奧氏體不銹鋼因?yàn)榫哂休^好的力學(xué)性能、加工性能和耐腐蝕性能被選為反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件的主要結(jié)構(gòu)材料。當(dāng)前核電站的服役壽命正致力于延長至60年或更長時(shí)間，堆內(nèi)構(gòu)件材料在壽期內(nèi)將受到高達(dá)80dpa的中子輻照。此時(shí)，材料將受到嚴(yán)重的輻照損傷(如：輻照誘導(dǎo)相結(jié)構(gòu)、空洞 、位錯(cuò)環(huán)等)， 進(jìn)而降低其力學(xué)性能和耐腐蝕性能，導(dǎo)致材料抗應(yīng)力腐蝕性能(SCC) 降低，并進(jìn)一步誘發(fā)輻照促進(jìn)應(yīng)力腐蝕開裂(IASCC)。IASCC是導(dǎo)致輕水堆 (LWRs)堆芯部件開裂乃至失效的關(guān)鍵原因之一。自20世紀(jì)60年代300系列不銹鋼燃料棒包殼第一次發(fā)生IASCC事故以來，先后在沸水堆(BWRs)的高應(yīng)力組件、低應(yīng)力組件、焊接堆芯管以及壓水堆堆內(nèi)構(gòu)件等關(guān)鍵部件發(fā)現(xiàn)了IASCC現(xiàn)象。

     SCC本身是一種應(yīng)力、環(huán)境和材料微觀結(jié)構(gòu)等多因素耦合的現(xiàn)象 ，在IASCC中，由于輻照又可與各因素發(fā)生相互作用，使得其多因素耦合的行為和機(jī)制變得更加復(fù)雜。此外，水的輻照分解也曾被認(rèn)為對(duì)IASCC有重要影響，但之后的研究表明，向冷卻劑中添加H₂可降低輻照分解產(chǎn)物的生成率，從而抑制水的輻解，所以對(duì)IASCC幾乎無影響。國際上對(duì)奧氏體鋼的 IASCC現(xiàn)象已開展一系列試驗(yàn)研究，以期掌握中子輻照IASCC行為機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)堆內(nèi)構(gòu)件老化狀態(tài)和壽命的有效評(píng)估。由于中子輻照樣品稀少且具有放射性，國內(nèi)目前主要開展了基于離子輻照的IASCC試驗(yàn)研究，因?yàn)殡x子輻照效率高、成本低以及感生放射性極低，在IASCC機(jī)制研究中頗具優(yōu)勢(shì)。但其損傷深度淺、損傷截面不均勻 的固有缺點(diǎn)使其在IASCC行為研究中飽受爭(zhēng)議。因此相關(guān)IASCC試驗(yàn)研究工作亟待開展。本文通過調(diào)研總結(jié)國內(nèi)外文獻(xiàn)，綜述了輻照對(duì)奧氏體鋼IASCC裂紋萌生、擴(kuò)展及敏感性變化行為的影響規(guī)律，分析了IASCC的微觀機(jī)理，總結(jié)了輻照后退火 (PIA)在IASCC研究中的應(yīng)用，以期為抑制IASCC提供參考。

     IASCC導(dǎo)致的失效過程一般會(huì)經(jīng)歷裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展和失穩(wěn)斷裂階段，其中，失穩(wěn)斷裂階段主要由力學(xué)因素控制。因此對(duì)IASCC的研究主要集中在裂紋萌生和擴(kuò)展階段，也可用應(yīng)力腐蝕敏感性的變化進(jìn)行間接表征。

1.1 IASCC裂紋萌生的行為規(guī)律

      IASCC裂紋萌生占材料斷裂失效過程的大部分時(shí)間，是IASCC研究的關(guān)鍵階段。整個(gè)過程又包括先導(dǎo)期(物質(zhì)發(fā)生變化，材料在特定環(huán)境中對(duì)IASCC敏感)、孕育期(材料存在微觀滲透)和緩慢擴(kuò)展期(裂 紋擴(kuò)展速率遠(yuǎn)小于裂紋擴(kuò)展階段)階段，前兩個(gè)階段裂紋深度幾乎不發(fā)生變化，第三個(gè)階段裂紋緩慢擴(kuò)展至幾十至幾百微米處。

      裂紋萌生閾值應(yīng)力是IASCC裂紋萌生行為的常用表征參數(shù)，一般通過恒載荷試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行確定。研究表明，裂紋萌生閾值應(yīng)力隨輻照溫度、劑量以及劑量率的增加而降低；在壓水堆一回路水環(huán)境中， IASCC裂紋萌生閾值劑量為~3dpa，閾值應(yīng)力為約40%屈服強(qiáng)度，若低于這些閾值，一般認(rèn)為IASCC裂紋萌生不會(huì)發(fā)生。

