長期中子輻照Al-Mg-Si 合金的壓縮力學(xué)行為*

胡 凌，鄭 航，馮琦杰，周 韋，葉想平，盧 磊

（1. 中國工程物理研究院流體物理研究所沖擊波物理與爆轟物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽 621999；2. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系材料行為和設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230027；3. 中國工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所，四川 綿陽 621999；4. 西南交通大學(xué)材料先進(jìn)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031）

目前，關(guān)于中子輻照對鋁合金物理力學(xué)性能的影響研究較多。郁金南等[2]分別從輻照條件（輻照溫度和積分通量）和材料狀態(tài)（鋁合金內(nèi)部的雜質(zhì)、合金元素、冷加工和熱處理等）兩方面綜述了輻照效應(yīng)對不同狀態(tài)的鋁合金拉伸力學(xué)性能的影響，并建立了積分中子通量與宏觀力學(xué)性能的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。Packan[3]系統(tǒng)研究了在較寬輻照中子通量和輻照溫度下，高純鋁內(nèi)部微觀輻照缺陷（位錯(cuò)環(huán)和空洞）尺寸及密度的演變以及對力學(xué)性能的影響。Farrell 等[4]和劉建章[5]則以6061 鋁合金為主研究了Al-Mg-Si 合金在不同能譜的中子輻照下力學(xué)性能的變化，其中Farrell 等[4]主主要研究了熱中子通量和快中子通量分別對于6061-T6 鋁合金力學(xué)性能（屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率）的影響，劉建章[5]則針對具體反應(yīng)堆中不同比例的熱中子/快中子組合對6061-T651 鋁合金力學(xué)性能的影響進(jìn)行了研究。上述相關(guān)研究均以維護(hù)反應(yīng)堆常規(guī)運(yùn)行時(shí)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性為主要工程背景，重點(diǎn)關(guān)注輻照金屬材料的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸力學(xué)性能，而對于輻照后的鋁合金在動(dòng)態(tài)加載下塑性流動(dòng)行為的研究卻少見相關(guān)報(bào)道。當(dāng)發(fā)生災(zāi)難和意外，如金屬材料處于地震、爆炸及沖擊等動(dòng)力荷載作用時(shí)，其力學(xué)特性與準(zhǔn)靜態(tài)荷載作用下有著本質(zhì)的差別，具體表現(xiàn)在更復(fù)雜的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，以及屈服強(qiáng)度、延性、彈性模量、阻尼比等特征參數(shù)出現(xiàn)的趨勢性的差異。因此，在核反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，同樣需要對結(jié)構(gòu)材料在較寬溫度、較寬應(yīng)變率范圍和大變形下的性能進(jìn)行全面深入的研究，并據(jù)此建立相應(yīng)的本構(gòu)模型，以獲得更高的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)極限。國內(nèi)外對于未經(jīng)輻照的Al-Mg-Si 合金在不同溫度和應(yīng)變率下的力學(xué)性能及本構(gòu)模型研究較多，但主要側(cè)重于溫度效應(yīng)和應(yīng)變率效應(yīng)中的一個(gè)方面，如6061 鋁合金在200～600 ℃的高溫流變行為通常用Arrhenius雙曲正弦模型描述[6-8]，而在不同應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能常用Johnson-Cook 模型描述[9-10]，目前尚未報(bào)道過關(guān)于中子輻照后Al-Mg-Si 合金在較寬溫度和應(yīng)變率范圍內(nèi)的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)及本構(gòu)模型的研究。同時(shí)，反應(yīng)堆內(nèi)真實(shí)服役的金屬材料與隨堆輻照或輻照模擬技術(shù)獲得的輻照金屬材料在輻照環(huán)境及輻照時(shí)長等方面存在明顯的差異，通過對反應(yīng)堆內(nèi)真實(shí)服役的Al-Mg-Si 合金的實(shí)驗(yàn)及本構(gòu)模型研究，不僅能夠獲得極度稀缺的力學(xué)性能數(shù)據(jù)，也可為反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)、運(yùn)行，以及抗震、抗爆和抗沖擊性能的評估提供參考。

