高能重離子輻照下國產(chǎn)RPV鋼A508-3的硬化行為

丁兆楠，張憲龍，陳宇光，楊義濤，張崇宏，劉向兵，薛飛

（1.中國科學院 近代物理研究所，蘭州 730000；2.蘇州熱工研究院有限公司 壽命管理技術(shù)研發(fā)中心，江蘇 蘇州 215004）

反應堆壓力容器（RPV）作為輕水堆（LWR）中唯一不可更換的大型結(jié)構(gòu)部件，在運行過程中必須經(jīng)受中子的長期輻照，其性能的穩(wěn)定性決定了核電站（NPP）的壽命。RPV材料的力學性能變化主要來源于中溫中子輻照下產(chǎn)生的大量原子級缺陷，這些缺陷阻礙了位錯的移動，導致屈服強度的增加和延展性的降低。因此，壓力容器在其使用壽命內(nèi)變得越來越容易發(fā)生脆性破壞，而這種故障會直接影響到反應堆的安全可靠運行，是核反應堆壽命延長評估的一個主要問題。迄今為止，利用TEM、三維原子探針和正電子湮沒壽命譜研究了RPV鋼在中子輻照下的損傷行為。結(jié)果表明，中子輻照后RPV鋼的顯微組織主要包括三種特征，即基體損傷（MD）、富銅沉淀（CRP）和晶界偏析（如磷和碳元素）。以往對不同含銅量RPV鋼力學性能的研究表明，基體損傷是低Cu鋼和高Cu鋼在高注量下的主要硬化特征。由于我國國產(chǎn)RPV鋼A508-3中銅及其他有害雜質(zhì)含量較低，可以認為包括自間隙原子-空位團（主要來自Frenkel對缺陷）、位錯環(huán)和空位-溶質(zhì)-原子復合體在內(nèi)的基體缺陷是導致輻照硬化和脆化的主要原因。這些缺陷會阻礙位錯在應力作用下的移動，進而導致強度增加、塑性降低。然而，現(xiàn)階段對A508-3鋼屈服強度隨輻照損傷劑量的變化趨勢尚不完全清楚，為了更好地了解輻照條件下A508-3鋼力學性能的變化，有必要進一步分析A508-3鋼在輻照過程中的硬度變化規(guī)律。

在核電站用RPV鋼的安全評價中，針對反應堆中子輻照的實際情況，須進行各種工況下的試驗并獲得相應力學性能數(shù)據(jù)。然而，這一過程成本高昂、周期冗長，并伴隨大量高放射性廢物的產(chǎn)生。因此，隨著世界范圍內(nèi)核電站的推廣應用，研究人員致力于開發(fā)評價核電站裝置輻照損傷的新方法和新技術(shù)。利用離子輻照模擬反應堆中子引起的輻照損傷無疑是一種有效措施，其具有較高的原子位移損傷率、較低的放射性、輻照條件精確易控、成本較低等優(yōu)點。盡管重離子能引起與材料中快中子類似的級聯(lián)損傷，但入射離子與電子之間存在的強庫侖相互作用，大大限制了輻照樣品中的損傷區(qū)域范圍，不利于力學性能的測試。通過采用高能加速器，可以將離子能量提高到每核子數(shù)個MeV，使鐵素體鋼中的損傷區(qū)域變寬并覆蓋數(shù)層晶粒，達到宏觀力學范疇。此時，輻照樣品的體等效特性特征可通過小樣品測試技術(shù)來表征。

文中采用6.3 MeV/u的Fe在563K溫度下輻照A508-3鋼試樣，使損傷程度依次達到0.15、0.30、1.50 dpa。通過納米壓痕儀和顯微硬度計對其輻照前后的力學性能進行表征，得到輻照后硬度的深度分布曲線。之前的研究結(jié)果表明，納米硬度與常規(guī)顯微硬度之間存在線性關(guān)系，因此，通過納米壓痕來評估材料的整體硬度數(shù)據(jù)是可靠的。通過測試輻照后材料的硬度變化，計算得到離子輻照條件下屈服強度的劑量依賴關(guān)系。

