欧、美、日等国在役核反应堆内构件失效案例表明奥氏 体不锈钢和镍基合金等堆芯结构材料以辐照促进应力腐蚀 (IASCC)为代表的辐照促进腐蚀失效已成为影响核电站安全 高效运行的关键问题之一。目前国外研究者对材料辐照损伤 及其与 IASCC 的内在联系进行了大量研究。发现辐照与不 锈钢材料发生交互作用产生的结构缺陷、辐照偏析、辐照硬 化等损伤结构是 IASCC 发生的关键材料因素，而辐照材料 在应力作用下发生的局部不均匀变形是导致开裂的主要机 制[1-4] 。另一方面，与应力腐蚀(SCC)类似，IASCC 同样受腐蚀 性环境、敏感的材料结构和应力 / 应变影响。因此，全面阐明 IASCC 机制还需要澄清辐照致材料腐蚀行为变化。文章在综 述近年来国外研究者对材料辐照损伤及其对 IASCC 的影响， 以及关于辐照对材料腐蚀行为影响研究的基础上，提出了该 领域的发展趋势。

1 辐照损伤研究

反应堆堆芯结构材料长期服役在强烈中子辐照下，受辐 照后会产生大量的离位原子，离位原子通过扩散、迁移乃至 相互结合，形成位错和空洞等，并促进材料出现元素偏析和 硬化等现象。

材料受辐照后产生的位错和孔洞等结构损伤主要受辐 照温度、辐照剂量和合金化学成分的影响。堆芯温度下(大于 300℃)，奥氏体不锈钢辐照结构缺陷主要为位错环和空洞(图 1 a，b)。随辐照剂量增加，位错环的尺寸和数量密度都相应 增加。其中位错环尺寸随辐照剂量增加缓慢，在 3~5dpa 范围 趋于稳定，而位错环密度则在 0~1.5dpa 范围就快速趋于稳 定(图 2c)。位错环等缺陷的尺寸和数量密度主要取决于合金 化学成分和辐照剂量。如 Gan 等发现，360℃质子辐照后的高 纯 304 不锈钢(HP304)中产生明显的位错环和空洞，而在相 同条件辐照后的工业纯 304 不锈钢(CP304)中只出现了位错环，且其尺寸和数量密度与 HP 304 相差一倍以上。Deng 等研究国产核用 304 不锈钢辐照损伤，并将其与国外 材料辐照损伤数据对比，发现位错环尺寸和数量密度 随辐照剂量演变规律基本一致，但位错环的平均尺寸 和数量密度存在明显差异。国产核电结构材料在材料设 计、性能评估等方面采用国外数据可能会存在较大差异。

图 1 304 不锈钢经 2 MeV 质子辐照后损伤结构观察

图 2 304 不锈钢经 2 MeV 质子辐照后元素偏析 APT 分析结果

奥氏体不锈钢材料受辐照后，晶界处常发生贫 Cr 富 Ni 和 Si 的元素偏析。图 2a 给出了核用 304 不锈钢 经 2 MeV 质子辐照后晶界偏析的三维原子探针分析。辐照偏析与辐照剂量在一定范围内存在正相关关系 (图 2b)，并且材料因素(如合金成分、冷变形、热处理 等)影响。如 Allen 等观察到在多数奥氏体不锈钢中出 现晶界贫 Fe 现象，但当 Ni 和 Cr 的含量比值较低使得 晶界处富 Ni 量少于贫 Cr 量时，也会出现富 Fe 现象。另 一方面，在晶粒内部位错环等缺陷处，Jiao 和 Deng 等[5- 6] 也发现类似晶界处的元素偏析(图 3c)，都是贫 Fe、 Cr 和富 Si、Ni，且 Fe、Cr 和 Ni 在位错环处的偏析程度与 晶界处相近，而 Si 在位错环处的偏析程度则数倍于晶 界处。位错环处成分偏析到一定程度满足形成相的成 分条件时有可能形成新相。事实上，已有发现在高剂量 辐照不锈钢中发现位错环处析出了 γ'- Ni3Si 相。辐照偏 析及辐照诱发第二相的析出对材料性能产生不利影 响。如晶界贫 Cr 使得晶界的腐蚀抗力降低，会促进沿晶SCC 的发生。辐照诱发的 γ'- Ni3Si 相将大量的 Ni 和 Si 从基体中剥夺，基体中 Ni 含量的降低会改变材料层错 能，导致材料变形性能劣化。

