摘要

采(cai)用2 MeV質子(zi)束在360 ℃對(dui)(dui)國產(chan)核用304不(bu)銹鋼試樣(yang)進行了輻(fu)(fu)(fu)照(zhao)實驗，利用高溫高壓(ya)水環(huan)境(jing)的慢(man)應(ying)變(bian)速率(lv)拉(la)伸實驗（SSRT）和(he)(he)SEM、EBSD、TEM等研(yan)究了核用304不(bu)銹鋼輻(fu)(fu)(fu)照(zhao)促進應(ying)力(li)腐蝕開裂(lie)（IASCC）機理。結(jie)果表(biao)明，慢(man)應(ying)變(bian)速率(lv)拉(la)伸過(guo)程中輻(fu)(fu)(fu)照(zhao)促進材料晶(jing)(jing)(jing)界(jie)和(he)(he)表(biao)面(mian)滑(hua)(hua)移(yi)臺階(jie)處形成應(ying)變(bian)集中，且(qie)其程度(du)隨(sui)輻(fu)(fu)(fu)照(zhao)劑量增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)而(er)(er)增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)。滑(hua)(hua)移(yi)臺階(jie)穿過(guo)或終(zhong)止(zhi)于晶(jing)(jing)(jing)界(jie)，終(zhong)止(zhi)于晶(jing)(jing)(jing)界(jie)的臺階(jie)造(zao)成晶(jing)(jing)(jing)界(jie)處產(chan)生(sheng)(sheng)不(bu)連(lian)續(xu)滑(hua)(hua)移(yi)，易將位錯(cuo)傳輸到晶(jing)(jing)(jing)界(jie)，在晶(jing)(jing)(jing)界(jie)區(qu)域形成位錯(cuo)塞積和(he)(he)殘余(yu)應(ying)變(bian)集中。而(er)(er)臺階(jie)不(bu)連(lian)續(xu)滑(hua)(hua)移(yi)的形成則(ze)受毗(pi)鄰晶(jing)(jing)(jing)粒的Schmidt因(yin)子(zi)對(dui)(dui)的類(lei)型影(ying)響(xiang)。另(ling)一方面(mian)，輻(fu)(fu)(fu)照(zhao)促進晶(jing)(jing)(jing)界(jie)發生(sheng)(sheng)貧(pin)Cr富Ni元(yuan)素偏析，其偏析程度(du)隨(sui)輻(fu)(fu)(fu)照(zhao)劑量增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)而(er)(er)增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)。SSRT實驗后輻(fu)(fu)(fu)照(zhao)試樣(yang)表(biao)面(mian)發生(sheng)(sheng)明顯的沿晶(jing)(jing)(jing)應(ying)力(li)腐蝕開裂(lie)，且(qie)裂(lie)紋數量隨(sui)輻(fu)(fu)(fu)照(zhao)劑量和(he)(he)外加(jia)應(ying)變(bian)增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)而(er)(er)增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)。同(tong)時，裂(lie)紋尖端(duan)區(qu)域發生(sheng)(sheng)明顯晶(jing)(jing)(jing)界(jie)腐蝕，且(qie)氧化物寬(kuan)度(du)和(he)(he)長度(du)隨(sui)輻(fu)(fu)(fu)照(zhao)劑量增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)而(er)(er)增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)。分析認為，輻(fu)(fu)(fu)照(zhao)致(zhi)晶(jing)(jing)(jing)界(jie)應(ying)變(bian)集中和(he)(he)元(yuan)素偏析的協同(tong)作用造(zao)成材料變(bian)形行為和(he)(he)晶(jing)(jing)(jing)界(jie)腐蝕行為變(bian)化是IASCC發生(sheng)(sheng)的關鍵因(yin)素。

關鍵詞： 核用不銹鋼 ; 質子輻照 ; 局部變形 ; 腐蝕(shi) ; 輻照促進(jin)應力腐蝕(shi)開(kai)裂

核電站(zhan)(zhan)的(de)運(yun)行經驗表明，堆(dui)芯奧(ao)氏體不銹(xiu)鋼(gang)材(cai)料(liao)長(chang)期在強烈中(zhong)子輻照與高(gao)溫高(gao)壓水腐(fu)蝕(shi)環境服役，會(hui)發生輻照促進應力腐(fu)蝕(shi)開裂（IASCC）[1,2,3]。堆(dui)芯不銹(xiu)鋼(gang)材(cai)料(liao)以IASCC為代表的(de)輻照加速(su)腐(fu)蝕(shi)失效已(yi)經成(cheng)為影響核電站(zhan)(zhan)安(an)全高(gao)效運(yun)行的(de)關鍵問題之一。

研究表明，輻(fu)(fu)照(zhao)(zhao)與(yu)不(bu)銹鋼材料(liao)(liao)發生(sheng)交(jiao)互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)產生(sheng)的(de)(de)結構缺陷(xian)、輻(fu)(fu)照(zhao)(zhao)偏(pian)析(xi)、輻(fu)(fu)照(zhao)(zhao)硬化(hua)等損傷結構是(shi)IASCC發生(sheng)的(de)(de)關(guan)(guan)鍵材料(liao)(liao)因素[4,5,6]，而(er)(er)輻(fu)(fu)照(zhao)(zhao)損傷結構在(zai)應(ying)力(li)作(zuo)用(yong)(yong)下(xia)發生(sheng)的(de)(de)局部不(bu)均勻(yun)變(bian)(bian)形(xing)(xing)是(shi)導致開裂(lie)的(de)(de)主要(yao)(yao)機制[7,8,9]。輻(fu)(fu)照(zhao)(zhao)后(hou)材料(liao)(liao)發生(sheng)非均勻(yun)局部變(bian)(bian)形(xing)(xing)，形(xing)(xing)成特(te)定的(de)(de)位錯通(tong)(tong)道，而(er)(er)這些位錯通(tong)(tong)道與(yu)IASCC緊(jin)密相關(guan)(guan)。另一(yi)方(fang)面，與(yu)應(ying)力(li)腐蝕開裂(lie) （SCC）類似，IASCC同(tong)樣受材料(liao)(liao)、應(ying)力(li)/應(ying)變(bian)(bian)和(he)(he)腐蝕性環(huan)境影(ying)響(xiang)(xiang)。在(zai)高(gao)溫高(gao)壓水腐蝕環(huan)境和(he)(he)應(ying)力(li)的(de)(de)交(jiao)互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)下(xia)，晶界區域發生(sheng)的(de)(de)剪切應(ying)變(bian)(bian)可能促(cu)進晶界的(de)(de)腐蝕行(xing)(xing)(xing)為，腐蝕行(xing)(xing)(xing)為的(de)(de)改變(bian)(bian)也會影(ying)響(xiang)(xiang)IASCC的(de)(de)發生(sheng)[10]。因此，澄清應(ying)力(li)作(zuo)用(yong)(yong)下(xia)輻(fu)(fu)照(zhao)(zhao)致材料(liao)(liao)變(bian)(bian)形(xing)(xing)行(xing)(xing)(xing)為和(he)(he)晶界腐蝕行(xing)(xing)(xing)為的(de)(de)變(bian)(bian)化(hua)是(shi)闡(chan)明IASCC機制至關(guan)(guan)重要(yao)(yao)的(de)(de)一(yi)環(huan)。