      裂紋萌生時(shí)間是IASCC裂紋萌生行為的另一個(gè)重要表征參數(shù)，目前直流電位降(DCPD)試驗(yàn)方法是原位監(jiān)測(cè)裂紋萌生精度最高的方法，甚至可以達(dá)到幾微米的分辨率。Ham等根據(jù)質(zhì)子輻照304L不銹鋼的研究結(jié)果認(rèn)為，裂紋萌生時(shí)間隨輻照 劑量的升高而降低，但由于中子輻照成本過高、樣品稀缺，試驗(yàn)周期較長以及裂紋萌生位置的隨機(jī)性導(dǎo)致此結(jié)論對(duì)于中子輻照樣品而言缺乏足夠的準(zhǔn)確可靠數(shù)據(jù)支持。

1.2 IASCC裂紋擴(kuò)展的行為規(guī)律

     IASCC裂紋萌生后將繼續(xù)擴(kuò)展，最終導(dǎo)致材料的失穩(wěn)斷裂。裂紋擴(kuò)展速率是表征IASCC裂紋擴(kuò)展行為的重要參數(shù)，一般通過在高溫高壓水中對(duì)CT (緊湊拉伸)試樣保持恒定應(yīng)力強(qiáng)度因子的同時(shí)利用DCPD原位測(cè)量裂紋長度來實(shí)現(xiàn)。

      當(dāng)前研究認(rèn)為，輻照劑量、屈服強(qiáng)度、應(yīng)力強(qiáng)度因子K、溫度、加載類型是壓水堆(低ECP環(huán)境)內(nèi)IASCC裂紋擴(kuò)展速率(CGR)的關(guān)鍵影響因素，其關(guān)系模型如式1所示：

     式中，C為特定環(huán)境下的擬合系數(shù)，f(PPU)為加載因子，S_T為溫度調(diào)節(jié)函數(shù)，σ^ϑ_0.2為屈服強(qiáng)度，η為應(yīng)力強(qiáng)度因子K擬合系數(shù)。

     IASCC CGR隨輻照劑量的增加而增加，且在8~10dpa范圍內(nèi)達(dá)到飽和(圖1a)，值得注意的是，劑量 對(duì)屈服強(qiáng)度的影響呈現(xiàn)出相同的趨勢(shì)(圖1b)；此外， PWRs條件下每種中子輻照合金的CGR均隨著應(yīng)力強(qiáng)度因子(K)的增加呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)(圖2a)，但具體的K指數(shù)仍受合金添加元素以及服役環(huán)境的影響 ；一般而言，在同等的K條件下，CGR隨著服役溫度 的升高而增加(圖2b)，唯一例外的是合金PS02(+Hf)，即摻雜Hf的高純316L不銹鋼(中子劑量9.6dpa)， 其在288℃時(shí)的CGR比320℃高出約10倍左右。然而，溫度對(duì)CGR的具體影響還需要在包括等效DH、 電導(dǎo)率、ECP和加載歷史等變量得到良好控制的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)一步驗(yàn)證。

     此外，由于加熱方式、實(shí)驗(yàn)室條件、測(cè)試過程的不同，輻照奧氏體不銹鋼的IASCC CGR數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出較大的分散性 (圖1)。因此，在未來的研究中需要分離出更多的變量，更全面地了解數(shù)據(jù)分散的原因，比如，評(píng)估裂紋尖端應(yīng)變率、構(gòu)建識(shí)別非預(yù)期實(shí)驗(yàn)室負(fù)載的新方法都可能有助于降低未來統(tǒng)計(jì)工作中數(shù)據(jù)的分散性。

圖1 IASCC數(shù)據(jù)中CGR與屈服應(yīng)力的劑量依賴性

圖2 IASCC數(shù)據(jù)中CGR隨應(yīng)力強(qiáng)度因子和輻照溫度的變化規(guī)律

1.3 IASCC敏感性的行為規(guī)律

     IASCC敏感性是評(píng)價(jià)堆芯材料抗IASCC性能的重要指標(biāo)，通常使用慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)(SSRT) 數(shù)據(jù)進(jìn)行表征。目前研究主要采用中子輻照后樣品 開展。此外，出于降低研究成本、提高研究效率等方面考慮，也常用離子輻照模擬中子輻照開展IASCC敏感性研究。

     中子輻照樣品可采用延伸率和晶間斷裂百分比 (IG%)量化敏感性程度。采用以上實(shí)驗(yàn)方法對(duì)IASCC敏感性進(jìn)行研究的結(jié)果表明：中子輻照后的總延伸率隨著劑量的增加而降低(圖3a)，并且在10dpa左右達(dá)到飽和，晶間斷裂百分比隨著劑量的增加而持續(xù)增加，直到全部形成沿晶斷口(圖3b)。