辐照硬化实质是辐照后产生的大量微观尺寸缺陷 如位错环和空洞等对位错的钉扎作用阻碍位错线的滑 移，进而使材料发生硬化。辐照硬化值与位错环等缺陷 的尺寸和数量密度紧密相关。如弥散障碍硬化模型认 为，辐照硬化值(ΔH)与位错环数量密度(N)和直径(d) 乘积值的平方根((Nd)0.5)成正比。也有研究表明[7] ，辐 照形成的原子团簇和基体间模量不协调造成的模量失 谐同样也会引起材料的硬化。硬度值增加会增加材料 的屈服强度，源硬化模型认为，屈服强度的增加同样受 位错环的数量密度与尺寸影响，并与辐照剂量的平方 根呈线性关系，如图 3a 所示。另一方面，屈服强度增加 会促进 SCC 的发生(图 3b)。

2 辐照损伤对 IASCC 的影响研究

该研究主要包括辐照偏析和辐照硬化等结构损伤 对 IASCC 行为的影响。鉴于奥氏体不锈钢经敏化处理 后具有高的 SCC 敏感性，特别是在氧化性高温高压水 环境中，辐照偏析致晶界贫 Cr 一直是 IASCC 研究的焦 点之一。IASCC 裂纹在实际服役环境下的萌生时间一般 较长，在实验室条件下通常采用慢应变速率拉伸(SSRT)加速实验，即在高温高压水环境中对辐照后试样以缓 慢的应变速率(10- 8~10- 6/s)施加一定的应变以促进裂纹 的萌生。实验后，通过分析观察表面或者分析断面发生 IGSCC 面积的百分比(IG%)表征 IASCC 的敏感性。

图 3

图 4 慢应变速率拉伸试验后 IGSCC 敏感性 与辐照偏析致晶界贫 Cr 的变化

图 4 总结了部分奥氏体不锈钢材料辐照偏析致晶 界贫 Cr 与沿晶 SCC 敏感性之间的关系。在 BWR 水环 境中(高的腐蚀电位)，所有发生 IASCC 的奥氏体不锈 钢晶界都存在一定程度的贫 Cr。对于 304 和 316 不锈 钢材料，辐照偏析致晶界 Cr 含量下降 1%~2wt%(小于 17wt%) 时，就易发生沿晶 SCC。研究 600 镍基合金 IASCC 敏感性时，也发现晶界处 Cr 含量从 9wt%降低到 5wt%，断面的发生 IG%相应从 0 增加到 100。结果表明， 辐照偏析致晶界贫 Cr 与材料的 IASCC 敏感性密切相 关。另一方面，微量合金元素和杂质元素的偏析也能影 响 IASCC 敏感性。Stephenson 等[8] 通过向 304L 不锈钢 中加入 Si，使晶界处 Si 含量增加，发现材料 IGSCC 敏感 性提高，据此推断 Si 的偏析同样会促进 SCC。

辐照硬化是影响材料 IASCC 敏感性的另一个重要因素。材料受辐照后产生大量微观尺度的位错环、空洞 等缺陷团。在应力 / 应变作用下，这些缺陷团造成位错 运动受阻使材料力学性能发生劣化。研究表明，300 系 不锈钢在 300℃左右辐照后，随着辐照剂量的增加，屈 服强度增加，塑性和断裂韧性下降。材料屈服强度增加 后易发生非均匀局部变形，局部变形促使材料表面形 成滑移台阶(图 5a)。这些滑移台阶穿过或终止于晶界， 终止于晶界的台阶造成晶界处产生不连续滑移，易将 位错传输到晶界(图 5c)，在晶界区域形成位错塞积和 残余应变集中(图 5b)。当应变集中超过某一临界应变 值后，晶界发生开裂。Deng 等[9] 研究结果表明，晶界处 残余应变集中程度随辐照剂量增加而增加，因此材料 的 IASCC 敏感性也随辐照剂量增加而增加。另一方面， 辐照硬化也会影响 IASCC 的扩展速率。对 304 不锈钢 的研究表明，辐照致屈服强度的增加会使 IASCC 裂纹 扩展速率以指数形式增加。

3 辐照对腐蚀的影响研究

迄今为止，辐照对 IASCC 影响的研究主要聚焦于 辐照致材料微观结构和力学性能变化，对于腐蚀在 IASCC 中的作用尚未得到足够的重视。根据 SCC 内氧 化和滑移溶解膜破裂机制，腐蚀是 SCC 发生基本过程， 澄清材料的腐蚀行为是阐明 SCC 机制不可或缺的一 环。因此，全面阐明 IASCC 机制需要澄清辐照对材料腐 蚀行为的影响，特别是晶界的局部腐蚀行为。近年来， 辐照对不锈钢材料高温高压水环境腐蚀的影响得到了 广泛关注，但很少有文献报道。辐照对材料腐蚀行为的 影响，特别是辐照后材料的腐蚀尚存争议，其影响机制 还未得到充分认识。

