10×1019 cm-2快中子辐照国产A508-3钢材料的小冲杆试验研究

王成龙，白 冰，张长义，佟振峰，钟巍华，徐 帅，赵迎超，宁广胜，杨 文

(中国原子能科学研究院 反应堆工程技术研究部，北京 102413)

小冲杆(SP)试验是一种测定材料韧脆性质的试验技术[1-4]。该试验技术是在20世纪80年代由Baik等[1]提出的，起初主要用于研究受辐照材料断裂性能与服役温度和受照剂量之间的关系。由于其所需测试样品体积小，例如典型样品直径为3 mm，厚度为0.25 mm[5-6]，由此带来的感生放射性小，节约实验堆的辐照空间，使用普通的试验机及简单的附加装置即可完成材料性能测试等优点，使其在核材料力学性能测试领域得到了一定的应用。

本文设计加工一套SP试验装置，并利用该套装置获得注量为10×1019cm-2(E≥1 MeV)快中子辐照的国产A508-3钢材料的SP特征值与标准拉伸试验和夏比冲击试验之间的关系。

1 试验原理及装置

传统试验装置主要采用试验机横梁等间接方式来测量样品的变形，会引入较大的误差，本文结合该装置在核测试领域应用的特点以及提高装置测试精度的要求设计了一套SP试验装置[7]，建立了针对放射性样品从制备到测试过程的方法。

图1 SP装置原理图Fig.1 SP device schematic

本套SP测试装置设计实现了对SP样品变形的直接测量，如图1a所示，样品由上下夹块夹持，样品的下表面是小球和冲杆，样品的上表面是位移杆和光栅尺。试验过程如图1b所示，由试验机向冲杆施加载荷后，冲杆挤压小球，随后小球挤压样品下表面，使样品发生变形，样品上表面的变形由位移杆传递给光栅尺进行样品变形d的测量，由于在试验过程中，位移杆和光栅尺不受力，自身不发生变形，尽管小球、冲杆和试验机会发生一定的变形，但这部分变形不在光栅尺的测量范围之内，有效提高了试验测量的精度。

使用厚度为(0.30±0.01) mm的2个样品来测试试验装置的重复性。在室温、冲压速度为0.2 mm/min条件下进行测试，同时记录载荷-横梁位移曲线和载荷-光栅尺曲线，测试结果如图2所示。可看到，无论是采用直接方法测得的载荷-光栅尺曲线或是用间接方法测得的载荷-横梁位移曲线，2条曲线基本重合，表明试验装置具有可靠的重复性。同时可看到，利用直接方法与间接方法，在试验结束时，横梁与光栅尺测得的位移差为0.29 mm，而球与位移杆之间的样品厚度仅为0.16 mm，由此可看出在整个试验过程中由冲杆与试验机等相连部分受力后产生形变引入的误差为0.13 mm，占光栅尺测量得到的位移的14%，由此看出采用横梁位移进行试验会引入较大的试验误差。

图2 两样品的SP载荷-位移曲线Fig.2 SP test load-displacement curves for two samples

本套试验装置操作简便，例如室温样品更换的时间仅为90 s，高低温时样品更换的时间约为150 s，大幅减少试验人员的受照剂量。温度传感器测温点距样品仅4 mm左右，有效提高了控温精度，控温范围为(-140±1)～(200±1) ℃。

2 试验材料和步骤

本文选取的试验材料是在中国原子能科学研究院轻水反应堆辐照的国产压力容器A508-3钢材料冲击试样断头，快中子注量为10×1019cm-2(E≥1 MeV)。样品为φ3 mm×0.3 mm的小圆片。

试验时，首先将带有放射性的冲击断头利用机械手在热室中使用热熔剂粘于样品台上，再将样品台固定于专门设计的金刚石线切割机底座上，使用线切割机对冲击断头进行切割，获得尺寸为27.5 mm×10 mm×0.4 mm的片状样品。

将获得的片状样品使用自动磨样机将样品厚度(t0)从0.4 mm磨制为0.3 mm，随后利用孔径为φ3 mm的冲孔机将样品冲压成φ3 mm×0.3 mm的小圆片试样。

试验样品准备完毕后，测量样品厚度，随后装入试验装置中进行控温。本文试验温度为：室温、-20 ℃、-50～-100 ℃(间隔10 ℃)和-140 ℃，冲压速度为0.2 mm/min，试验过程中试验机自动记录载荷-位移(由光栅尺测量)曲线，试验完成后计算屈服、抗拉特征值和断裂能，并与标准未辐照试验进行拟合，获得SP屈服、抗拉特征值与标准拉伸试验屈服、抗拉强度，SP韧脆转变温度与夏比冲击韧脆转变温度之间的关系式。

3 试验结果分析与讨论

图3 不同温度下样品的载荷-位移曲线Fig.3 Load-displacement curve of sample at different temperatures

在不同试验温度下，由SP试验获得的累计快中子注量为10×1019cm-2(E≥1 MeV)的国产A508-3钢样品的载荷-位移曲线如图3所示。从图3可看出，随着试验温度的降低，在相同位移处，试验所需载荷逐渐增大。

3.1 SP特征值与标准拉伸试验强度关系建立

图4 SP屈服、抗拉特征值与温度的关系Fig.4 Relationship between SP yield and tensile characteristic values with temperature

图5 标准拉伸屈服与抗拉强度随温度的关系Fig.5 Standard tensile yield and tensile strength as a function of temperature

图6 SP特征值与标准强度之间的关系Fig.6 Relationship between characteristic value of small punch and standard strength

半经验公式[8-9]进行线性拟合：

(1)

(2)

式中，α、β为拟合参数。

(3)

(4)

3.2 SP韧脆转变温度与标准夏比冲击韧脆转变温度关系建立

对于Tsp(SP韧脆转变温度)与TCVN(冲击韧脆转变温度)的关系，国际上进行了大量的研究，其中一种分子动力模型理论研究结果认为Tsp与TCVN存在线性关系[10-11]，关系式可表示为：

TCVN=δTSP+γ

(5)

式中，δ和γ为常数。对于δ的数值，Kameda等[11]进行了拟合研究，得出其经验值为2.5，该值在之后的研究中得到了广泛的认可和引用，因此，SP的通用转换经验公式可表示为：

TCVN=2.5TSP+γ

(6)

前期工作中测得的国产A508-3钢材料的标准夏比冲击转变温度TCVN为-52 ℃[12]。图7为SP断裂能-温度曲线，得到SP韧脆转变温度为-94 ℃。

图7 SP断裂能-温度曲线Fig.7 SP fracture energy-temperature curve

根据标准夏比冲击韧脆转变温度和SP韧脆转变温度计算得到：

TCVN=2.5TSP+183

(7)

4 结论

本文通过对小冲杆测试技术的研究及装置的改进设计加工，使用注量为10×1019cm-2(E≥1 MeV)的快中子辐照国产A508-3钢材料开展了小冲杆试验，并得出以下结论。

1) 本文设计的采用光栅尺直接测量样品变形的小冲杆测试装置的精度较传统装置有明显提高。

3) 夏比冲击韧脆转变温度与小冲杆转变温度之间的关系式为TCVN=2.5TSP+183。