     離子輻照IASCC樣品只能單面局部受照而且劑量梯度大，因此通常通過裂紋信息(裂紋數(shù)量密 度、平均長度、長度密度等)和微觀組織信息(局部變形程度)等參數(shù)對(duì)IASCC敏感性進(jìn)行間接表征。相關(guān)研究表明，輻照劑量對(duì)上述參數(shù)具有明顯的正相關(guān)效應(yīng)，即隨著輻照劑量增加IASCC敏感性逐漸增大。

     基于中子、離子輻照的IASCC試驗(yàn)研究結(jié)果均表明，輻照劑量增加會(huì)提高IASCC敏感性，且在特定表征參數(shù)上存在著劑量飽和值。

      綜上，輻照促進(jìn)了IASCC裂紋的萌生與擴(kuò)展， 表現(xiàn)為IASCC敏感性的增加：壓水堆一回路水環(huán)境中IASCC裂紋萌生閾值劑量為3dpa，閾值應(yīng)力為約40%屈服應(yīng)力；IASCC CGR飽和劑量為8~10dpa；中子輻照后樣品總延伸率的飽和劑量為10dpa，IG%隨劑量的增加而持續(xù)增長。然而，由于裂紋萌生位置的隨機(jī)性以及中子輻照樣品難以獲得，導(dǎo)致裂紋萌生時(shí)間與劑量的相關(guān)性缺乏足夠且可靠的數(shù)據(jù)支持；另一方面，不同的實(shí)驗(yàn)條件及數(shù)據(jù)篩選方法導(dǎo)致IASCC CGR數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出很大的分散性。此外，當(dāng)前大部分關(guān)于裂紋萌生與擴(kuò)展的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均偏向于工程目的，如裂紋萌生閾值劑量、閾值應(yīng)力、失效時(shí)間等，缺乏對(duì)IASCC的機(jī)理探索及理論支撐，因此有必要圍繞IASCC微觀機(jī)理開展深入研究。

圖3 中子輻照IASCC敏感性參數(shù)隨劑量的變化

     IASCC是一種復(fù)雜的現(xiàn)象，由輻照、應(yīng)力、水化學(xué)等多種因素共同作用產(chǎn)生，局部變形、晶界氧化、輻照硬化、輻照誘導(dǎo)偏析(RIS)、輻照腫脹等因素都有助于引發(fā)IASCC，然而目前還無法確定何種因素起主導(dǎo)作用。

2.1 局部變形

     局部變形導(dǎo)致IASCC的機(jī)理在于：輻照產(chǎn)生的缺陷以及低層錯(cuò)能合金會(huì)大幅降低運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)交滑移的可能性，導(dǎo)致位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)局域化增強(qiáng)，誘發(fā)位錯(cuò)通道(DC) 。位錯(cuò)通道是奧氏體鋼局部變形的主要方式，也是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力最小的路徑。一方面，位錯(cuò)通道中位錯(cuò)密度高，一個(gè)新啟動(dòng)的位錯(cuò)通道傳輸至晶界會(huì)導(dǎo)致晶界附近位錯(cuò)塞積，當(dāng)對(duì)樣品施加較高的應(yīng)力時(shí)，更多的位錯(cuò)將會(huì)加入位錯(cuò)隊(duì)列，在某一時(shí)刻，先導(dǎo)位錯(cuò)會(huì)被并入晶界，成為外源晶界位錯(cuò)(EGBD)，并進(jìn)一步分解為晶界位錯(cuò)(GBD)。隨著應(yīng)力作用下的晶 格位錯(cuò)被不斷“擠壓”至晶界，造成晶界位錯(cuò)上的應(yīng)力不斷增大，當(dāng)其達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)發(fā)生劇烈剪切應(yīng)變，引起殘余應(yīng)變集中，導(dǎo)致鄰近晶粒的位錯(cuò)源開動(dòng)，從而促進(jìn)局部晶界滑移(晶界變形)或楔形裂紋成核，引起試樣表面保護(hù)性氧化膜破裂，導(dǎo)致IASCC裂紋萌生或現(xiàn)有裂紋擴(kuò)展。另一方面，位錯(cuò)通道與晶界(GB)的作用方式包括連續(xù)DC-GB作用和非連續(xù)DC-GB作用，前者易發(fā)生在HH型晶界處，而后者傾向于在LL型晶界處產(chǎn)生。非連續(xù)DC-GB交界處產(chǎn)生的法向應(yīng)力往往高于連續(xù)DC-GB交界處(圖4a)，導(dǎo)致較高的局部應(yīng)力集中，IGSCC裂紋更容易產(chǎn)生(圖4a和b)。