為了揭示長期中子輻照后的Al-Mg-Si 合金在極端環(huán)境下的力學(xué)行為，本文利用材料試驗(yàn)機(jī)和分離式霍普金森壓桿（split Hopkinson pressure bar, SHPB）裝置，開展長期中子輻照后的Al-Mg-Si 合金在較寬溫度（?80～300 ℃）以及較寬應(yīng)變率范圍（1.0×10?3～5.0×103s?1）下壓縮力學(xué)行為的實(shí)驗(yàn)研究，討論材料的應(yīng)變率效應(yīng)以及溫度效應(yīng)；同時(shí)，考慮微觀輻照損傷對材料力學(xué)性能的影響，建立位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)本構(gòu)模型，模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠較好的吻合，并結(jié)合微觀數(shù)據(jù)對反應(yīng)堆內(nèi)同一結(jié)構(gòu)元件不同區(qū)域（不同輻照劑量）的屈服強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

本文所使用的長期中子輻照后的Al-Mg-Si 合金來自中國工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所，國產(chǎn)牌號為LT21（前蘇聯(lián)對應(yīng)牌號為CAB-1），取自某反應(yīng)堆靠近堆芯活性區(qū)的上聯(lián)板圍箱東側(cè)某區(qū)域，實(shí)際服役近30 年，承受了較高的積分中子通量，主要功能為包圍反應(yīng)堆堆芯燃料及其他組件，形成冷卻通道，使冷卻劑流過堆芯時(shí)帶走堆芯運(yùn)行所產(chǎn)生的熱量。馮琦杰等[11]通過“堆芯歸并”的等效計(jì)算方法求得本材料在整個(gè)服役期間所經(jīng)受的總積分中子通量約為2.33×1020cm?2，其中快中子（E＞0.1 MeV）通量約占20%為4.66×1019cm?2，熱中子通量（E＜0.625 eV）約占55%為1.28×1020cm?2。

在進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)前，使用電子探針分析技術(shù)（electron probe micro analyzer, EPMA）對材料進(jìn)行化學(xué)元素成分分析，獲得其主要的化學(xué)成分如表1 所示。值得一提的是，表1 中的Fe 元素來自于冶煉過程，在所有鋁合金中均存在，與輻照無關(guān)。使用X 射線衍射分析技術(shù)（X-ray diffraction, XRD）對材料進(jìn)行物相分析，結(jié)果表明，除了主峰為基體Al 外，確認(rèn)材料內(nèi)部非基體元素以第二相Mg2Si、AlSiFe 和單質(zhì)Si 三種形式存在。使用背散射衍射技術(shù)（electron backscatter diffraction, EBSD）獲得材料的 晶體取 向成像 圖如圖1 所 示。由圖1 可 知，材 料內(nèi)部 無明顯 織構(gòu)，可 視為（偽）各 向同性 材料。使用同步 輻射三 維X 射線斷 層攝影 技術(shù)（3D X-ray computed tomography, XCT）經(jīng)三 維重構(gòu) 后獲得 材料內(nèi)部亞微米 級孔洞（絕大 部分為 輻照空 洞）的體 積分?jǐn)?shù) 為0.005 3%，由于材 料內(nèi)部 的孔洞 所占體 積比非 常小，可認(rèn) 為經(jīng)典 塑性力 學(xué)里的 塑性體 積不可壓 假定仍 然成立。使用 脈沖波 發(fā)射/接 受裝置，分別 測量并 求得材料的 縱波聲 速和橫 波聲速，通過 計(jì)算求得 楊氏模 量和剪 切模量 分別為75.86 和28.48 GPa。以上實(shí) 驗(yàn)的具體過 程將另 文再述。

表1 被輻照LT21 鋁合金主要化學(xué)元素成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 Mass fraction of mian chemical elements in irradiated LT21 aluminum alloy

圖1 EBSD 獲得的服役30 年的LT21 鋁合金晶體取向成像圖Fig.1 Inverse pole figure map of decommissioned LT21 aluminum alloy obtained from EBSD characterization

式中：E0、C0及A0分別為壓桿材料的楊氏模量、一維應(yīng)力彈性縱波聲速及壓桿的橫截面積，As和Ls分別為實(shí)驗(yàn)試樣的橫截面積及長度。在壓縮加載下，材料的工程應(yīng)力和工程應(yīng)變可以通過以下公式轉(zhuǎn)化為真應(yīng)力和真應(yīng)變：