1 試驗

1.1 材料

本研究所用材料是從反應堆壓力容器殼體鍛件上切下的國產(chǎn)A508-3鋼，其具體化學成分見表1。從塊體上切下尺寸為10 mm×10 mm×0.5 mm的片狀試樣，通過濕磨法在SiC砂紙上對表面進行機械研磨，研磨粒度從800 grit逐漸過渡至2400 grit，然后用金剛石溶液和粒徑為1 μm的二氧化硅懸浮液在拋光布上拋光以消除殘余應力，最后用丙酮和乙醇超聲清洗獲得無劃痕的光潔表面。

表1 國產(chǎn)A508-3鋼的化學成分（質(zhì)量分數(shù)）Tab.1 Chemical composition of China A508-3 steel (ω)%

1.2 輻照試驗

輻照試驗是在中國科學院近代物理研究所蘭州重離子加速器國家實驗室（HIRFL）上的扇形聚焦回旋加速器（SFC）終端室進行的，F(xiàn)e離子被加速至6.3 MeV/u（總能量352.8 MeV），相應的通量為8.7×10Fe-ions/(cm·s)。使用銀膠將試樣固定在銅制靶臺上，以保證試驗過程中樣品具備良好的導熱性。為方便后續(xù)力學性能的測試，需要在試樣表面至一定深度處產(chǎn)生準均勻分布的離位損傷坪區(qū)，故在輻照過程中使用了一個由不同厚度鋁箔組成的梯度減能裝置。當離子注入時，減能裝置通過轉(zhuǎn)動使試樣前面的鋁箔厚度發(fā)生一系列變化，進而得到了能量連續(xù)衰減的入射離子和不同深度的輻照損傷峰。采用SRIM-2013程序（Kinchin-Pease模型，位移閾值能量=40 eV）計算了A508-3鋼中Fe輻照產(chǎn)生的離位損傷深度分布，如圖1所示，入射離子穿過的鋁箔厚度在右欄中依次給出。通過使用梯度減能裝置，獲得了厚度為~25 μm的準均勻位移損傷層，損傷水平分別為0.15、0.3、1.5 dpa，損傷速率為5.6×10dpa/s。通過安裝在樣品臺背面的熱電偶監(jiān)測，將輻照過程中樣品的溫度控制在(563±10) K的范圍內(nèi)，樣品腔室的真空度保持在3×10Pa左右。

圖1 根據(jù)SRIM 2013估算出高能Fe離子輻照下A508-3鋼中原子離位損傷隨深度的分布Fig.1 Depth distribution of atomic displacement damage in A508-3 steel specimen by high-energy Fe ions according to an estimation by SRIM 2013

1.3 納米壓痕測試

使用G200型納米壓痕儀研究了輻照前后A508-3鋼試樣的納米硬度變化。測試中將表面拋光的樣品輻照面朝上粘在鋁制樣品臺上，使用半徑為20 nm的金剛石Berkovich型壓頭，并采用連續(xù)剛度測量（CSM）方法，獲得最大深度約2000 nm范圍內(nèi)的硬度隨深度的分布關(guān)系。其中，名義應變率為~0.05 s，頻率為~45 Hz。根據(jù)具有相同壓痕深度的熔融石英參考材料上得到的壓痕數(shù)據(jù)來校準尖端幾何形狀，并采用Oliverh和Pharr方法在樣品上壓入3×3陣列的9個點，點與點之間間隔大于50 nm，最后將硬度數(shù)據(jù)進行平均得出相應深度的硬度值。

1.4 微硬度測試

由于高能Fe離子輻照可以在試樣中產(chǎn)生較寬的準均勻損傷坪區(qū)，因此可以用維氏顯微硬度計（T2500）測試微硬度變化。為了避免ISE（indentation size effect）對試驗結(jié)果產(chǎn)生的影響，在試樣表面施加了8個逐漸增大的載荷（98、196、490、980 mN，1.96、4.9、9.8、19.6 N）進行硬度測量，其相應的壓痕深度為1.2~18.6 μm，每2個壓痕之間的最小間距大于200 μm，以避免壓痕之間的相互影響。在測試過程中，每種載荷進行3組試驗并取平均值，所有試驗均在室溫下進行。