       值得注意的是，拉應(yīng)力是局部變形的根本因素，輻照在其中只起到了促進(jìn)作用，理論上局部應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)比局部變形對(duì)IASCC有更好的相關(guān)性，一般認(rèn)為，只要晶界處應(yīng)力狀態(tài)相似，即使局部化程 度不同，晶界裂紋性質(zhì)也相近，這可能是 Gupta等在低劑量下觀察到質(zhì)子輻照與重離子輻照裂紋性質(zhì)相似的原因。

2.2 晶界氧化

     越來越多的研究結(jié)果表明，晶界氧化是 SCC萌生的必要前驅(qū)步驟，其對(duì)裂紋萌生的影響直 接歸因于對(duì)晶界強(qiáng)度的影響。晶界氧化可以弱化晶界強(qiáng)度，晶界強(qiáng)度隨著晶界Fe-Cr尖晶石氧化物的形成而降低，當(dāng)其低于外加應(yīng)力時(shí)，氧化晶界斷裂，裂紋萌生。

     有文獻(xiàn)指出，增加輻照劑量可以促進(jìn)晶界氧化，從而促進(jìn)IASCC裂紋萌生，這是輻照誘導(dǎo)偏析 (RIS)引起的晶界Cr貧化所致。然而，研究表明， 當(dāng)樣品不受應(yīng)力且在模擬PWR一回路水中長期浸泡后，輻照反而提高316L奧氏體鋼的晶界抗氧化性，這是因?yàn)樵谳椪站Ы缣幤龅腟i由于高擴(kuò)散率和對(duì)O的親和性優(yōu)先向外擴(kuò)散并被氧化。一方面， 晶間氧化物尖端的富Si氧化物可以作為O的臨時(shí)擴(kuò)散屏障阻止O的流失；另一方面，Si優(yōu)先擴(kuò)散產(chǎn)生的 空位極大地提高了Cr向氧化物前沿的傳輸效率，導(dǎo)致氧化物尖端的Cr含量升高。Si和Cr的富集結(jié)合可以增強(qiáng)晶界抗氧化能力，最終導(dǎo)致晶界氧化速率降低。與之情況不同的是，304奧氏體不銹鋼的晶界氧化仍然以晶界貧Cr為主導(dǎo)因素，這是因?yàn)檩椪罩翭e、Cr、Ni在晶界處的偏析程度與在位錯(cuò)環(huán)處相當(dāng)，而輻照致Si在304不銹鋼位錯(cuò)環(huán)處的偏析數(shù)倍于晶界處，晶界處少量的Si富集既無法阻止O的流失，也無法促進(jìn)Cr向氧化物前沿?cái)U(kuò)散，即對(duì)304不銹鋼而言，輻照仍然發(fā)揮著促進(jìn)晶界氧化的作用。綜上，傳統(tǒng)意義上輻照致晶界貧Cr是晶界氧化的主導(dǎo)因素，但晶界及裂尖處Si的富集也在晶界氧化甚至IASCC進(jìn)程中具有潛在作用，這主要取決于晶界基底元素的含量以及由輻照引起的主要元素(如Cr、Si等)在晶界處的偏析程度。因此，需進(jìn)一步深入工作以理清輻照影響不同奧氏體鋼晶界氧化的具體機(jī)制，此外，還需對(duì)應(yīng)力作用下輻照對(duì)晶界氧化的影響行為展開進(jìn)一步研究，以探明應(yīng)力-輻照-氧化影響 IASCC的協(xié)同機(jī)制。

圖4 DC-GB位置處的法向應(yīng)力及開裂情況統(tǒng)計(jì)

2.3 輻照硬化

     輻照硬化本質(zhì)上是由輻照后材料內(nèi)部產(chǎn)生的一系列缺陷阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所引起，其促進(jìn)IASCC的機(jī)理在于：(1)輻照硬化導(dǎo)致基體脆性增加，在位錯(cuò)塞積造成局部應(yīng)力應(yīng)變提高的情況下，更容易誘發(fā) IASCC裂紋萌生。(2)在低于宏觀屈服應(yīng)力的載荷 下，輻照硬化使基體更容易在晶界區(qū)域發(fā)生局部塑性變形，形成位錯(cuò)通道或轉(zhuǎn)變?yōu)樾巫儗\晶，導(dǎo)致奧氏體鋼局部頸縮和均勻伸長率急劇下降，誘發(fā)IASCC裂紋萌生。