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

反應(yīng)堆內(nèi)服役30 年的LT21 鋁合金在寬溫度范圍（?80～300 ℃）下的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖2 所示，可知材料在應(yīng)變率為1.0×10?3s?1的壓縮變形過程中展現(xiàn)出了良好的塑性。圖3 為固定塑性應(yīng)變下，對應(yīng)的流動(dòng)應(yīng)力隨實(shí)驗(yàn)溫度的變化趨勢。結(jié)合圖2 和圖3 可知，在?40～300 ℃溫度范圍內(nèi)，材料的屈服強(qiáng)度、流動(dòng)應(yīng)力和加工硬化行為隨溫度升高而有降低的趨勢，表現(xiàn)出明顯的溫度軟化效應(yīng)，當(dāng)溫度至300 ℃時(shí)，材料的大部分塑性變形行為已經(jīng)趨于理想塑性流動(dòng)。然而在?80～?40 ℃溫度范圍內(nèi)，材料的屈服強(qiáng)度和流動(dòng)應(yīng)力卻表現(xiàn)出對溫度不敏感甚至出現(xiàn)略微的相反趨勢。

圖2 準(zhǔn)靜態(tài)條件下材料的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線Fig.2 Quasi-static compressive true stress-strain cruves at different temperatures

圖3 準(zhǔn)靜態(tài)下材料流動(dòng)應(yīng)力隨溫度變化曲線Fig.3 Quasi-static flow stress as a function of temperature at different strains

圖4 為反應(yīng)堆內(nèi)服役30 年的LT21 鋁合金在常溫寬應(yīng)變率（1.0×10?3～5.0×103s?1）范圍下的SHPB 實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖5 為在不同應(yīng)變率下，材料發(fā)生固定塑性應(yīng)變所對應(yīng)的流動(dòng)應(yīng)力。結(jié)合圖4 和圖5可知，材料在1.0×10?3～3.0×103s?1的應(yīng)變率范圍內(nèi)，屈服強(qiáng)度和流動(dòng)應(yīng)力隨應(yīng)變率的升高而上升，表現(xiàn)出較明顯的正應(yīng)變率效應(yīng)，而當(dāng)應(yīng)變率提高至3.0×103～5.0×103s?1的范圍時(shí)，應(yīng)變率敏感性驟然降低。

圖4 常溫時(shí)不同應(yīng)變率下材料的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線Fig.4 True stress-strain curves under different strain-rate compression at room temperature

通常認(rèn)為，金屬材料的塑性流動(dòng)是位錯(cuò)克服各種障礙的滑移運(yùn)動(dòng)過程，該過程依賴于應(yīng)力、溫度、應(yīng)變率和材料的微觀結(jié)構(gòu)。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)理論以及實(shí)驗(yàn)研究均表明，鋁合金塑性流動(dòng)應(yīng)力所受應(yīng)變率和溫度的影響，被認(rèn)為是短程障礙對熱激活位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的影響，在宏觀力學(xué)性能上體現(xiàn)為溫度效應(yīng)和正應(yīng)變率效應(yīng)。對于本文中的材料在某些較低溫度區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)溫度效應(yīng)不明顯甚至略微異常的情況，目前機(jī)理尚不明確，Bochirol 等[12]認(rèn)為在較高中子通量輻照后的鋁合金的低溫拉伸實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)類似的“弱化”現(xiàn)象，與滑移位錯(cuò)和內(nèi)部輻照缺陷在低溫下的演化特性有關(guān)。而對于本文中的材料在較高應(yīng)變率區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)變率效應(yīng)不明顯的情況，與某些未經(jīng)輻照的鋁合金相似，郭偉國等[13-14]將此類現(xiàn)象歸結(jié)為“第三類動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效”現(xiàn)象，并認(rèn)為該現(xiàn)象主要由合金內(nèi)部的溶質(zhì)原子與位錯(cuò)發(fā)生交互作用，以及應(yīng)變率和溫度同時(shí)作用導(dǎo)致的結(jié)果。合金內(nèi)部溶質(zhì)原子的增加會導(dǎo)致該現(xiàn)象更容易發(fā)生。

3 本構(gòu)模型

為了從理論上描述金屬材料在動(dòng)態(tài)加載下的力學(xué)行為，在工程應(yīng)用領(lǐng)域通常使用經(jīng)驗(yàn)性宏觀本構(gòu)模型，例如應(yīng)用較廣泛的Johnson-Cook 模型等。上述模型主要基于對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)歸納，并不能從金屬材料塑性變形的物理本質(zhì)上描述其動(dòng)力學(xué)行為，也未考慮金屬材料的微觀結(jié)構(gòu)及其演化過程，因而難以普適地描述不同微結(jié)構(gòu)的金屬材料在不同加載條件下的動(dòng)力學(xué)行為。因此，本文嘗試從材料塑性變形微觀機(jī)理出發(fā)，同時(shí)考慮微觀輻照損傷對宏觀力學(xué)性能的影響，構(gòu)建物理型本構(gòu)模型，使之不僅能夠較好地反應(yīng)宏觀應(yīng)力和應(yīng)變、應(yīng)變率、溫度等參數(shù)的關(guān)系，也能較好的描述位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和輻照硬化機(jī)制，并具備一定的預(yù)測能力。