在(zai)(zai)輻(fu)(fu)(fu)照(zhao)致(zhi)材料(liao)(liao)變(bian)(bian)(bian)形(xing)行(xing)為(wei)研(yan)究(jiu)(jiu)方(fang)(fang)面(mian)(mian)[4,7,10,11,12,13,14]，已(yi)澄(cheng)(cheng)清(qing)了(le)(le)(le)輻(fu)(fu)(fu)照(zhao)損(sun)(sun)傷微(wei)(wei)觀結構是導(dao)致(zhi)輻(fu)(fu)(fu)照(zhao)后材料(liao)(liao)發(fa)生(sheng)不(bu)(bu)均(jun)勻局(ju)部(bu)變(bian)(bian)(bian)形(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)主要(yao)原因(yin)(yin)。輻(fu)(fu)(fu)照(zhao)后產(chan)(chan)生(sheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)大量微(wei)(wei)觀尺(chi)寸(cun)缺(que)陷(xian)，如位(wei)錯(cuo)環(huan)(huan)和(he)(he)(he)孔洞等，對(dui)位(wei)錯(cuo)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)釘扎作用阻礙位(wei)錯(cuo)線的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)滑(hua)移，使材料(liao)(liao)發(fa)生(sheng)硬(ying)化和(he)(he)(he)不(bu)(bu)均(jun)勻局(ju)部(bu)變(bian)(bian)(bian)形(xing)。而局(ju)部(bu)變(bian)(bian)(bian)形(xing)行(xing)為(wei)受位(wei)錯(cuo)環(huan)(huan)等缺(que)陷(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)尺(chi)寸(cun)和(he)(he)(he)數(shu)量密度（輻(fu)(fu)(fu)照(zhao)劑量），以(yi)及(ji)(ji)(ji)(ji)材料(liao)(liao)因(yin)(yin)素（如合金化學(xue)成(cheng)分、晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)體特(te)性(xing)(xing)等）的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)影響。如360 ℃下經1和(he)(he)(he)5 dpa質子輻(fu)(fu)(fu)照(zhao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)18Cr8Ni合金在(zai)(zai)慢應變(bian)(bian)(bian)速(su)率(lv)拉伸(shen)1%應變(bian)(bian)(bian)后，表面(mian)(mian)形(xing)成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)滑(hua)移臺(tai)(tai)階(jie)高度（反映變(bian)(bian)(bian)形(xing)程(cheng)度）相差一(yi)倍以(yi)上[7]。因(yin)(yin)此(ci)，不(bu)(bu)同的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)材料(liao)(liao)由于輻(fu)(fu)(fu)照(zhao)損(sun)(sun)傷微(wei)(wei)觀結構以(yi)及(ji)(ji)(ji)(ji)位(wei)錯(cuo)環(huan)(huan)尺(chi)寸(cun)和(he)(he)(he)數(shu)量密度演化規律的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)不(bu)(bu)同，輻(fu)(fu)(fu)照(zhao)致(zhi)材料(liao)(liao)變(bian)(bian)(bian)形(xing)行(xing)為(wei)也可能存在(zai)(zai)較大差異。另(ling)一(yi)方(fang)(fang)面(mian)(mian)，澄(cheng)(cheng)清(qing)了(le)(le)(le)變(bian)(bian)(bian)形(xing)過(guo)程(cheng)中形(xing)成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)滑(hua)移臺(tai)(tai)階(jie)導(dao)致(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)界(jie)(jie)(jie)應力(li)/應變(bian)(bian)(bian)集(ji)中和(he)(he)(he)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)界(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)是促進開裂(lie)(lie)(lie)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)主要(yao)機制，明(ming)確了(le)(le)(le)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)界(jie)(jie)(jie)局(ju)部(bu)變(bian)(bian)(bian)形(xing)與(yu)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)界(jie)(jie)(jie)處(chu)(chu)臺(tai)(tai)階(jie)滑(hua)移連(lian)續性(xing)(xing)之間的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)關(guan)(guan)系，指出了(le)(le)(le)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)界(jie)(jie)(jie)處(chu)(chu)臺(tai)(tai)階(jie)滑(hua)移連(lian)續性(xing)(xing)與(yu)毗(pi)鄰(lin)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)粒的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)體特(te)性(xing)(xing)有(you)關(guan)(guan)[12,13,14]。因(yin)(yin)此(ci)，全(quan)面(mian)(mian)揭示輻(fu)(fu)(fu)照(zhao)致(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)界(jie)(jie)(jie)局(ju)部(bu)變(bian)(bian)(bian)形(xing)行(xing)為(wei)變(bian)(bian)(bian)化及(ji)(ji)(ji)(ji)其沿晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)開裂(lie)(lie)(lie)機制，需要(yao)明(ming)確材料(liao)(liao)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)體特(te)性(xing)(xing)（如Schmidt因(yin)(yin)子、晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)粒取向等）與(yu)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)界(jie)(jie)(jie)處(chu)(chu)臺(tai)(tai)階(jie)滑(hua)移連(lian)續性(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)關(guan)(guan)聯。在(zai)(zai)輻(fu)(fu)(fu)照(zhao)致(zhi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)界(jie)(jie)(jie)腐蝕(shi)行(xing)為(wei)研(yan)究(jiu)(jiu)方(fang)(fang)面(mian)(mian)，目前開展(zhan)了(le)(le)(le)一(yi)些研(yan)究(jiu)(jiu)，但對(dui)于晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)界(jie)(jie)(jie)腐蝕(shi)行(xing)為(wei)及(ji)(ji)(ji)(ji)其與(yu)IASCC的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)關(guan)(guan)聯尚存爭議(yi)[15,16,17,18]。如Thomas等[16]和(he)(he)(he)Edwards等[17]研(yan)究(jiu)(jiu)輻(fu)(fu)(fu)照(zhao)后奧氏體不(bu)(bu)銹鋼在(zai)(zai)壓水堆環(huan)(huan)境中的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)(wen)擴(kuo)展(zhan)時，觀察到裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)(wen)尖端(duan)(duan)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)界(jie)(jie)(jie)區(qu)域(yu)周圍形(xing)成(cheng)富Cr的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)尖晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)石氧(yang)化物和(he)(he)(he)富Ni氧(yang)化區(qu)，這些腐蝕(shi)產(chan)(chan)物的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)特(te)征可以(yi)辨識裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)(wen)尖端(duan)(duan)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)界(jie)(jie)(jie)區(qu)域(yu)發(fa)生(sheng)了(le)(le)(le)局(ju)部(bu)腐蝕(shi)以(yi)及(ji)(ji)(ji)(ji)促進IASCC的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)電化學(xue)過(guo)程(cheng)。而Fukuya等[15]則認(ren)為(wei)，IASCC裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)(wen)擴(kuo)展(zhan)速(su)率(lv)較快，晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)界(jie)(jie)(jie)氧(yang)化不(bu)(bu)明(ming)顯，因(yin)(yin)此(ci)二者并沒有(you)明(ming)顯關(guan)(guan)聯。