      然而有不少研究認(rèn)為輻照硬化不是主要IASCC機(jī)制，如對(duì)不銹鋼進(jìn)行的一系列熱處理實(shí)驗(yàn)表明，在硬化程度相當(dāng)?shù)那闆r下，輻照硬化比冷加工硬化產(chǎn)生更多的IGSCC，說明硬化不足以解釋IASCC開 裂敏感性。另外，對(duì)輻照材料進(jìn)行長時(shí)間退火發(fā)現(xiàn)，硬度變化滯后于IASCC 敏感性變化，說明輻照硬化可能不是IASCC的關(guān)鍵控制因素。

2.4 輻照誘導(dǎo)偏析(RIS)

      RIS對(duì)IASCC的影響主要表現(xiàn)為晶界處的Cr貧化，貧Cr弱化了晶界處氧化膜的保護(hù)作用，增加了金屬陽離子的擴(kuò)散速度和氧空位的滲透性。文獻(xiàn)在局部氧化滲透與SCC裂紋擴(kuò)展之間建立了橋梁：Cr貧化引起的局部氧化滲透在增加金屬離子的擴(kuò)散速率、導(dǎo)致氧化電荷密度增加(式(2))的同時(shí)，也會(huì)使氧化膜上出現(xiàn)微孔，導(dǎo)致氧化膜分解的閾值應(yīng)變降低(式(3))；另外，局部氧化滲透還可以通過提高裂尖氧化速率常數(shù)來增加SCC擴(kuò)展速率 (式(4))。

    式中，M_a為原子量，ρ為裂紋尖端材料密度，z為因氧化所引起的電荷變化，F(xiàn)為Faraday常數(shù)，Q_d為氧化電荷密度，t_d為裂尖氧化膜破裂時(shí)間，ε_d為氧化膜分解的閾值應(yīng)變，ε_ct為裂尖應(yīng)變率，k_a為裂紋尖端的氧化速率常數(shù)。

      有研究指出，當(dāng)Cr含量>17%時(shí)，合金抗開裂。然而，最新研究表明，即使晶界Cr含量高于17%，也不能保證合金在LWRs條件下完全抗開裂，因此，輻照誘導(dǎo)晶界處的Cr貧化可能并不是IASCC發(fā)生的決定因素，即使晶界處不發(fā)生Cr貧化，應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展也很容易發(fā)生。

     除了Cr，其他元素偏析也可增加 IASCC敏感性。Ni的偏析可引起空洞表面的Ni富集和Cr貧化，使得空洞之間的合金基體趨向于轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定馬氏體相，裂尖α-馬氏體的存在可誘發(fā)脆性增加，從而增加IASCC敏感性。Si和B等元素的偏析，在PWRs的相關(guān)電位下也均會(huì)發(fā)生氧化(SiO₂和BO₃)， 并且產(chǎn)物在高溫水中很容易溶解，從而產(chǎn)生有缺陷 的氧化結(jié)構(gòu)，因此，晶界處富集的高濃度Si會(huì)降低晶界氧化物的抗開裂性。

2.5 輻照腫脹與輻照蠕變

     壓水堆服役壽命延至60年甚至80年意味著處于堆芯的奧氏體鋼將會(huì)受到高達(dá)80dpa的中子輻照，高劑量下空洞腫脹導(dǎo)致材料脆化以及“輻照松弛-輻照腫脹”先后發(fā)生引起的再加載在材料中產(chǎn)生拉伸或剪切載荷，二者在高溫高壓水的氧化作用下 可共同誘發(fā)IASCC裂紋的萌生及擴(kuò)展。

     腫脹往往伴隨著一定的輻照蠕變，輻照蠕變?cè)谖⒂^結(jié)構(gòu)層面上是一個(gè)非破壞性過程，其致力于將任何應(yīng)力集中或應(yīng)力梯度降至最低。當(dāng)材料發(fā)生輻照腫脹時(shí)，在空洞附近產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)會(huì)激活輻照蠕變，輻照蠕變可以松弛恒定的位移應(yīng)力，例如螺栓應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力，一般認(rèn)為，輻照蠕變會(huì)增強(qiáng)材料的IASCC抗性。然而，雖然蠕變引起的應(yīng)力松弛降低了應(yīng)力的平均大小，但多晶材料中的約束可能產(chǎn) 生較高的局部應(yīng)力，引發(fā)大量局部晶界變形，導(dǎo)致局 部氧化膜破裂，為裂紋的萌生創(chuàng)造條件。此外，輻照蠕變會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)應(yīng)變，由于動(dòng)態(tài)應(yīng)變會(huì)促進(jìn)IASCC的萌生 ，所以輻照蠕變也可能發(fā)揮了一些作用。