Zerilli 等[15-17]基于熱激活位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)理論建立的Zerilli-Armstrong 本構(gòu)模型（Z-A 模型）是應(yīng)用較為廣泛的物理型本構(gòu)模型之一。與其他物理模型相比[18]，該模型物理意義明確、表達(dá)形式相對簡單，且對于金屬材料的應(yīng)變、應(yīng)變率和溫度效應(yīng)及其耦合作用均進(jìn)行了相應(yīng)的考量。最初的Z-A 模型分別由根據(jù)面心立方晶格結(jié)構(gòu)（FCC）和體心立方晶格結(jié)構(gòu)（BCC）的微觀變形機(jī)理推導(dǎo)出的兩類不同形式表達(dá)式組成[15-16]，之后進(jìn)一步發(fā)展為統(tǒng)一形式的Z-A 模型[17]：

式中：σ 為流動(dòng)應(yīng)力，ε 為等效應(yīng)變，σa為流動(dòng)應(yīng)力的非熱激活部分，表達(dá)式為

式中：σG為考慮初始位錯(cuò)密度和固溶作用相關(guān)的非熱應(yīng)力部分，k為表征微結(jié)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度的晶粒尺寸系數(shù)；d為晶粒平均直徑，式(4)第二項(xiàng)即為Hall-Petch 項(xiàng)，用于計(jì)算低溫下晶界流動(dòng)應(yīng)力相關(guān)的非熱應(yīng)力部分。

式(3)中等號右邊的前兩項(xiàng)相加，即為材料在相應(yīng)溫度以及應(yīng)變率下的屈服應(yīng)力，表達(dá)式為

式中：T為絕對溫度，B為材料參數(shù)，β 與應(yīng)變率相關(guān)，表達(dá)式為

式(3)第三項(xiàng)中的A為材料參數(shù)，α 與應(yīng)變率相關(guān)，表達(dá)式為

本文所用真實(shí)服役的LT21 鋁合金所取自的上聯(lián)板圍箱，在反應(yīng)堆內(nèi)僅作包圍之用，在整個(gè)服役過程中所受應(yīng)力影響因素較小，且始終處于溫度(30±10) ℃的流動(dòng)水中，因此中子為主的高能粒子輻照對材料的力學(xué)性能影響最為重要。材料被熱中子輻照后，會產(chǎn)生嬗變元素，對于金屬內(nèi)部的溶質(zhì)組分、分布及形貌等固溶作用產(chǎn)生影響，從而使Z-A 模型中參數(shù)σG的數(shù)值發(fā)生變化。而快中子輻照在材料基體中產(chǎn)生微觀輻照缺陷所導(dǎo)致的輻照硬化機(jī)制在原Z-A 模型中并未得到考慮。此部分可根據(jù)Seeger 等提出的彌散障礙硬化（dispersed barrier hardening, DBH）模型[19]得到，基于Orowan[20]的強(qiáng)度理論框架，金屬內(nèi)部微觀輻照缺陷阻礙位錯(cuò)滑移對屈服應(yīng)力的貢獻(xiàn)可表示為

式中：μ和b分別為受輻照金屬的剪切模量和伯格斯矢量的大小，N和d0分別為材料內(nèi)部輻照缺陷的個(gè)數(shù)密度和平均尺寸， α′為表征輻照缺陷強(qiáng)度的參數(shù)，用于描述材料內(nèi)部不同種類的輻照缺陷對輻照硬化的貢獻(xiàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)材料內(nèi)部的主要輻照缺陷為位錯(cuò)環(huán)時(shí) α′≈0.3，為層錯(cuò)四面體時(shí) α′≈0.2，為輻照空洞時(shí) α′≈1.0。

另外，許多研究表明，中子輻照對于非裂變金屬的晶粒尺寸和織構(gòu)并無明顯的影響[5]，即對于Z-A 模型中的Hall-Petch 項(xiàng)沒有影響。綜上，考慮輻照損傷的Z-A 本構(gòu)方程可表示為

