wt%降低到 5wt%，斷面的發生 IG%相應從 0 增加到 100。結果表明， 輻照偏析致晶界貧 Cr 與材料的 IASCC 敏感性密切相 關。另一方面，微量合金元素和雜質元素的偏析也能影 響 IASCC 敏感性。Stephenson 等[8] 通過向 304L 不銹鋼 中加入 Si，使晶界處 Si 含量增加，發現材料 IGSCC 敏感 性提高，據此推斷 Si 的偏析同樣會促進 SCC。

輻照硬化是影響材料 IASCC 敏感性的另一個重要因素。材料受輻照后產生大量微觀尺度的位錯環、空洞 等缺陷團。在應力 / 應變作用下，這些缺陷團造成位錯 運動受阻使材料力學性能發生劣化。研究表明，300 系 不銹鋼在 300℃左右輻照后，隨著輻照劑量的增加，屈 服強度增加，塑性和斷裂韌性下降。材料屈服強度增加 后易發生非均勻局部變形，局部變形促使材料表面形 成滑移臺階(圖 5a)。這些滑移臺階穿過或終止于晶界， 終止于晶界的臺階造成晶界處產生不連續滑移，易將 位錯傳輸到晶界(圖 5c)，在晶界區域形成位錯塞積和 殘余應變集中(圖 5b)。當應變集中超過某一臨界應變 值后，晶界發生開裂。Deng 等[9] 研究結果表明，晶界處 殘余應變集中程度隨輻照劑量增加而增加，因此材料 的 IASCC 敏感性也隨輻照劑量增加而增加。另一方面， 輻照硬化也會影響 IASCC 的擴展速率。對 304 不銹鋼 的研究表明，輻照致屈服強度的增加會使 IASCC 裂紋 擴展速率以指數形式增加。

3 輻照對腐蝕的影響研究

迄今為止，輻照對 IASCC 影響的研究主要聚焦于 輻照致材料微觀結構和力學性能變化，對于腐蝕在 IASCC 中的作用尚未得到足夠的重視。根據 SCC 內氧 化和滑移溶解膜破裂機制，腐蝕是 SCC 發生基本過程， 澄清材料的腐蝕行為是闡明 SCC 機制不可或缺的一 環。因此，全面闡明 IASCC 機制需要澄清輻照對材料腐 蝕行為的影響，特別是晶界的局部腐蝕行為。近年來， 輻照對不銹鋼材料高溫高壓水環境腐蝕的影響得到了 廣泛關注，但很少有文獻報道。輻照對材料腐蝕行為的 影響，特別是輻照后材料的腐蝕尚存爭議，其影響機制 還未得到充分認識。

Deng 等[10] 采用 2MeV 質子束在 360℃對固溶態核 用 304 不銹鋼試樣輻照后，系統研究了輻照對腐蝕行 為的影響。發現輻照同時促進 304 不銹鋼的均勻腐蝕 和晶界局部腐蝕(圖 6)。試樣表面形成的氧化膜厚度和晶界處局部腐蝕深度均隨輻照劑量增加而增加。特別 地，通過對比應變與無應變作用下的晶界局部腐蝕速 率，發現核用 304 不銹鋼在輻照和應變作用下的晶界 局部腐蝕速率明顯高于應變和輻照單獨作用下的晶界 局部腐蝕速率，表明輻照和應變對晶界局部腐蝕有明 顯的協同促進作用。

圖 5 慢應變速率拉伸試驗后輻照試樣上滑移臺階與晶界交互作用

圖 6 304 不銹鋼一回路水中的均勻和晶界局部腐蝕的結果

分析認為，輻照產生的微觀損傷結構、輻照偏析以 及在應力作用下發生的局部不均勻變形是輻照促進腐 蝕的主要因素。對于均勻腐蝕，位錯環和空位等缺陷結 構促進氧化膜外層氧化物顆粒的形核，同時發生優先 氧化形成尺寸更小的內層氧化物。小晶粒內層氧化物 能夠提供更多擴散通道，促進 Fe 離子向外擴散，進而促 進外層氧化物顆粒的長大。輻照促進晶界局部腐蝕是 輻照偏析與晶界氧化物成分變化共同作用的結果。一 方面，輻照偏析致晶界附近金屬空位濃度增加，促進金 屬離子向氧化物 / 基體界面擴散;另一方面輻照偏析導 致晶界氧化物 Cr 含量降低，對氧向基體擴散的阻礙作 用減弱，從而促進晶界氧化。

4 IASCC 機制分析

4.1 局部變形促進 IASCC 機制

對于 IASCC 的機制及其影響因素，目前國外研究 者進行了許多研究，提出了一些模型。其中，密歇根大 學 G.S.Was 教授團隊提出的局部變形模型是目前被多 數研究者多接受的一個模型。該模型認為，受輻照材料 在應力 / 應變作用下，發生不均勻局部變形形成位錯通 道，位錯通道與晶界交互作用是促進 IASCC 裂紋的萌 生和擴展的關鍵原因。局部變形過程中形成的位錯通 道呈平面滑移，起始于晶界終止于晶界。另一方面，位 錯通道與試樣表面作用則形成滑移臺階。在應力 / 應變 作用下材料輻照后產生的位錯環等缺陷隨滑移臺階傳 輸到晶界區域，易于導致晶界區位錯塞積和發生劇烈 剪切應變。晶界處劇烈剪切應變進一步導致晶界發生 局部滑動，造成表面氧化膜破裂，進而促進 IASCC 的裂 紋的萌生與擴展。增加輻照劑量，位錯通道中堆積的位 錯環數量隨之增加，從而導致表面滑移臺階高度增加。其與晶界的交互作用更劇烈，進而造成更大程度的晶 界位錯塞積和應變集中，材料發生 IASCC 的敏感性也 相應增加。

4.2 局部變形和局部腐蝕交互作用對 IASCC 的影響機制

根據 Deng 等[10] 對輻照促進材料腐蝕行為研究結果， 在高溫高壓水腐蝕環境與應力 / 應變的交互作用下，輻 照促進局部變形和輻照偏析會促進材料的腐蝕行為，而腐蝕行為的改變會影響 IASCC 的發生。如前所述，增 加輻照劑量促進晶界局部腐蝕。晶界局部腐蝕形成的 氧化物在應力作用下易開裂形成微裂紋，促進 IASCC 裂紋的萌生。晶界處腐蝕產物開裂形成典型的 IGSCC 裂紋。因此，增加輻照劑量能夠促進晶界處局部腐蝕增 加裂紋萌生的位置，進而增加 IASCC 萌生敏感性。

5 研究趨勢

微納尺度力學測試方法獲得的實驗結果并不能直 接用來評估輻照材料在宏觀尺度上的性能(如抗拉行 為、彈性模量、屈服強度和塑性等)，因此還需要將微納 尺度測試結果與宏觀尺度測試結果進行比較，并探究 兩者間的定量對應關系。目前在實驗室中無法獲得大 塊的輻照材料試樣，將微納試驗與宏觀試驗關聯起來 仍然面臨巨大挑戰。未來 IASCC 研究的主要目標應是 建立定量評價模型，開發緩解和預防輻照加速腐蝕失 效的關鍵應用性技術。