如上(shang)所述，盡(jin)管對(dui)于IASCC的(de)(de)機制及其(qi)影響(xiang)(xiang)因素(su)，目(mu)前國外(wai)研(yan)究者(zhe)進行(xing)了許多研(yan)究，提出了局部變(bian)(bian)形導致開裂的(de)(de)機制，但關于材(cai)料(liao)變(bian)(bian)形行(xing)為(wei)(wei)的(de)(de)影響(xiang)(xiang)因素(su)和晶(jing)界腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)行(xing)為(wei)(wei)與IASCC的(de)(de)關聯，迄今(jin)為(wei)(wei)止仍沒有完整而(er)統一的(de)(de)論述。本工作選取(qu)國產(chan)核用(yong)304不(bu)銹鋼為(wei)(wei)研(yan)究對(dui)象，采用(yong)質子輻照(zhao)模擬(ni)中(zhong)子輻照(zhao)，結(jie)合高(gao)溫高(gao)壓(ya)水環境慢應變(bian)(bian)速率拉伸實(shi)驗(yan)，分(fen)析了輻照(zhao)后材(cai)料(liao)的(de)(de)變(bian)(bian)形行(xing)為(wei)(wei)和晶(jing)界腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)行(xing)為(wei)(wei)及其(qi)影響(xiang)(xiang)因素(su)，并(bing)討論了輻照(zhao)致材(cai)料(liao)變(bian)(bian)形行(xing)為(wei)(wei)與腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)行(xing)為(wei)(wei)變(bian)(bian)化對(dui)IASCC的(de)(de)影響(xiang)(xiang)，為(wei)(wei)發展不(bu)銹鋼材(cai)料(liao)的(de)(de)IASCC機制提供(gong)數據支持。

1 實驗方法

實(shi)驗材料(liao)為(wei)(wei)國內某(mou)核電材料(liao)企業提供的(de)(de)固溶態核用(yong)304不(bu)銹鋼，其化(hua)學(xue)成分（質量分數，%）為(wei)(wei)：C 0.04，Mn 1.73，Si 0.27，S 0.002，P 0.021，Ni 8.87，Cr 19.51，Co 0.04，Fe余量。室溫力學(xue)性能為(wei)(wei)：屈服強(qiang)度(du)262 MPa，抗拉(la)強(qiang)度(du)565 MPa，斷裂延伸率(lv)67%，斷面(mian)收縮率(lv)81.5%。采用(yong)高溫高壓水(shui)環境的(de)(de)慢(man)應(ying)變(bian)速(su)率(lv)拉(la)伸（SSRT）實(shi)驗進行IASCC研(yan)究(jiu)，所用(yong)試(shi)樣(yang)為(wei)(wei)一(yi)種標距段為(wei)(wei)矩(ju)形(xing)橫截(jie)面(mian)的(de)(de)小(xiao)型棒狀拉(la)伸試(shi)樣(yang)，形(xing)狀尺(chi)寸如圖1所示。制備過(guo)程(cheng)如下：采用(yong)水(shui)砂(sha)紙(zhi)將試(shi)樣(yang)表面(mian)依次打磨(mo)至3000號，然(ran)后機(ji)械(xie)研(yan)磨(mo)拋光，最后用(yong)粒度(du)為(wei)(wei)40 nm的(de)(de)SiO2懸浮液拋光待輻照表面(mian)去除殘余應(ying)變(bian)。拋光后的(de)(de)試(shi)樣(yang)用(yong)去離子水(shui)和酒精洗凈烘干，保存。

圖1   慢應變速率拉伸(shen)（SSRT）試(shi)樣形(xing)狀和尺寸示意圖

采用(yong)2 MeV質子(zi)束在360 ℃對試(shi)樣進行輻照，有效輻照區(qu)域為試(shi)樣標距段中間10 mm范圍，質子(zi)束的損傷速率為5.96×10-6 dpa/s。此輻照條件下試(shi)樣表面(mian)的有效輻照穿(chuan)透(tou)深度(du)約(yue)為20 μm，其中1~10 μm范圍為均勻損傷層，損傷峰(feng)位置約(yue)在18.5 μm處[19]。

試樣輻照(zhao)(zhao)后(hou)(hou)，再(zai)次用SiO2懸浮液(ye)(ye)拋光輻照(zhao)(zhao)表(biao)(biao)面約1 h去除表(biao)(biao)面厚(hou)度1~2 μm，確(que)保經不同劑(ji)量輻照(zhao)(zhao)后(hou)(hou)的(de)試樣表(biao)(biao)面狀態保持一(yi)致。然后(hou)(hou)采用SSRT實驗(yan)在(zai)模擬壓水(shui)堆核電站一(yi)回(hui)(hui)路水(shui)環境中(zhong)研究輻照(zhao)(zhao)樣品的(de)變形(xing)行(xing)(xing)為(wei)、腐蝕行(xing)(xing)為(wei)及IASCC機制(zhi)。一(yi)回(hui)(hui)路水(shui)溶(rong)(rong)(rong)液(ye)(ye)中(zhong)含有1200 mg/L B、2.3 mg/L Li和(he)2.6 mg/L溶(rong)(rong)(rong)解氫(qing)（DH），其中(zhong)B和(he)Li分(fen)別以H3BO3和(he)LiOH·H2O形(xing)式加入，DH則通過控制(zhi)回(hui)(hui)路中(zhong)水(shui)箱中(zhong)的(de)H2分(fen)壓實現。實驗(yan)溫(wen)(wen)(wen)度為(wei)320 ℃，壓力為(wei)13 MPa。實驗(yan)開始(shi)前先向回(hui)(hui)路水(shui)箱中(zhong)鼓入H2排(pai)出回(hui)(hui)路中(zhong)溶(rong)(rong)(rong)解氧（DO）至小(xiao)于5 μg/L，然后(hou)(hou)控制(zhi)水(shui)箱中(zhong)H2分(fen)壓為(wei)0.08 MPa，以使溶(rong)(rong)(rong)液(ye)(ye)中(zhong)DH含量為(wei)2.6 mg/L。待回(hui)(hui)路中(zhong)DH含量穩定后(hou)(hou)迅速(su)升溫(wen)(wen)(wen)至實驗(yan)溫(wen)(wen)(wen)度，保溫(wen)(wen)(wen)72 h后(hou)(hou)開始(shi)SSRT實驗(yan)。

SSRT實(shi)(shi)驗(yan)采用(yong)的應變(bian)(bian)速率為(wei)3×10-7 s-1，共設(she)0.5、1.5、5.0 dpa以及固溶態未經輻照4種狀態的試(shi)樣。為(wei)研究IASCC萌生與變(bian)(bian)形(xing)(xing)行(xing)為(wei)的關系，采用(yong)間斷SSRT實(shi)(shi)驗(yan)，設(she)1%和3% 2個應變(bian)(bian)幅(fu)(fu)值。每個應變(bian)(bian)幅(fu)(fu)值實(shi)(shi)驗(yan)完成后(hou)，利用(yong)FEI XL30掃描電子顯(xian)微鏡（SEM）觀察分析(xi)試(shi)樣表面變(bian)(bian)形(xing)(xing)和裂紋萌生行(xing)為(wei)。而后(hou)將試(shi)樣清洗(xi)干凈繼續進行(xing)SSRT實(shi)(shi)驗(yan)至(zhi)下(xia)一(yi)個目標應變(bian)(bian)幅(fu)(fu)值。最后(hou)將試(shi)樣拉伸(shen)至(zhi)斷裂失效，分析(xi)其斷口。