對于上述表達(dá)式，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合參數(shù)的物理意義作多變量非線性擬合求得參數(shù)值，方法如下：

（1）熱激活無關(guān)參量σ0不受溫度和應(yīng)變率的影響或影響較小，通常由高溫區(qū)的力學(xué)性能作為參考；

表2 考慮輻照損傷的Z-A 本構(gòu)模型參數(shù)Table 2 Parameters for the modified Zerilli-Armstrong model

采用考慮輻照損傷的Z-A 本構(gòu)模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比如圖6 所示。可以看出，通過本構(gòu)模型計(jì)算得到的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線能夠較好地描述反應(yīng)堆內(nèi)服役30 年的LT21 鋁合金在環(huán)境溫度、應(yīng)變、應(yīng)變率下的壓縮變形行為。需要指出的是，本模型中將特定應(yīng)變率和溫度區(qū)間出現(xiàn)的應(yīng)變率或溫度不敏感甚至異常情況，處理為材料在該區(qū)間內(nèi)對于應(yīng)變率或溫度的敏感性較弱，在工程應(yīng)用中并不會引起較大的誤差[13-14]。與其他Al-Mg-Si 合金常見本構(gòu)模型相比，本模型除了能夠反映材料塑性變形的微觀機(jī)理外，對于Arrhenius 雙曲正弦模型不能描述的動(dòng)態(tài)變形行為，以及Johnson-Cook 模型描述效果較差的“第三類動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效”等現(xiàn)象，均能較好地描述。

圖6 考慮輻照損傷的Z-A 本構(gòu)模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比Fig.6 Comparison between experimental results and modified Zerilli-Armstrong model prediction

另外，由于本文研究材料所取自的上聯(lián)板圍箱距反應(yīng)堆堆芯較近，不同相對位置與輻射源的距離不一，因此整塊板材不同區(qū)域所經(jīng)受的積分中子通量并不相同。根據(jù)馮琦杰等[11]的計(jì)算結(jié)果，上聯(lián)板圍箱東側(cè)板材在服役期間所受總中子通量在1.90×1020～2.46×1021n/cm2（總中子通量中熱中子通量約占55%，快中子通量約占20%）范圍內(nèi)呈同心圓連續(xù)分布。假設(shè)熱中子所致嬗變反應(yīng)的截面完全等于Al 原子的熱中子俘獲截面（0.23 靶），易知LT21 鋁合金在經(jīng)受1.05×1020～1.35×1021n/cm3的熱中子通量的輻照后，一個(gè)13Al27原子嬗變?yōu)?4Si28的幾率約為0.002 4%～0.031%，即嬗變生成的Si 遠(yuǎn)小于表1 中所測Si 含量。因此，本文主要考慮快中子通量在3.80×1019～4.92×1020cm-2范圍內(nèi)所產(chǎn)生的微觀輻照缺陷對LT21 鋁合金力學(xué)性能的影響。由于30 年前同批次未經(jīng)輻照的LT21 鋁合金以及相關(guān)微觀實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的缺乏，同時(shí)考慮到未輻照的LT21 鋁合金基體近似于高純鋁[2]，本文參考packan 等[3]給出的快中子通量在1.51×1019～1.54×1022n/cm2范圍內(nèi)高純鋁內(nèi)部輻照缺陷個(gè)數(shù)密度N和平均尺寸d0的演化數(shù)據(jù)，并采用指數(shù)形式擬合高純鋁(Nd0)0.5與快中子通量Φf在該區(qū)間的對應(yīng)關(guān)系，得到：

擬合結(jié)果如圖7 所示。由于所受快中子通量在2.56×1019～2.70×1020cm?2范圍時(shí)，高純鋁內(nèi)部的輻照缺陷以空洞為主，則在σ0的表達(dá)式中取 α′=1.0 ，伯格斯矢量模b=2.86×10?8cm，剪切模量μ=28.48 GPa，由（11）式可得模型中考慮輻照損傷的熱激活無關(guān)項(xiàng)σ0及LT21 鋁合金在常溫準(zhǔn)靜態(tài)下加載的屈服強(qiáng)度σY與快中子通量Φf的關(guān)系如圖8 所示。由圖可知，σ0和σY的值均受到材料內(nèi)部輻照缺陷變化的影響，隨快中子通量Φf的增加而增加，并在快中子通量接近1022n/cm2時(shí)達(dá)到飽和。σY與文獻(xiàn)中不同快中子通量輻照后高純鋁[4]的屈服強(qiáng)度相比，其隨快中子通量的變化趨勢是相似的。因此，本模型同樣能夠較好地描述LT21 鋁合金在一定快中子通量范圍內(nèi)的輻照硬化機(jī)制。