2.6 輻照誘導(dǎo)相變

     輻照誘導(dǎo)相變對(duì)IASCC的影響主要體現(xiàn)在奧氏體鋼中γ'_(Ni3Si)、G相、δ相、馬氏體相以及α相的變化上。

      輻照可促進(jìn)γ'相_(Ni3Si)的形成，該相是一種L12結(jié)構(gòu)的金屬間化合物，憑借高Si含量形成的Si氧化膜具有一定的耐腐蝕和抗氧化性，但SiO₂在高溫水中易溶解，形成的缺陷結(jié)構(gòu)與γ'相極差的延展性共同降低了γ'相的IASCC抗性；γ'相_(Ni3Si)被認(rèn)為是G相的前體，G相是一種復(fù)雜金屬間化合物，它廣泛存在于奧氏體不銹鋼焊縫金屬(具有奧氏體基體和一定量鐵素體組成的雙相結(jié)構(gòu))中，通過促進(jìn)鐵素體的硬化來降低焊縫金屬的力學(xué)性能及抗應(yīng)力腐蝕性能。

     輻照加速了δ相的分解，δ相具有很強(qiáng)的SCC抗性(即使在Cl浸蝕的情況下)，其機(jī)理主要包括以下3種：

     (1) 電化學(xué)效應(yīng)：γ相易氧化，導(dǎo)致裂尖部分鈍化，形成陽極，δ相不易氧化，形成陰極，γ/δ界面構(gòu)成 的微電偶腐蝕電池加劇γ相的氧化，使裂紋尖端嚴(yán)重鈍化，導(dǎo)致裂尖應(yīng)變/應(yīng)力集中降低，裂尖擴(kuò)展速率降低。

     (2) 機(jī)械效應(yīng)：δ相誘導(dǎo)裂紋在γ/δ相界面處分支，導(dǎo)致裂尖的應(yīng)力強(qiáng)度因子K降低，裂紋擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力降低，裂紋擴(kuò)展受阻，然而，也有研究表明：δ相會(huì)抑制裂紋分支從而抑制裂紋擴(kuò)展(圖5a)，這可能歸因于基體中δ相含量的差異。

      (3) 腐蝕緩解效應(yīng)(圖5b)：Ti促進(jìn)了δ的形成，并且通過析出TiC來抑制不銹鋼在晶界處析出CrC而造成貧Cr區(qū)，其作為穩(wěn)定的“Cr源”以及其對(duì)C、N的捕獲(Ti(CN))共同誘導(dǎo)γ/δ相界面處形成富Cr氧化物，抑制γ/δ相界面附近裂紋的進(jìn)一步氧化。

     因此，輻照極大地削弱了δ相抑制SCC的重要作用。

    然而，盡管γ'_(Ni3Si)相、G相、δ相對(duì)IASCC的作用機(jī)制已經(jīng)清晰，但仍有部分相的IASCC機(jī)制存有爭(zhēng)議，如Fe離子輻照產(chǎn)生的馬氏體(bcc)相可抑制304L不銹鋼的IASCC擴(kuò)展，但該發(fā)現(xiàn)只發(fā)生在重離子輻照的情況下，在其它輻照條件下，并未有類似bcc相的報(bào)道；此外，輻照也會(huì)誘發(fā)α相的形成，相關(guān)研究認(rèn)為，α相可以降低奧氏體鋼的抗SCC能力，但其具體影響機(jī)制未知。因此相關(guān)研究有待進(jìn)一步開展。

圖5 δ相對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響機(jī)理圖

2.7 輻照后退火(PIA)在IASCC機(jī)制研究中的應(yīng)用

      在輻照條件下，奧氏體不銹鋼基體中將形成小缺陷簇、位錯(cuò)環(huán)、沉淀和空洞等多種微觀缺陷，溶質(zhì)元素在晶界等缺陷阱處也會(huì)發(fā)生輻照誘導(dǎo)偏析。這 些微尺度的變化被認(rèn)為是導(dǎo)致晶間裂紋敏感性增加 的原因，但由于它們?cè)谳椪障峦瑫r(shí)出現(xiàn)，因此很難分離出確切的機(jī)制。由于退火時(shí)間與溫度的增加可以逐步消除輻照誘導(dǎo)的損傷(位錯(cuò)環(huán)、輻照誘導(dǎo)偏析、 沉淀物等) ，如在400~700℃范圍內(nèi)，輻照誘導(dǎo)形成的G相與α相大幅下降；在500~1000℃范圍內(nèi)，輻照產(chǎn)生的空洞數(shù)量大幅減少；而在800~1100℃范圍內(nèi)，輻照致He氣泡的密度也在逐步下降至穩(wěn)定， 這為分離出控制 IASCC敏感性的主要微觀結(jié)構(gòu)特征提供了機(jī)會(huì)。因此，輻照后退火(PIA)理論上是 一種分離IASCC諸多機(jī)制的手段。