聯合(he)采(cai)用電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)背散(san)射衍(yan)射（EBSD）和(he)(he)JEM 2100透射電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)顯微鏡(jing)（TEM）對試(shi)樣(yang)的變形(xing)行為(wei)(wei)進(jin)行觀(guan)(guan)(guan)(guan)察與分(fen)(fen)析(xi)。TEM用于觀(guan)(guan)(guan)(guan)察和(he)(he)分(fen)(fen)析(xi)變形(xing)的微觀(guan)(guan)(guan)(guan)結構和(he)(he)特征，包括形(xing)貌觀(guan)(guan)(guan)(guan)察、選(xuan)區電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)衍(yan)射（SAED）等(deng)。EBSD則對試(shi)樣(yang)的變形(xing)特征和(he)(he)殘余(yu)應變分(fen)(fen)布(bu)進(jin)行測(ce)量(liang)(liang)與分(fen)(fen)析(xi)。測(ce)量(liang)(liang)時(shi)，EBSD專用樣(yang)品(pin)(pin)臺與水平面(mian)(mian)夾(jia)角為(wei)(wei)70°，加(jia)速(su)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓選(xuan)為(wei)(wei)25 kV，測(ce)量(liang)(liang)步(bu)長設定為(wei)(wei)0.45 μm （400倍數(shu)下）和(he)(he)0.10 μm （3000倍數(shu)下）。數(shu)據采(cai)集完成后(hou)，采(cai)用配套的牛津儀器EBSD附件HKL-Tango軟件對數(shu)據點進(jin)行分(fen)(fen)析(xi)，得到晶粒(li)局部取向差(cha)分(fen)(fen)布(bu)、晶粒(li)取向、Schmidt因子(zi)等(deng)信息(xi)。TEM樣(yang)品(pin)(pin)通(tong)過(guo)電(dian)(dian)(dian)(dian)解(jie)(jie)(jie)減薄(bo)(bo)制(zhi)備：首(shou)先，將(jiang)(jiang)拉伸試(shi)樣(yang)在(zai)10% （體(ti)積分(fen)(fen)數(shu)，下同(tong)(tong)）高氯酸（質量(liang)(liang)分(fen)(fen)數(shu)，98%）和(he)(he)90%無水酒精的溶液中電(dian)(dian)(dian)(dian)解(jie)(jie)(jie)拋光(guang)5 s，去除樣(yang)品(pin)(pin)約3 μm厚度(du)的輻(fu)(fu)照(zhao)面(mian)(mian)表層（包括氧化膜），電(dian)(dian)(dian)(dian)解(jie)(jie)(jie)拋光(guang)的電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)為(wei)(wei)50 mA，溫度(du)為(wei)(wei)-15 ℃；然后(hou)將(jiang)(jiang)輻(fu)(fu)照(zhao)面(mian)(mian)的相(xiang)對面(mian)(mian)（非輻(fu)(fu)照(zhao)面(mian)(mian)）經水砂紙研磨(mo)減薄(bo)(bo)至厚度(du)小于60 μm，再沖孔出(chu)3個(ge)直(zhi)徑為(wei)(wei)3 mm的圓(yuan)片；最后(hou)，在(zai)TenuPol-5減薄(bo)(bo)儀上將(jiang)(jiang)圓(yuan)片從(cong)非輻(fu)(fu)照(zhao)面(mian)(mian)進(jin)行單(dan)面(mian)(mian)電(dian)(dian)(dian)(dian)解(jie)(jie)(jie)減薄(bo)(bo)至電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)能夠穿透。上述EBSD樣(yang)品(pin)(pin)同(tong)(tong)樣(yang)通(tong)過(guo)電(dian)(dian)(dian)(dian)解(jie)(jie)(jie)拋光(guang)方法制(zhi)備，電(dian)(dian)(dian)(dian)解(jie)(jie)(jie)液和(he)(he)電(dian)(dian)(dian)(dian)解(jie)(jie)(jie)參數(shu)與制(zhi)備TEM樣(yang)品(pin)(pin)相(xiang)同(tong)(tong)，拋光(guang)時(shi)間為(wei)(wei)15 s。

SSRT實驗后(hou)，選取(qu)試樣表面(mian)(mian)萌生的典型裂紋(wen)(wen)(wen)，利(li)用TEM觀(guan)察和(he)分(fen)析(xi)裂紋(wen)(wen)(wen)尖(jian)端區域(yu)的晶界腐(fu)蝕行為，包(bao)括腐(fu)蝕產物(wu)的形(xing)貌觀(guan)察、選區電子(zi)(zi)衍射結構分(fen)析(xi)以(yi)及能譜儀（EDS）成分(fen)分(fen)析(xi)。采(cai)用QUANTA 200 3D聚焦離子(zi)(zi)束系統(tong)制備(bei)包(bao)含裂紋(wen)(wen)(wen)尖(jian)端的TEM樣品(pin)，具體過程如下(xia)：首先選定尖(jian)銳狀(zhuang)裂紋(wen)(wen)(wen)，選定后(hou)在裂紋(wen)(wen)(wen)尖(jian)端表面(mian)(mian)沉(chen)積一層Pt用于確定取(qu)樣位置和(he)保護(hu)試樣表面(mian)(mian)腐(fu)蝕產物(wu)膜，再(zai)通過Ga離子(zi)(zi)束濺射，最終得到厚度(du)為60~80 nm的TEM樣品(pin)。

2 實驗結果

2.1 材料變(bian)形行(xing)為(wei)

2.1.1 EBSD分析

圖(tu)2和(he)(he)3是3%應(ying)變SSRT實驗(yan)后0.5和(he)(he)5.0 dpa輻(fu)照試樣的(de)EBSD分(fen)析結果。可以看出，試樣表(biao)面殘(can)余應(ying)變呈現不(bu)均(jun)勻分(fen)布，在(zai)晶界(jie)(jie)和(he)(he)滑移臺(tai)階(jie)處明顯(xian)集中（圖(tu)2b和(he)(he)3b）。晶粒局部取向(xiang)差分(fen)布（ML）可以定量反映材料(liao)殘(can)余應(ying)變的(de)大(da)小[20]，圖(tu)2c和(he)(he)3c所示為殘(can)余應(ying)變相對應(ying)ML的(de)統計(ji)結果。可見，5.0 dpa輻(fu)照試樣的(de)ML大(da)于(yu)0.5 dpa輻(fu)照試樣，表(biao)明試樣表(biao)面殘(can)余應(ying)變隨輻(fu)照劑量增加(jia)而(er)增加(jia)。特別地，在(zai)晶界(jie)(jie)處臺(tai)階(jie)呈連續滑移和(he)(he)不(bu)連續滑移2種狀態。

圖2   0.5 dpa輻照試樣經(jing)3%應(ying)變SSRT實驗后應(ying)力腐蝕開(kai)裂（SCC）區域的EBSD分析

圖3   5.0 dpa輻(fu)照試樣經3%應變(bian)SSRT實驗(yan)后SCC區(qu)域的EBSD分(fen)析

圖(tu)4給出了臺階連(lian)續滑移(yi)(yi)和不連(lian)續滑移(yi)(yi)晶界(jie)處的殘(can)余應(ying)變(bian)分布(bu)。發(fa)(fa)現同(tong)一輻照劑量下臺階不連(lian)續滑移(yi)(yi)增加晶界(jie)殘(can)余應(ying)變(bian)集(ji)中程度。對比殘(can)余應(ying)變(bian)分布(bu)和裂(lie)紋(wen)萌(meng)生(sheng)(sheng)(sheng)位置(zhi)（圖(tu)2a、b和圖(tu)3a、b），發(fa)(fa)現輻照試樣在一回路(lu)水中慢應(ying)變(bian)速率加載(zai)時，裂(lie)紋(wen)都首先在應(ying)變(bian)集(ji)中程度大的晶界(jie)處萌(meng)生(sheng)(sheng)(sheng)。利用EBSD分析(xi)該(gai)SCC區域(yu)，其晶粒(li)取向、晶界(jie)類型和Schmidt因(yin)子(zi)分布(bu)分別(bie)如(ru)圖(tu)2d~f和3d~f所(suo)示(shi)。裂(lie)紋(wen)沿隨(sui)機(ji)大角晶界(jie)（RGB）萌(meng)生(sheng)(sheng)(sheng)和擴展，孿(luan)晶界(jie)（CSL，Σ=3）和小角晶界(jie)（LAB）并未發(fa)(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)SCC。Schmidt因(yin)子(zi)分布(bu)圖(tu)表(biao)明，裂(lie)紋(wen)萌(meng)生(sheng)(sheng)(sheng)與毗鄰區域(yu)2個(ge)晶粒(li)的Schmidt因(yin)子(zi)數值大小有關。