2 結(jié)果與分析

Fe離子輻照前后A508-3鋼試樣的平均納米硬度與深度的依賴關(guān)系如圖2所示，相關(guān)誤差棒是每個硬度測量的標準偏差。考慮到納米壓痕測試中壓頭尖端的復雜性和表面氧化膜的不確定性，這里忽略了100 nm以下的硬度數(shù)據(jù)，在整個壓痕深度范圍內(nèi)（0~2000 nm），高能離子輻照后的試樣產(chǎn)生了明顯的輻照硬化現(xiàn)象。另外可以發(fā)現(xiàn)，隨著壓痕深度的增加，納米硬度值呈現(xiàn)逐漸減小的尺寸，這一現(xiàn)象稱為壓痕尺寸效應（ISE）。Nix和Gao基于幾何必要位錯（GND）理論建立了一個描述ISE的模型，其中硬度與壓痕深度的關(guān)系如下所示：

圖2 Fe離子輻照前后A508-3鋼的平均納米硬度-壓入深度曲線Fig.2 Average nanohardness versus the indentation depth of A508-3 steels before and after Fe ion irradiation

式中：是測得的納米硬度；是壓痕深度；是壓痕深度趨于無限大時的硬度，即材料的體硬度；*是取決于壓頭和材料的特征長度。根據(jù)式（1），將平均納米硬度數(shù)據(jù)的平方和壓入深度的倒數(shù)繪制為關(guān)系圖-1/，如圖3所示。這里是硬度線性擬合截距值的平方根，其與深度無關(guān)，可以用來表征材料的體等效硬度。使用最小二乘法計算100 nm<<2500 nm深度區(qū)域內(nèi)，-1/的線性關(guān)系式，計算出高能離子輻照前后A508-3鋼的數(shù)據(jù)，見表2。

表2 基于Nix-Gao模型計算得到的H0數(shù)據(jù)Tab.2 Calculated H0 data based on the Nix-Gao model

圖3 Fe離子輻照前后A508-3鋼的H2-1/h關(guān)系圖Fig.3 Curves of H2-1/h for the average nanohardness of A508-3 steels before and after Fe ion irradiation

通過Nix-Gao模型計算得到的Fe離子輻照后，材料納米硬度（）隨劑量的變化關(guān)系如圖4所示。結(jié)果表明，隨著損傷劑量的增加，納米硬度開始迅速增加，且隨著劑量的上升，這種增加幅度逐漸減慢，有一種硬化飽和的趨勢?？梢岳斫獾氖?，材料的硬化主要是由輻照產(chǎn)生的缺陷團簇引起的，在低劑量范圍內(nèi)，缺陷團簇迅速形核，導致硬化迅速增加，在較高的劑量下，缺陷成核過程減慢，團簇處于穩(wěn)定的生長過程，硬化增加速率變緩。

圖4 Fe離子輻照前后A508-3鋼納米硬度隨離位損傷劑量的變化Fig.4 Bulk equivalent hardness H0 as a function of damage level for A508-3 steels before and after Fe ion irradiation