圖7 高純鋁內(nèi)部的輻照缺陷的(Nd0)0.5 值與快中子通量的關(guān)系(E＞0.1 MeV)Fig.7 (Nd0)0.5 as a function of fast neutron fluence in high-purity Al (E＞0.1 MeV)

圖8 本構(gòu)模型中σ0 和σY 的值隨快中子通量的變化關(guān)系(E＞0.1 MeV)Fig.8 σ0/σY as a function of fast neutron fluence (E＞0.1 MeV)

根據(jù)式(10)可知，在考慮輻照損傷的Z-A 本構(gòu)方程中，熱中子導(dǎo)致的嬗變產(chǎn)物和快中子導(dǎo)致的輻照缺陷，都只與熱激活無關(guān)的材料常數(shù)σ0相關(guān)，而與溫度效應(yīng)和應(yīng)變率效應(yīng)無關(guān)。基于此，本文利用考慮輻照損傷的Z-A 本構(gòu)方程研究反應(yīng)堆內(nèi)服役30 年的上聯(lián)板圍箱東側(cè)內(nèi)部三個(gè)具有典型意義的受輻照區(qū)域[11]（三個(gè)區(qū)域的總中子通量Φt分別為2.33×1020cm?2、1.02×1021cm?2以及2.15×1021cm?2，快中子通量約占20%）的屈服強(qiáng)度，結(jié)合式(11)高純鋁(Nd0)0.5與快中子通量Φf的對應(yīng)關(guān)系，可分別對總中子通量為1.02×1021cm?2和2.15×1021cm?2區(qū)域的屈服強(qiáng)度及隨應(yīng)變率以及溫度的變化進(jìn)行預(yù)測，如圖9 所示。通過對不同輻照中子通量下屈服強(qiáng)度的應(yīng)變率效應(yīng)以及溫度效應(yīng)的預(yù)測，可為反應(yīng)堆內(nèi)部服役中的相應(yīng)結(jié)構(gòu)元件在遭受地震、爆炸及沖擊等動(dòng)力荷載作用時(shí)的抗震、抗爆和抗沖擊性能相關(guān)的安全評估提供一定的參考。

圖9 三個(gè)典型受輻照區(qū)域試樣的屈服強(qiáng)度及隨應(yīng)變率以及溫度的變化Fig.9 Yield strength of three samples from typical irradiated regions as a function of strain rate and temperature

4 結(jié) 論

本文研究了較寬實(shí)驗(yàn)溫度和應(yīng)變率范圍下長期中子輻照后的Al-Mg-Si 合金的壓縮力學(xué)行為。通過對服役30 年的LT21 鋁合金開展的動(dòng)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)研究表明，材料的屈服強(qiáng)度和流動(dòng)應(yīng)力在一定的溫度和應(yīng)變率區(qū)間呈現(xiàn)出較為明顯的溫度效應(yīng)及正應(yīng)變率效應(yīng)，而在較低的溫度和較高的應(yīng)變率區(qū)間力學(xué)性能受溫度或應(yīng)變率變化的影響較小。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與基于位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)的Z-A 本構(gòu)模型的統(tǒng)一形式，結(jié)合材料內(nèi)部的微觀輻照缺陷對于材料屈服強(qiáng)度的影響因素，建立了考慮輻照損傷的位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)本構(gòu)模型，模型的計(jì)算結(jié)果能夠與前述實(shí)驗(yàn)結(jié)果較好吻合，并能夠較好地描述位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和輻照硬化機(jī)制。同時(shí)，參考高純鋁微觀輻照缺陷的相應(yīng)數(shù)據(jù)，對LT21 鋁合金屈服強(qiáng)度隨快中子輻照劑量的變化以及另兩個(gè)典型受輻照區(qū)域的屈服強(qiáng)度隨應(yīng)變率和溫度的變化進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明，本文建立的考慮輻照損傷的Z-A 本構(gòu)方程能夠?yàn)榉磻?yīng)堆內(nèi)類似的結(jié)構(gòu)元件的設(shè)計(jì)、運(yùn)行和安全評估提供參考。