圖4   5.0 dpa輻照試樣經3%應變SSRT實驗后晶界處(chu)滑移臺階的EBSD分析

圖(tu)5a總(zong)結(jie)了(le)實驗用材料(liao)中Schmidt因子(zi)的(de)分(fen)布，以各占50%比例將其均(jun)勻分(fen)成高(gao)低(di)2檔，即0.29~0.45范圍為低(di)Schmidt因子(zi)（L），0.45~0.50范圍為高(gao)Schmidt因子(zi)（H）。相應(ying)地，根據毗鄰(lin)2個晶粒(li)的(de)Schmidt因子(zi)，晶界(jie)可以定義為LL、LH和HH 3種類(lei)型，且所(suo)占比例約為1/4、1/2和1/4。圖(tu)2f和3f給出(chu)了(le)部分(fen)開裂RGB的(de)Schmidt因子(zi)對，圖(tu)5b是其統計結(jie)果(guo)。表(biao)明核用304不銹鋼發(fa)生IASCC傾向(xiang)由HH、LH至LL類(lei)型依次增加(jia)。

圖5   核用304不(bu)銹(xiu)鋼中晶(jing)粒的Schmidt因(yin)(yin)子(zi)分布和Schmidt因(yin)(yin)子(zi)對類型(xing)與晶(jing)界開裂(lie)的關(guan)系

2.1.2 TEM分析

圖(tu)6為0.5 dpa輻照試(shi)樣3%應變(bian)(bian)(bian)SSRT實驗后變(bian)(bian)(bian)形(xing)結(jie)構(gou)的(de)TEM像(xiang)與分析結(jie)果。可見，試(shi)樣內(nei)產生(sheng)明顯位(wei)(wei)(wei)(wei)錯(cuo)(cuo)通(tong)(tong)道(dao)(dao)（圖(tu)6a），而位(wei)(wei)(wei)(wei)錯(cuo)(cuo)通(tong)(tong)道(dao)(dao)內(nei)包含有堆垛層(ceng)錯(cuo)(cuo)和(he)位(wei)(wei)(wei)(wei)錯(cuo)(cuo)等(deng)變(bian)(bian)(bian)形(xing)結(jie)構(gou)（圖(tu)6b和(he)c），表(biao)明位(wei)(wei)(wei)(wei)錯(cuo)(cuo)通(tong)(tong)道(dao)(dao)內(nei)的(de)微觀結(jie)構(gou)隨(sui)變(bian)(bian)(bian)形(xing)發生(sheng)演(yan)變(bian)(bian)(bian)。圖(tu)6d給出(chu)了位(wei)(wei)(wei)(wei)錯(cuo)(cuo)通(tong)(tong)道(dao)(dao)演(yan)變(bian)(bian)(bian)過程的(de)TEM觀察結(jie)果。位(wei)(wei)(wei)(wei)錯(cuo)(cuo)通(tong)(tong)道(dao)(dao)頭(tou)部先形(xing)成大量纏結(jie)狀位(wei)(wei)(wei)(wei)錯(cuo)(cuo)，并排(pai)排(pai)列的(de)平(ping)(ping)面層(ceng)錯(cuo)(cuo)緊隨(sui)其后，最(zui)后在通(tong)(tong)道(dao)(dao)末端(duan)缺陷密度(du)快速減少。位(wei)(wei)(wei)(wei)錯(cuo)(cuo)通(tong)(tong)道(dao)(dao)呈(cheng)平(ping)(ping)面滑移(yi)，易于與晶(jing)界(jie)相交并將位(wei)(wei)(wei)(wei)錯(cuo)(cuo)傳輸到晶(jing)界(jie)，造成晶(jing)界(jie)區域位(wei)(wei)(wei)(wei)錯(cuo)(cuo)塞積(ji)，如圖(tu)6e和(he)f所示。

圖6   0.5 dpa輻照試樣經3%應變SSRT實驗后變形結構的TEM像及分析

2.2 SCC行為

2.2.1 表(biao)面(mian)觀察(cha)與分析

SSRT實(shi)驗(yan)后，未經(jing)輻照(zhao)和輻照(zhao)試樣表(biao)(biao)面(mian)SCC行為(wei)的(de)觀察結果如圖7所(suo)示。輻照(zhao)試樣表(biao)(biao)面(mian)發(fa)生(sheng)(sheng)沿(yan)晶SCC并伴有明(ming)(ming)顯(xian)變(bian)形導致的(de)滑(hua)移臺階(jie)，而(er)未經(jing)輻照(zhao)的(de)試樣表(biao)(biao)面(mian)只有少(shao)許淺顯(xian)的(de)滑(hua)移臺階(jie)，并未發(fa)生(sheng)(sheng)SCC （圖7a~d）。分析SCC發(fa)生(sheng)(sheng)區域滑(hua)移臺階(jie)與(yu)晶界(jie)作用(yong)，發(fa)現SCC與(yu)晶界(jie)處滑(hua)移臺階(jie)不連(lian)續(xu)有關，如圖7e~f所(suo)示。圖8是表(biao)(biao)面(mian)裂紋(wen)以及滑(hua)移臺階(jie)連(lian)續(xu)性與(yu)SCC關系的(de)統計結果。可見，臺階(jie)在(zai)晶界(jie)處的(de)不連(lian)續(xu)滑(hua)移明(ming)(ming)顯(xian)促(cu)進晶界(jie)開裂，且(qie)裂紋(wen)數量隨(sui)輻照(zhao)劑量和應(ying)變(bian)增加(jia)而(er)增加(jia)，表(biao)(biao)明(ming)(ming)增加(jia)輻照(zhao)劑量和外加(jia)應(ying)變(bian)明(ming)(ming)顯(xian)促(cu)進304核用(yong)不銹鋼(gang)在(zai)模擬壓(ya)水堆(dui)一回(hui)路(lu)水中的(de)SCC萌生(sheng)(sheng)敏感性。

圖(tu)7   核用304不銹鋼3%應變(bian)SSRT實驗后(hou)SCC行為的表(biao)面(mian)SEM像及滑移臺(tai)階與(yu)晶界作用示意圖(tu)

圖(tu)8   核用304不銹(xiu)鋼間(jian)斷SSRT實(shi)驗后(hou)表面SCC裂紋統(tong)計結(jie)果

圖9是SSRT實(shi)驗至斷(duan)裂(lie)(lie)失效后表(biao)面二(er)(er)次裂(lie)(lie)紋觀察結果。未輻(fu)照試樣(yang)表(biao)面二(er)(er)次裂(lie)(lie)紋以穿晶(jing)應力(li)腐蝕(shi)裂(lie)(lie)紋（TGSCC）為主(zhu)，而輻(fu)照后的試樣(yang)都(dou)為沿晶(jing)應力(li)腐蝕(shi)裂(lie)(lie)紋（IGSCC），且二(er)(er)次裂(lie)(lie)紋長度數量隨輻(fu)照劑量增(zeng)加而增(zeng)加。