輻照前和輻照至0.15 dpa試樣的平均維氏顯微硬度隨壓痕深度的分布如圖5所示，發(fā)現(xiàn)了與納米壓痕測試中相同的變化趨勢，其中維氏微硬度測試的壓入深度要大于納米壓痕。進一步借助Nix-Gao模型擬合得到硬度數(shù)據(jù)平方與深度倒數(shù)，即與1/關(guān)系，如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，對于未輻照樣品的硬度數(shù)據(jù)，在整個壓痕深度范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的線性；然而，在輻照至0.15 dpa的樣品中明顯觀察到具有拐點的雙線性，且位于壓痕深度約4 μm處。由于輻照試樣中包括了損傷層（約25 μm厚）和無損傷的基體，其中損傷層中存在離子輻照產(chǎn)生的高密度缺陷，這些缺陷通過阻礙位錯運動導致了輻照硬化。在本次維氏硬度試驗中，使用的8種不同載荷對應壓痕深度在1.5~19.2 μm之間，產(chǎn)生的相應彈塑性變形影響區(qū)預計在8~100 μm之間。對于前4個較小的載荷，變形影響區(qū)位于離子輻照的損傷層內(nèi)，硬度有明顯升高，而隨著載荷的進一步增大，變形影響區(qū)超過輻照損傷層，并向未輻照的基體擴展，導致了硬度值降低。因此，與1/曲線圖的這種雙線性行為可歸因于軟基底效應（SSE）?；趶秃嫌捕饶Ｐ?，可以通過較淺深度區(qū)域處的數(shù)據(jù)獲得離子輻照層的硬化信息。并借助Nix-Gao模型公式對硬度數(shù)據(jù)進行最小二乘擬合，以提取輻照試樣的體硬度。對于未輻照試樣，通過擬合整個測試深度區(qū)域的硬度數(shù)據(jù)，獲得了體等效硬度約為1.67 GPa，而0.15 dpa試樣對應輻照層的微硬度約為1.94 GPa。

圖5 Fe離子輻照前后A508-3鋼平均維氏硬度與壓痕深度的關(guān)系Fig.5 Average Vickers hardness versus indentation depth of A508-3 steels before and after Fe ion irradiation

圖6 Fe離子輻照前后A508-3鋼平均維氏硬度的Hv2和1/h關(guān)系曲線Fig.6 Plots of Hv2 versus 1/h for the average Vickers-hardness of A508-3 steels before and after Fe ion irradiation

由于高能離子輻照的樣品體積較小，無法開展與材料力學性能直接相關(guān)的拉伸試驗，故需要通過經(jīng)驗公式進行計算并獲得材料輻照后屈服強度的變化。已有研究結(jié)果表明，屈服應力Δ的增量與維氏硬度有關(guān)，而與納米硬度無關(guān)，這是由于維氏硬度數(shù)據(jù)的分析使用了殘余投影面積，而納米壓痕則使用了投影接觸面積?；谏鲜鲫P(guān)系，納米硬度可通過公式Δ=Δ轉(zhuǎn)換為維氏硬度，其中Δ和Δ的單位為GPa。但考慮到壓痕試驗中的堆積或下沉效應的影響，可通過上述輻照前和輻照至0.15 dpa的A508-3試樣硬度測試結(jié)果確定維氏硬度與納米硬度之間的系數(shù)約為0.85。此外，根據(jù)Busby等提出的經(jīng)驗關(guān)系式 Δ= 3.06 Δ/9.8×1 0，Δ的值可從維氏硬度（Δ）的變化中獲得，其中Δ和Δ的單位分別為MPa和GPa。因此，將上述納米壓痕試驗中A508-3鋼的納米硬度轉(zhuǎn)換為屈服應力增量，如圖7所示。結(jié)果表明，重離子輻照條件下A508-3鋼屈服強度隨損傷劑量的增大而增加，且二者之間存在冪函數(shù)關(guān)系。這一結(jié)果為離子輻照硬化的機理研究提供了基礎數(shù)據(jù)，有利于開展中子-重離子輻照硬化數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)探討。

圖7 離子輻照條件下A508-3鋼屈服強度增量隨離位損傷劑量的變化Fig.7 Dose dependence of yield strength increment of A508-3 steel under ion irradiation

3 結(jié)論

1）在Fe離子輻照下觀察到明顯的硬化，當損傷劑量較小時，試樣的硬度隨損傷劑量的增加迅速增大；當離子注量較高時，輻照硬化的增長速度逐漸下降，呈現(xiàn)硬度飽和趨勢。

2）借助Nix-Gao模型，通過納米壓痕試驗數(shù)據(jù)和維氏顯微硬度試驗數(shù)據(jù)擬合得到無限深度處試樣的體等效硬度（與），并得到本研究中二者之間的線性關(guān)系系數(shù)約為0.85。

3）借助經(jīng)驗公式計算得到A508-3試樣在離子輻照下屈服強度增量隨損傷劑量的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)一種冪函數(shù)關(guān)系，為中子-離子輻照硬化映射關(guān)系研究提供了基礎數(shù)據(jù)。