Deng 等[10] 采用 2MeV 质子束在 360℃对固溶态核 用 304 不锈钢试样辐照后，系统研究了辐照对腐蚀行 为的影响。发现辐照同时促进 304 不锈钢的均匀腐蚀 和晶界局部腐蚀(图 6)。试样表面形成的氧化膜厚度和晶界处局部腐蚀深度均随辐照剂量增加而增加。特别 地，通过对比应变与无应变作用下的晶界局部腐蚀速 率，发现核用 304 不锈钢在辐照和应变作用下的晶界 局部腐蚀速率明显高于应变和辐照单独作用下的晶界 局部腐蚀速率，表明辐照和应变对晶界局部腐蚀有明 显的协同促进作用。

图 5 慢应变速率拉伸试验后辐照试样上滑移台阶与晶界交互作用

图 6 304 不锈钢一回路水中的均匀和晶界局部腐蚀的结果

分析认为，辐照产生的微观损伤结构、辐照偏析以 及在应力作用下发生的局部不均匀变形是辐照促进腐 蚀的主要因素。对于均匀腐蚀，位错环和空位等缺陷结 构促进氧化膜外层氧化物颗粒的形核，同时发生优先 氧化形成尺寸更小的内层氧化物。小晶粒内层氧化物 能够提供更多扩散通道，促进 Fe 离子向外扩散，进而促 进外层氧化物颗粒的长大。辐照促进晶界局部腐蚀是 辐照偏析与晶界氧化物成分变化共同作用的结果。一 方面，辐照偏析致晶界附近金属空位浓度增加，促进金 属离子向氧化物 / 基体界面扩散;另一方面辐照偏析导 致晶界氧化物 Cr 含量降低，对氧向基体扩散的阻碍作 用减弱，从而促进晶界氧化。

4 IASCC 机制分析

4.1 局部变形促进 IASCC 机制

对于 IASCC 的机制及其影响因素，目前国外研究 者进行了许多研究，提出了一些模型。其中，密歇根大 学 G.S.Was 教授团队提出的局部变形模型是目前被多 数研究者多接受的一个模型。该模型认为，受辐照材料 在应力 / 应变作用下，发生不均匀局部变形形成位错通 道，位错通道与晶界交互作用是促进 IASCC 裂纹的萌 生和扩展的关键原因。局部变形过程中形成的位错通 道呈平面滑移，起始于晶界终止于晶界。另一方面，位 错通道与试样表面作用则形成滑移台阶。在应力 / 应变 作用下材料辐照后产生的位错环等缺陷随滑移台阶传 输到晶界区域，易于导致晶界区位错塞积和发生剧烈 剪切应变。晶界处剧烈剪切应变进一步导致晶界发生 局部滑动，造成表面氧化膜破裂，进而促进 IASCC 的裂 纹的萌生与扩展。增加辐照剂量，位错通道中堆积的位 错环数量随之增加，从而导致表面滑移台阶高度增加。其与晶界的交互作用更剧烈，进而造成更大程度的晶 界位错塞积和应变集中，材料发生 IASCC 的敏感性也 相应增加。

4.2 局部变形和局部腐蚀交互作用对 IASCC 的影响机制

根据 Deng 等[10] 对辐照促进材料腐蚀行为研究结果， 在高温高压水腐蚀环境与应力 / 应变的交互作用下，辐 照促进局部变形和辐照偏析会促进材料的腐蚀行为，而腐蚀行为的改变会影响 IASCC 的发生。如前所述，增 加辐照剂量促进晶界局部腐蚀。晶界局部腐蚀形成的 氧化物在应力作用下易开裂形成微裂纹，促进 IASCC 裂纹的萌生。晶界处腐蚀产物开裂形成典型的 IGSCC 裂纹。因此，增加辐照剂量能够促进晶界处局部腐蚀增 加裂纹萌生的位置，进而增加 IASCC 萌生敏感性。

5 研究趋势

微纳尺度力学测试方法获得的实验结果并不能直 接用来评估辐照材料在宏观尺度上的性能(如抗拉行 为、弹性模量、屈服强度和塑性等)，因此还需要将微纳 尺度测试结果与宏观尺度测试结果进行比较，并探究 两者间的定量对应关系。目前在实验室中无法获得大 块的辐照材料试样，将微纳试验与宏观试验关联起来 仍然面临巨大挑战。未来 IASCC 研究的主要目标应是 建立定量评价模型，开发缓解和预防辐照加速腐蚀失 效的关键应用性技术。