圖(tu)9   核用304不銹鋼SSRT實驗至斷裂失效后表面二次裂紋的SEM像

2.2.2 裂(lie)紋尖端結構(gou)特征

圖10和(he)11為(wei)(wei)3%應變SSRT實(shi)驗(yan)后0.5和(he)5.0 dpa輻(fu)(fu)(fu)照(zhao)(zhao)(zhao)試(shi)樣(yang)(yang)中裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)尖(jian)(jian)端(duan)(duan)結(jie)構(gou)(gou)特征的TEM像與(yu)分(fen)析(xi)。電子(zi)衍射分(fen)析(xi)表明(ming)(ming)，裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)尖(jian)(jian)端(duan)(duan)部位(wei)(wei)有(you)(you)明(ming)(ming)顯變形(xing)結(jie)構(gou)(gou)，為(wei)(wei)加載過程(cheng)中產生(sheng)的大(da)量位(wei)(wei)錯和(he)孿晶(jing)變形(xing)帶(dai)。裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)開口(kou)內覆蓋有(you)(you)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)顆粒，裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)尖(jian)(jian)端(duan)(duan)部位(wei)(wei)則形(xing)成(cheng)(cheng)連續狀(zhuang)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)，氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)長度和(he)寬(kuan)度隨(sui)輻(fu)(fu)(fu)照(zhao)(zhao)(zhao)劑(ji)(ji)量變化(hua)(hua)(hua)(hua)有(you)(you)所不同（圖10a和(he)11a）。0.5 dpa輻(fu)(fu)(fu)照(zhao)(zhao)(zhao)試(shi)樣(yang)(yang)裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)尖(jian)(jian)端(duan)(duan)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)長約160 nm，而5.0 dpa輻(fu)(fu)(fu)照(zhao)(zhao)(zhao)試(shi)樣(yang)(yang)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)長約為(wei)(wei)230 nm，且其寬(kuan)度也明(ming)(ming)顯大(da)于0.5 dpa輻(fu)(fu)(fu)照(zhao)(zhao)(zhao)試(shi)樣(yang)(yang)上的氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)。EDS結(jie)果表明(ming)(ming)，2種輻(fu)(fu)(fu)照(zhao)(zhao)(zhao)劑(ji)(ji)量下裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)尖(jian)(jian)端(duan)(duan)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)均貧Cr和(he)Ni，但(dan)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)的Cr含量存在差(cha)異（圖10a和(he)11a）。0.5 dpa輻(fu)(fu)(fu)照(zhao)(zhao)(zhao)試(shi)樣(yang)(yang)裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)尖(jian)(jian)端(duan)(duan)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)的Cr含量約為(wei)(wei)12.7% （原(yuan)子(zi)分(fen)數(shu)，下同），增(zeng)加輻(fu)(fu)(fu)照(zhao)(zhao)(zhao)劑(ji)(ji)量至(zhi)5.0 dpa時，裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)尖(jian)(jian)端(duan)(duan)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)的Cr含量降低(di)至(zhi)6.6%。此(ci)外，用EDS還分(fen)析(xi)了距離裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)尖(jian)(jian)端(duan)(duan)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)約200 nm處輻(fu)(fu)(fu)照(zhao)(zhao)(zhao)偏(pian)析(xi)致(zhi)晶(jing)界化(hua)(hua)(hua)(hua)學成(cheng)(cheng)分(fen)變化(hua)(hua)(hua)(hua)，如圖10c和(he)11c所示。0.5和(he)5.0 dpa輻(fu)(fu)(fu)照(zhao)(zhao)(zhao)試(shi)樣(yang)(yang)晶(jing)界處都發生(sheng)了富Ni和(he)貧Cr，但(dan)貧Cr程(cheng)度隨(sui)輻(fu)(fu)(fu)照(zhao)(zhao)(zhao)劑(ji)(ji)量增(zeng)加而增(zeng)加。

圖10   0.5 dpa輻照試樣經(jing)3%應變SSRT實驗后裂紋(wen)尖(jian)端TEM像與分(fen)析

圖11   5.0 dpa輻照試樣(yang)經3%應(ying)變(bian)SSRT實驗后裂紋尖端TEM像與分析

2.2.3 斷口觀察與(yu)分析

圖12為(wei)一(yi)回路水(shui)環境中SSRT實(shi)驗后0.5和5.0 dpa輻(fu)照(zhao)試樣斷(duan)(duan)口的(de)SEM像，其沿試樣厚度方向(xiang)分(fen)為(wei)3層：IGSCC區(qu)(qu)、TGSCC區(qu)(qu)和韌性(xing)斷(duan)(duan)裂區(qu)(qu)。表(biao)層以下(xia)(xia)100 μm范(fan)圍內(nei)觀(guan)察到(dao)冰糖狀(zhuang)斷(duan)(duan)口，可辨(bian)識(shi)該區(qu)(qu)域(yu)發(fa)生IGSCC斷(duan)(duan)裂（圖12a和d）。在IGSCC區(qu)(qu)域(yu)，觀(guan)察到(dao)明(ming)顯的(de)滑移臺(tai)階，滑移臺(tai)階與晶(jing)界相交，表(biao)明(ming)IGSCC受滑移臺(tai)階與晶(jing)界相互作用影響，這與SCC行為(wei)表(biao)面觀(guan)察結果(guo)一(yi)致(zhi)。根據輻(fu)照(zhao)損傷(shang)深(shen)度分(fen)布，只有(you)表(biao)層以下(xia)(xia)20 μm范(fan)圍為(wei)輻(fu)照(zhao)區(qu)(qu)域(yu)，表(biao)明(ming)80~100 μm范(fan)圍IGSCC由輻(fu)照(zhao)損傷(shang)層擴展而(er)來。IGSCC層向(xiang)下(xia)(xia)依次為(wei)TGSCC和韌性(xing)斷(duan)(duan)裂區(qu)(qu)，且(qie)TGSCC層深(shen)度隨輻(fu)照(zhao)劑量增(zeng)加(jia)而(er)增(zeng)加(jia)。

圖12   0.5和(he)5.0 dpa輻照(zhao)試(shi)樣在一回路(lu)水(shui)中SSRT實(shi)驗后斷口的SEM像

3 分(fen)析討論

3.1 輻照致材(cai)料變(bian)形行為變(bian)化

如(ru)圖2,3,4所示，SSRT實驗后(hou)材(cai)料表(biao)面(mian)滑移(yi)臺階(jie)(jie)和晶(jing)界(jie)(jie)處殘余應變集(ji)中程(cheng)度(du)隨輻(fu)照(zhao)(zhao)劑(ji)量增(zeng)加(jia)(jia)而(er)增(zeng)加(jia)(jia)，且臺階(jie)(jie)不(bu)(bu)連續滑移(yi)更能造成(cheng)晶(jing)界(jie)(jie)殘余應變集(ji)中。材(cai)料輻(fu)照(zhao)(zhao)后(hou)產生的大量位(wei)錯(cuo)環(huan)等缺陷造成(cheng)位(wei)錯(cuo)運(yun)動受(shou)阻，在應力作用(yong)(yong)下，材(cai)料發生局(ju)部非均(jun)勻(yun)變形，形成(cheng)位(wei)錯(cuo)通道（圖6）。位(wei)錯(cuo)通道一方面(mian)將(jiang)位(wei)錯(cuo)環(huan)等缺陷傳輸至(zhi)晶(jing)界(jie)(jie)，導(dao)致晶(jing)界(jie)(jie)區位(wei)錯(cuo)塞積和發生劇烈剪切應變，如(ru)圖6e和f所示。另(ling)一方面(mian)，位(wei)錯(cuo)通道與(yu)試(shi)樣表(biao)面(mian)相(xiang)交，通道內位(wei)錯(cuo)與(yu)試(shi)樣表(biao)面(mian)作用(yong)(yong)形成(cheng)滑移(yi)臺階(jie)(jie)（圖7）。研究(jiu)[21]表(biao)明，核(he)用(yong)(yong)304不(bu)(bu)銹鋼(gang)受(shou)輻(fu)照(zhao)(zhao)后(hou)位(wei)錯(cuo)環(huan)的數量密度(du)和尺寸(cun)都隨輻(fu)照(zhao)(zhao)劑(ji)量增(zeng)加(jia)(jia)而(er)增(zeng)加(jia)(jia)。因此(ci)，在加(jia)(jia)載過程(cheng)中高劑(ji)量輻(fu)照(zhao)(zhao)試(shi)樣更易發生不(bu)(bu)均(jun)勻(yun)變形，晶(jing)界(jie)(jie)和滑移(yi)臺階(jie)(jie)處殘余應變集(ji)中程(cheng)度(du)也相(xiang)應較高。

