丁兆楠，張憲龍，陳宇光，楊義濤，張崇宏，劉向兵，薛飛

（1.中國(guó)科學(xué)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(yīng)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(yùn)行過(guò)程中必須經(jīng)受中子的長(zhǎng)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(xué)性能變化主要來(lái)源于中溫中子輻照下產(chǎn)生的大量原子級(jí)缺陷，這些缺陷阻礙了位錯(cuò)的移動(dòng)，導(dǎo)致屈服強(qiáng)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(lái)越容易發(fā)生脆性破壞，而這種故障會(huì)直接影響到反應(yīng)堆的安全可靠運(yùn)行，是核反應(yīng)堆壽命延長(zhǎng)評(píng)估的一個(gè)主要問(wèn)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(duì)不同含銅量RPV鋼力學(xué)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(guó)國(guó)產(chǎn)RPV鋼A508-3中銅及其他有害雜質(zhì)含量較低，可以認(rèn)為包括自間隙原子-空位團(tuán)（主要來(lái)自Frenkel對(duì)缺陷）、位錯(cuò)環(huán)和空位-溶質(zhì)-原子復(fù)合體在內(nèi)的基體缺陷是導(dǎo)致輻照硬化和脆化的主要原因。這些缺陷會(huì)阻礙位錯(cuò)在應(yīng)力作用下的移動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致強(qiáng)度增加、塑性降低。然而，現(xiàn)階段對(duì)A508-3鋼屈服強(qiáng)度隨輻照損傷劑量的變化趨勢(shì)尚不完全清楚，為了更好地了解輻照條件下A508-3鋼力學(xué)性能的變化，有必要進(jìn)一步分析A508-3鋼在輻照過(guò)程中的硬度變化規(guī)律。

在核電站用RPV鋼的安全評(píng)價(jià)中，針對(duì)反應(yīng)堆中子輻照的實(shí)際情況，須進(jìn)行各種工況下的試驗(yàn)并獲得相應(yīng)力學(xué)性能數(shù)據(jù)。然而，這一過(guò)程成本高昂、周期冗長(zhǎng)，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(yīng)用，研究人員致力于開發(fā)評(píng)價(jià)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(yīng)堆中子引起的輻照損傷無(wú)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(diǎn)。盡管重離子能引起與材料中快中子類似的級(jí)聯(lián)損傷，但入射離子與電子之間存在的強(qiáng)庫(kù)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(xué)性能的測(cè)試。通過(guò)采用高能加速器，可以將離子能量提高到每核子數(shù)個(gè)MeV，使鐵素體鋼中的損傷區(qū)域變寬并覆蓋數(shù)層晶粒，達(dá)到宏觀力學(xué)范疇。此時(shí)，輻照樣品的體等效特性特征可通過(guò)小樣品測(cè)試技術(shù)來(lái)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(dá)到0.15、0.30、1.50 dpa。通過(guò)納米壓痕儀和顯微硬度計(jì)對(duì)其輻照前后的力學(xué)性能進(jìn)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(guò)納米壓痕來(lái)評(píng)估材料的整體硬度數(shù)據(jù)是可靠的。通過(guò)測(cè)試輻照后材料的硬度變化，計(jì)算得到離子輻照條件下屈服強(qiáng)度的劑量依賴關(guān)系。

1 試驗(yàn)

1.1 材料

本研究所用材料是從反應(yīng)堆壓力容器殼體鍛件上切下的國(guó)產(chǎn)A508-3鋼，其具體化學(xué)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(guò)濕磨法在SiC砂紙上對(duì)表面進(jìn)行機(jī)械研磨，研磨粒度從800 grit逐漸過(guò)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(yīng)力，最后用丙酮和乙醇超聲清洗獲得無(wú)劃痕的光潔表面。

表1 國(guó)產(chǎn)A508-3鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of China A508-3 steel (ω)%

1.2 輻照試驗(yàn)

輻照試驗(yàn)是在中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所蘭州重離子加速器國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（HIRFL）上的扇形聚焦回旋加速器（SFC）終端室進(jìn)行的，F(xiàn)e離子被加速至6.3 MeV/u（總能量352.8 MeV），相應(yīng)的通量為8.7×10Fe-ions/(cm·s)。使用銀膠將試樣固定在銅制靶臺(tái)上，以保證試驗(yàn)過(guò)程中樣品具備良好的導(dǎo)熱性。為方便后續(xù)力學(xué)性能的測(cè)試，需要在試樣表面至一定深度處產(chǎn)生準(zhǔn)均勻分布的離位損傷坪區(qū)，故在輻照過(guò)程中使用了一個(gè)由不同厚度鋁箔組成的梯度減能裝置。當(dāng)離子注入時(shí)，減能裝置通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)使試樣前面的鋁箔厚度發(fā)生一系列變化，進(jìn)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(jì)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(guò)的鋁箔厚度在右欄中依次給出。通過(guò)使用梯度減能裝置，獲得了厚度為~25 μm的準(zhǔn)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(guò)安裝在樣品臺(tái)背面的熱電偶監(jiān)測(cè)，將輻照過(guò)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(cè)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(cè)試中將表面拋光的樣品輻照面朝上粘在鋁制樣品臺(tái)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(cè)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(yīng)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(lái)校準(zhǔn)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(gè)點(diǎn)，點(diǎn)與點(diǎn)之間間隔大于50 nm，最后將硬度數(shù)據(jù)進(jìn)行平均得出相應(yīng)深度的硬度值。