     研究指出，隨著退火時(shí)間的延長以及退火溫度的升高，奧氏體鋼的IASCC敏感性、輻照硬化、位錯(cuò)通道間距、位錯(cuò)缺陷以及主要元素的偏析程度等檢測(cè)特征均有不同程度地降低，但并沒有任何一種機(jī)制隨退火條件的變化與IASCC敏感性的變化完 全相同(圖6)。更具體地說，大多數(shù)被檢測(cè)的特征在500℃退火后的變化很小，其中，IASCC緩解的變化最大，并且位錯(cuò)通道間距表現(xiàn)出與IASCC緩解極為相似的趨勢(shì)：500℃1h與550℃1h退火后迅速下 降，之后保持不變，表明局部變形與 IASCC的相關(guān)性最強(qiáng)。此外，晶界Si的RIS與IASCC緩解的相關(guān)性僅次于局部變形。然而，有研究認(rèn)為，IASCC作用機(jī)制優(yōu)先級(jí)為：局部變形>輻照硬化>RIS(Cr)， 表明在特定條件下的RIS與IASCC的相關(guān)性需要被重新審視。

圖6 IASCC敏感性和材料輻照誘導(dǎo)的特征隨退火條件的變化圖

然而，盡管現(xiàn)有相關(guān)研究[73,80,85,86] 在PIA恢復(fù)輻照 誘導(dǎo)微觀特征的規(guī)律上取得了一定進(jìn)展，得出了部 分因素與 IASCC 的關(guān)聯(lián)程度，但由于退火范圍廣 泛，中子輻照樣品稀缺，使得現(xiàn)有工作難以徹底分離 影響IASCC的單一微結(jié)構(gòu)與微化學(xué)因素，需要進(jìn)一 步設(shè)置退火參數(shù)以徹底分離單一微觀特征，并分析 單一微觀特征對(duì)IASCC的影響機(jī)制，從而更好地構(gòu) 建IASCC失效預(yù)測(cè)模型。

     另一方面，由于可以恢復(fù)輻照引起的結(jié)構(gòu)變化(圖7a)和力學(xué)性能的變化(圖7b)，PIA也被認(rèn)為是降低水環(huán)境中輻照材料 IASCC敏感性(圖6)的有 效策略之一。然而，研究表明，PIA可以顯著抑制加氫水化學(xué)(HWC)中的裂紋擴(kuò)展速率(CGR)，但對(duì)正常水化學(xué)(NWC)中CGR的影響不大(圖8)，即使它恢復(fù)了大部分輻照誘導(dǎo)的微觀結(jié)構(gòu)變化，這表明PIA緩解IASCC的作用機(jī)制并不是簡(jiǎn)單地恢復(fù)輻照誘導(dǎo)的損傷結(jié)構(gòu)，而很大程度上取決于試驗(yàn)環(huán)境與PIA的相互作用。

圖7 微觀缺陷與力學(xué)性能隨退火條件的變化

圖8 輻照至5.9dpa的304L不銹鋼在不同退火條件 和不同水環(huán)境下的裂紋擴(kuò)展速率

     綜上，局部變形與輻照硬化對(duì)IASCC的影響機(jī)制本質(zhì)上都是輻照致位錯(cuò)塞積所引起的材料性能變化，然而，晶界應(yīng)力狀態(tài)與IASCC的相關(guān)性要強(qiáng)于局部變形；晶界氧化是IASCC裂紋萌生的關(guān)鍵步驟；RIS主要通過輻照誘導(dǎo)晶界處Cr的偏析來影響IASCC，然而，許多次要元素的偏析對(duì)IASCC的影響機(jī)制還沒有被很好地理解；輻照腫脹與輻照蠕變相繼出現(xiàn)，但二者對(duì)IASCC的作用截然相反；輻照誘導(dǎo)相變對(duì)IASCC的作用主要體現(xiàn)在奧氏體鋼中 γ'_(Ni3Si)、G相、δ相、馬氏體相以及α相的變化上，但 馬氏體與α相對(duì)IASCC的具體影響機(jī)制仍不明確。以上每種機(jī)制都可不同程度地促進(jìn)或抑制IASCC。此外，PIA 可以通過調(diào)節(jié)退火參數(shù)來一定程度上恢 復(fù)輻照誘導(dǎo)產(chǎn)生的微結(jié)構(gòu)與微化學(xué)變化，從而得出 控制IASCC 行為的主導(dǎo)機(jī)制。然而，由于實(shí)驗(yàn)樣品稀缺，退火范圍廣泛，使得現(xiàn)有研究難以徹底分離輻照誘導(dǎo)的單一微觀特征。