3.2 輻(fu)照(zhao)致(zhi)裂紋尖端區域晶界腐蝕行為變化

裂(lie)紋(wen)尖端TEM觀察和(he)(he)(he)(he)分(fen)析(xi)（圖(tu)10和(he)(he)(he)(he)11）得到以(yi)下(xia)特征：裂(lie)紋(wen)尖端晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)界(jie)(jie)(jie)與裂(lie)紋(wen)面形(xing)(xing)成(cheng)了連續(xu)狀氧化(hua)物，周圍存在明顯變(bian)(bian)形(xing)(xing)結構(gou)，且在前沿(yan)未氧化(hua)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)界(jie)(jie)(jie)處發生貧(pin)Cr富Ni成(cheng)分(fen)偏(pian)析(xi)。上述(shu)特征表明，裂(lie)紋(wen)尖端晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)界(jie)(jie)(jie)腐(fu)蝕(shi)行(xing)為與晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)界(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)(xing)和(he)(he)(he)(he)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)界(jie)(jie)(jie)化(hua)學成(cheng)分(fen)變(bian)(bian)化(hua)緊密相關。當試樣(yang)表面暴露于高(gao)溫高(gao)壓水環境(jing)，由于輻(fu)照(zhao)偏(pian)析(xi)造成(cheng)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)界(jie)(jie)(jie)處貧(pin)Cr （圖(tu)10c和(he)(he)(he)(he)11c），晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)界(jie)(jie)(jie)首先發生加速氧化(hua)[19]。而在隨后加載過程中(zhong)，腐(fu)蝕(shi)行(xing)為還受變(bian)(bian)形(xing)(xing)行(xing)為影(ying)響[22]。如3.1節所述(shu)，加載過程中(zhong)試樣(yang)發生不均勻變(bian)(bian)形(xing)(xing)，導致晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)界(jie)(jie)(jie)區(qu)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)格畸變(bian)(bian)和(he)(he)(he)(he)殘余應變(bian)(bian)集中(zhong)（圖(tu)2b和(he)(he)(he)(he)3b）。晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)格畸變(bian)(bian)和(he)(he)(he)(he)殘余應變(bian)(bian)能夠提高(gao)氧在晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)界(jie)(jie)(jie)區(qu)的(de)擴散速率，從而促進氧化(hua)[23,24]。

如上(shang)所(suo)(suo)述，0.5和(he)(he)5.0 dpa輻(fu)照(zhao)試樣裂紋尖端區域晶(jing)(jing)界(jie)腐(fu)蝕行為變化可歸因于輻(fu)照(zhao)偏析(xi)和(he)(he)晶(jing)(jing)界(jie)變形(xing)程(cheng)度的差異。如圖10c和(he)(he)11c所(suo)(suo)示，輻(fu)照(zhao)劑量由0.5 dpa增(zeng)(zeng)加(jia)至(zhi)5.0 dpa，原始晶(jing)(jing)界(jie)貧Cr程(cheng)度增(zeng)(zeng)加(jia)，導致氧化物中Cr含量（圖10a和(he)(he)11a）和(he)(he)氧化物保護性降低(di)。另一方(fang)面，增(zeng)(zeng)加(jia)輻(fu)照(zhao)劑量促進(jin)(jin)材(cai)料不均(jun)勻變形(xing)程(cheng)度升(sheng)高，導致晶(jing)(jing)界(jie)應變集中程(cheng)度增(zeng)(zeng)加(jia)，進(jin)(jin)而促進(jin)(jin)氧化速率(lv)加(jia)快。因此(ci)，增(zeng)(zeng)加(jia)輻(fu)照(zhao)劑量通過降低(di)氧化物Cr含量和(he)(he)促進(jin)(jin)晶(jing)(jing)界(jie)變形(xing)共同促進(jin)(jin)晶(jing)(jing)界(jie)腐(fu)蝕行為。

3.3 輻照致變形行(xing)為(wei)(wei)和晶界腐蝕行(xing)為(wei)(wei)變化對(dui)IASCC的影響

如圖8所示，增加(jia)輻照劑量明顯(xian)促進(jin)核用304不銹鋼(gang)在壓水(shui)堆一(yi)回路水(shui)中(zhong)的IASCC敏感性，而輻照致材料變(bian)形行(xing)為和(he)晶(jing)界腐蝕行(xing)為變(bian)化是促進(jin)IASCC發(fa)生的關鍵因素。