1.4 微硬度測(cè)試

由于高能Fe離子輻照可以在試樣中產(chǎn)生較寬的準(zhǔn)均勻損傷坪區(qū)，因此可以用維氏顯微硬度計(jì)（T2500）測(cè)試微硬度變化。為了避免ISE（indentation size effect）對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響，在試樣表面施加了8個(gè)逐漸增大的載荷（98、196、490、980 mN，1.96、4.9、9.8、19.6 N）進(jìn)行硬度測(cè)量，其相應(yīng)的壓痕深度為1.2~18.6 μm，每2個(gè)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(cè)試過(guò)程中，每種載荷進(jìn)行3組試驗(yàn)并取平均值，所有試驗(yàn)均在室溫下進(jìn)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(gè)硬度測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差?？紤]到納米壓痕測(cè)試中壓頭尖端的復(fù)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(gè)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(yīng)（ISE）。Nix和Gao基于幾何必要位錯(cuò)（GND）理論建立了一個(gè)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(cè)得的納米硬度；是壓痕深度；是壓痕深度趨于無(wú)限大時(shí)的硬度，即材料的體硬度；*是取決于壓頭和材料的特征長(zhǎng)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(wú)關(guān)，可以用來(lái)表征材料的體等效硬度。使用最小二乘法計(jì)算100 nm<<2500 nm深度區(qū)域內(nèi)，-1/的線性關(guān)系式，計(jì)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(jì)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(guò)Nix-Gao模型計(jì)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(shì)?？梢岳斫獾氖牵牧系挠不饕怯奢椪债a(chǎn)生的缺陷團(tuán)簇引起的，在低劑量范圍內(nèi)，缺陷團(tuán)簇迅速形核，導(dǎo)致硬化迅速增加，在較高的劑量下，缺陷成核過(guò)程減慢，團(tuán)簇處于穩(wěn)定的生長(zhǎng)過(guò)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(cè)試中相同的變化趨勢(shì)，其中維氏微硬度測(cè)試的壓入深度要大于納米壓痕。進(jìn)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。可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于未輻照樣品的硬度數(shù)據(jù)，在整個(gè)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(diǎn)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(wú)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(guò)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了輻照硬化。在本次維氏硬度試驗(yàn)中，使用的8種不同載荷對(duì)應(yīng)壓痕深度在1.5~19.2 μm之間，產(chǎn)生的相應(yīng)彈塑性變形影響區(qū)預(yù)計(jì)在8~100 μm之間。對(duì)于前4個(gè)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(jìn)一步增大，變形影響區(qū)超過(guò)輻照損傷層，并向未輻照的基體擴(kuò)展，導(dǎo)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(yīng)（SSE）?；趶?fù)合硬度模型，可以通過(guò)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(duì)硬度數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘擬合，以提取輻照試樣的體硬度。對(duì)于未輻照試樣，通過(guò)擬合整個(gè)測(cè)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(duì)應(yīng)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(wú)法開展與材料力學(xué)性能直接相關(guān)的拉伸試驗(yàn)，故需要通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算并獲得材料輻照后屈服強(qiáng)度的變化。已有研究結(jié)果表明，屈服應(yīng)力Δ的增量與維氏硬度有關(guān)，而與納米硬度無(wú)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(guò)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(yàn)中的堆積或下沉效應(yīng)的影響，可通過(guò)上述輻照前和輻照至0.15 dpa的A508-3試樣硬度測(cè)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(yàn)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(yàn)中A508-3鋼的納米硬度轉(zhuǎn)換為屈服應(yīng)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(qiáng)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(jī)理研究提供了基礎(chǔ)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(qiáng)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(dāng)損傷劑量較小時(shí)，試樣的硬度隨損傷劑量的增加迅速增大；當(dāng)離子注量較高時(shí)，輻照硬化的增長(zhǎng)速度逐漸下降，呈現(xiàn)硬度飽和趨勢(shì)。

2）借助Nix-Gao模型，通過(guò)納米壓痕試驗(yàn)數(shù)據(jù)和維氏顯微硬度試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到無(wú)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(yàn)公式計(jì)算得到A508-3試樣在離子輻照下屈服強(qiáng)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(chǔ)數(shù)據(jù)。