     堆內(nèi)構(gòu)件不銹鋼的IASCC是核電老化狀態(tài)評(píng)估、壽命管理及許可證延續(xù)(LTO)論證的重要內(nèi)容，目前國內(nèi)外針對(duì)IASCC行為以及敏感性評(píng)價(jià)進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，包括恒載荷、直流電位降監(jiān)測(cè)(DCPD)和慢拉伸等 ，在IASCC機(jī)制方面取得了一系列進(jìn)展 ，包括局部變形、晶界氧化、輻照硬化、RIS、輻照腫脹以及輻照誘導(dǎo)相變等，同 時(shí)關(guān)于PIA在IASCC 中的應(yīng)用研究方面也取得 了一定進(jìn)展 ，包括評(píng)價(jià)IASCC作用機(jī)制的相關(guān) 性和抑制IASCC的萌生與擴(kuò)展等 ，但仍存在一 些問題有待解決，主要包括以下幾個(gè)方面：

      (1) 輻照主要影響IASCC裂紋萌生和擴(kuò)展，但裂紋萌生位置的隨機(jī)性使得實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的裂紋 萌生時(shí)間精度不高 ，并且中子輻照條件的缺乏導(dǎo)致裂紋萌生時(shí)間與劑量的相關(guān)性缺乏足夠的可靠數(shù)據(jù)支持 ，此外，由于加熱方式、實(shí)驗(yàn)室條件、測(cè)試過程的不同，IASCC CGR數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出很大的分散性 ，尚需改進(jìn)并統(tǒng)一IASCC裂紋萌生及擴(kuò)展的測(cè)試和數(shù)據(jù)篩選、修正及歸一化方法， 此外，由于中子輻照樣品稀缺且試驗(yàn)難度較大，導(dǎo)致中子試驗(yàn)數(shù)據(jù)較少，工程應(yīng)用的可靠性差，需進(jìn)一步在歸一化試驗(yàn)的前提下，統(tǒng)計(jì)分析中子試驗(yàn)數(shù)據(jù)，科學(xué)構(gòu)建IASCC失效預(yù)測(cè)模型。

     (2) IASCC機(jī)制框架基本完善，但仍然有個(gè)別細(xì)節(jié)仍需進(jìn)行補(bǔ)充研究 ，比如晶界處局部變形與應(yīng)力狀態(tài)的相互依存關(guān)系、應(yīng)力作用下輻照對(duì)晶界氧化的影響規(guī)律、RIS與IASCC相關(guān)性的有效評(píng)價(jià)、晶界處次要元素的偏析行為及其對(duì)IASCC的作用、馬氏體相與α相對(duì)IASCC的作用機(jī)制等。盡管目前IASCC作用機(jī)制的優(yōu)先級(jí)已通過PIA手段得到一定程度地量化，但 PIA不能徹底分離輻照誘導(dǎo)的微結(jié)構(gòu)及微化學(xué)，導(dǎo)致其在研究單一微觀特征對(duì)IASCC 的作用機(jī)制上存在一定局限性。此外，如何闡明各機(jī)制間 的耦合效應(yīng)對(duì)IASCC的影響是評(píng)價(jià)堆內(nèi)構(gòu)件老化狀態(tài)以及預(yù)測(cè)其服役壽命應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的問題。

     我國由于中子、質(zhì)子輻照實(shí)驗(yàn)難度大、數(shù)據(jù) 難以獲得 ，一般使用重離子輻照模擬中子輻照 的實(shí)驗(yàn)環(huán)境 ，盡管在 IASCC 機(jī)制方面取得了一些進(jìn)展 ，但并不能滿足獲得高劑量輻照下對(duì)IASCC現(xiàn)象一些規(guī)律性認(rèn)識(shí)的要求，距離在實(shí)際工況下壓水堆堆內(nèi)構(gòu)件IASCC行為的預(yù)測(cè)仍有 一段距離，尚需在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上深入開展IASCC行為機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究，充分吸收國外的經(jīng)驗(yàn) 和成果，解決退役材料的熱室測(cè)試技術(shù)，建立離子輻照與中子輻照IASCC行為機(jī)制的映射關(guān)系，為我國進(jìn)一步優(yōu)化核電老化狀態(tài)評(píng)估體系、建立起可用于堆內(nèi)構(gòu)件IASCC失效預(yù)測(cè)模型提供充分的數(shù)據(jù)支持和可靠的機(jī)理研究保障。