分(fen)析發(fa)(fa)現，IASCC區域有明(ming)顯(xian)局(ju)(ju)(ju)(ju)部(bu)(bu)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)，裂(lie)(lie)(lie)(lie)紋(wen)主要沿(yan)應(ying)變(bian)(bian)(bian)(bian)集(ji)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)程度(du)高(gao)的(de)(de)(de)(de)RGB萌(meng)(meng)生(sheng)(sheng)，CSL和(he)(he)(he)LAB未發(fa)(fa)生(sheng)(sheng)IASCC，且裂(lie)(lie)(lie)(lie)紋(wen)毗鄰晶(jing)(jing)(jing)粒(li)的(de)(de)(de)(de)Schmidt因(yin)(yin)子(zi)較(jiao)小(xiao)。研(yan)究(jiu)[25,26,27]表(biao)明(ming)，在(zai)(zai)304不銹鋼、316L不銹鋼、600合金(jin)以及(ji)690合金(jin)等(deng)奧(ao)氏(shi)(shi)體合金(jin)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)，隨(sui)著(zhu)LAB及(ji)CSL晶(jing)(jing)(jing)界(jie)數(shu)量的(de)(de)(de)(de)增多，應(ying)力腐蝕(shi)(shi)裂(lie)(lie)(lie)(lie)紋(wen)的(de)(de)(de)(de)數(shu)量和(he)(he)(he)長度(du)減小(xiao)，說(shuo)明(ming)3類(lei)(lei)晶(jing)(jing)(jing)界(jie)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)RGB抗SCC性能最差(cha)。因(yin)(yin)此(ci)，實驗中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)觀察的(de)(de)(de)(de)IASCC裂(lie)(lie)(lie)(lie)紋(wen)都(dou)萌(meng)(meng)生(sheng)(sheng)于RGB。局(ju)(ju)(ju)(ju)部(bu)(bu)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)造(zao)(zao)成(cheng)晶(jing)(jing)(jing)界(jie)位(wei)(wei)錯(cuo)(cuo)塞集(ji)和(he)(he)(he)發(fa)(fa)生(sheng)(sheng)劇(ju)烈剪切應(ying)變(bian)(bian)(bian)(bian)。晶(jing)(jing)(jing)界(jie)位(wei)(wei)錯(cuo)(cuo)塞積造(zao)(zao)成(cheng)局(ju)(ju)(ju)(ju)部(bu)(bu)應(ying)變(bian)(bian)(bian)(bian)集(ji)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)，當超過某一臨(lin)界(jie)應(ying)變(bian)(bian)(bian)(bian)值后，晶(jing)(jing)(jing)界(jie)發(fa)(fa)生(sheng)(sheng)開裂(lie)(lie)(lie)(lie)。Hou等(deng)[28,29]在(zai)(zai)研(yan)究(jiu)高(gao)溫水中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)冷加工奧(ao)氏(shi)(shi)體合金(jin)的(de)(de)(de)(de)SCC時也有相(xiang)似發(fa)(fa)現。晶(jing)(jing)(jing)界(jie)應(ying)變(bian)(bian)(bian)(bian)集(ji)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)程度(du)受Schmidt因(yin)(yin)子(zi)對(dui)類(lei)(lei)型(xing)和(he)(he)(he)輻(fu)(fu)照(zhao)劑量等(deng)因(yin)(yin)素影響(xiang)。如圖13所(suo)示，當毗鄰晶(jing)(jing)(jing)粒(li)Schmidt因(yin)(yin)子(zi)對(dui)較(jiao)大時，晶(jing)(jing)(jing)界(jie)平面切應(ying)力增大，臺階滑移(yi)連續(xu)，位(wei)(wei)錯(cuo)(cuo)易(yi)(yi)穿(chuan)過晶(jing)(jing)(jing)界(jie)，晶(jing)(jing)(jing)界(jie)應(ying)變(bian)(bian)(bian)(bian)集(ji)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)程度(du)低(di)（圖13c）。而當試(shi)樣(yang)拉伸軸方向與(yu)晶(jing)(jing)(jing)界(jie)平面近于垂(chui)直時（Schmidt因(yin)(yin)子(zi)對(dui)較(jiao)小(xiao)），晶(jing)(jing)(jing)界(jie)平面切應(ying)力小(xiao)，滑移(yi)臺階易(yi)(yi)終止于晶(jing)(jing)(jing)界(jie)，晶(jing)(jing)(jing)界(jie)滑動和(he)(he)(he)位(wei)(wei)錯(cuo)(cuo)傳輸難以發(fa)(fa)生(sheng)(sheng)，造(zao)(zao)成(cheng)晶(jing)(jing)(jing)界(jie)局(ju)(ju)(ju)(ju)部(bu)(bu)應(ying)變(bian)(bian)(bian)(bian)集(ji)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)（圖13d）。如圖2c和(he)(he)(he)3c所(suo)示，5.0 dpa輻(fu)(fu)照(zhao)試(shi)樣(yang)晶(jing)(jing)(jing)界(jie)應(ying)變(bian)(bian)(bian)(bian)集(ji)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)程度(du)高(gao)于0.5 dpa輻(fu)(fu)照(zhao)試(shi)樣(yang)，其晶(jing)(jing)(jing)界(jie)更(geng)易(yi)(yi)開裂(lie)(lie)(lie)(lie)。另(ling)一方面，如圖14所(suo)示，在(zai)(zai)高(gao)溫高(gao)壓(ya)水腐蝕(shi)(shi)環境與(yu)應(ying)力的(de)(de)(de)(de)交互作用下，輻(fu)(fu)照(zhao)促(cu)進(jin)(jin)局(ju)(ju)(ju)(ju)部(bu)(bu)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)和(he)(he)(he)輻(fu)(fu)照(zhao)偏析也會促(cu)進(jin)(jin)材料(liao)的(de)(de)(de)(de)腐蝕(shi)(shi)行為（圖14a），而腐蝕(shi)(shi)行為的(de)(de)(de)(de)改變(bian)(bian)(bian)(bian)會影響(xiang)IASCC的(de)(de)(de)(de)發(fa)(fa)生(sheng)(sheng)。加載過程中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)，晶(jing)(jing)(jing)界(jie)發(fa)(fa)生(sheng)(sheng)剪切應(ying)變(bian)(bian)(bian)(bian)導致氧化膜破裂(lie)(lie)(lie)(lie)，也會促(cu)進(jin)(jin)IASCC的(de)(de)(de)(de)萌(meng)(meng)生(sheng)(sheng)及(ji)擴(kuo)展[30]（圖14a和(he)(he)(he)b）。

圖13   Schmidt因(yin)子和臺階(jie)滑(hua)移(yi)促進晶界應變集(ji)中示意圖

圖14   晶界(jie)局部變形和局部腐蝕促進IASCC機制示(shi)意圖

值(zhi)得注(zhu)意的(de)是(shi)，慢應變速(su)率加載(zai)下(xia)晶(jing)界變形(xing)速(su)率較快，腐(fu)蝕(shi)(shi)對IASCC的(de)促進作用(yong)可能(neng)被弱化(hua)，這很可能(neng)就是(shi)造(zao)成晶(jing)界腐(fu)蝕(shi)(shi)行(xing)為與IASCC關聯存在(zai)爭議的(de)原因。因此，全面澄清(qing)輻照(zhao)致材料變形(xing)行(xing)為和腐(fu)蝕(shi)(shi)行(xing)為變化(hua)對IASCC的(de)影響機(ji)制(zhi)，今后需要深入(ru)系統研究不(bu)同(tong)類型(xing)載(zai)荷下(xia)的(de)IASCC行(xing)為，揭示高(gao)溫高(gao)壓水環境不(bu)同(tong)類型(xing)載(zai)荷下(xia)晶(jing)界變形(xing)與腐(fu)蝕(shi)(shi)交互作用(yong)及其(qi)沿晶(jing)開裂(lie)機(ji)制(zhi)的(de)異同(tong)。

4 結論

（1） 核用304不(bu)(bu)銹鋼晶界和表面滑(hua)移臺(tai)階處(chu)的(de)(de)殘余應(ying)變集(ji)中(zhong)程(cheng)度隨輻照劑量增加而增加，且臺(tai)階不(bu)(bu)連(lian)續(xu)滑(hua)移提高晶界殘余應(ying)變集(ji)中(zhong)程(cheng)度。臺(tai)階不(bu)(bu)連(lian)續(xu)滑(hua)移的(de)(de)形(xing)成傾向由(you)毗(pi)鄰晶粒的(de)(de)Schmidt因子對類型HH、LH至(zhi)LL依次增加。

（2） 輻照(zhao)后(hou)核用304不銹鋼在模擬壓水(shui)堆(dui)一回路水(shui)中(zhong)的變(bian)形結構(gou)主要為(wei)位(wei)錯通(tong)道，位(wei)錯通(tong)道呈平面滑移(yi)，易于與晶界相交并(bing)將位(wei)錯傳輸(shu)到(dao)晶界，造成晶界區域(yu)位(wei)錯塞(sai)積和應變(bian)集中(zhong)。

（3） 輻(fu)照(zhao)(zhao)試樣晶(jing)界在模擬壓水堆(dui)一回路水中發(fa)生明顯氧化，且氧化程度隨輻(fu)照(zhao)(zhao)劑(ji)量(liang)增加而加劇。這(zhe)與(yu)增加輻(fu)照(zhao)(zhao)劑(ji)量(liang)促進晶(jing)界貧Cr和應變(bian)集中程度緊密(mi)相關。

（4） 增加輻(fu)照劑量促進核(he)用304不銹鋼在(zai)模擬壓水(shui)堆(dui)一回路水(shui)中的IASCC敏(min)感性。輻(fu)照致材料變形行為和晶界腐蝕行為變化(hua)是促進IASCC發生的關(guan)鍵(jian)因素。