反应堆压力容器钢晶粒取向对辐照硬化的影响

李沛尧，吕沙沙，王海涛a，陈良，李正操b

（1.清华大学 a.核能与新能源研究院，b.材料学院先进材料教育部重点实验室，北京 100084；2.北京师范大学 核科学与技术学院射线束技术教育部重点实验室，北京 100875；3.上海交大-巴黎高科卓越工程师学院，上海 200240）

反应堆压力容器（reactor pressure vessel，RPV）是反应堆的重要构件。它是将反应堆重要的堆芯部件与外部环境隔开的一道安全屏障。由于反应堆压力容器在服役期内不可更换，其完整性决定了核电站的寿命。但由于RPV长期处于高温高压环境，并持续受到高通量的中子辐照，反应堆压力容器会发生辐照硬化脆化反应，韧脆转变温度升高，进而影响安全稳定运行和使用寿命。因此，对反应堆压力容器辐照硬化脆化的机理及影响因素的研究一直都是人们关注的焦点。

国内外研究发现，反应堆压力容器钢在辐照后产生的缺陷主要有三种类型：1）溶质原子沉淀，主要以富Cu沉淀和富Mn-Ni-Si沉淀这两种形式存在。新型的反应堆压力容器用钢中，Cu的含量已经减少很多，因而富Mn-Ni-Si沉淀对辐照硬化脆化的影响不容忽视。目前对于富Mn-Ni-Si沉淀的辐照硬化脆化机制仍存在争议，部分认为富Mn-Ni-Si沉淀是热力学稳定相，也有部分认为富Mn-Ni-Si沉淀是受到溶质偏析影响而形成。2）基体损伤。基体损伤主要是由中子辐照级联碰撞引发的空位型缺陷和间隙原子型缺陷造成。3）晶界偏析。主要是指磷在晶界处的偏析，导致晶界结合能降低，进而使反应堆压力容器钢发生辐照硬化脆化。在影响因素方面，辐照温度、辐照注量、注量率、微观组织、屈服强度等与反应堆压力容器钢辐照硬度的变化关系都有被研究。有研究发现，锆合金的硬化效果与晶体取向有明显关系；也有针对无间隙原子钢的晶粒取向与纳米力学性能的关系的研究，发现其杨氏模量和晶体取向有相关性；目前仍没有反应堆压力容器钢表面晶粒取向对辐照硬化影响的研究。本研究中，将通过纳米压痕测试和电子背散射衍射（EBSD）表征离子辐照前后国产反应堆压力容器钢A508-3，以探究其辐照硬度与取向的关系。

1 实验

选取国产A508-3作为实验材料。其主要成分按照质量分数为：C 0.18，Mn 1.41，Ni 0.66，Mo 0.50，Si 0.22，Cr 0.17，Cu 0.041，P 0.008，其余部分为Fe。根据电子背散射衍射与辐照实验的尺寸要求，利用线切割机把原始RPV钢料切割成20 mm×10 mm×1 mm的薄片状样品。使用UNIPOL-802自动精密研磨抛光机对线切割后的样品进行机械抛光。抛光时选用400—3000号砂纸。为避免机械抛光造成的应力层对后续硬度测试的影响，并且保证样品表面平整度达到后续表征测试的要求，样品在机械抛光后还需要进行电解抛光。本研究选择使用体积分数为20%的高氯酸和80%的酒精溶液作为电解液，在直流电源电压为15 V、电流为1.5 A的条件下，对样品进行时间约为40 s的电解抛光。

本次研究的Fe离子辐照实验在北京师范大学的HVE 400kV离子注入机上完成，选用160 keV的Fe离子作为入射离子。选取8个20 mm×10 mm×1 mm的A508-3钢片作为样品进行辐照实验。辐照剂量分别为0.2 dpa（1.2×10cm）、0.5 dpa（3.0×10cm）、1.0 dpa（6.0×10cm）和10 dpa（6×10cm），温度为常温。另外选取两个未辐照（即0 dpa）样品，作为辐照硬化的对照组。

辐照后，使用尖端为金刚石玻氏压头的Keysight technologie G200纳米硬度测试仪测量辐照硬化。为分析不同辐照剂量的样品硬度随深度的变化趋势，各选取一个未辐照和不同辐照剂量的样品进行纳米压痕测试。为探究各个辐照剂量的样品硬度与表面晶粒取向的关系，对所有样品施加2 mN的力（压入深度约在150~200 nm范围内），保载5 s，每个样品压痕点数为20。为方便后续电子背散射衍射寻找目标区域，先对样品目标区域进行划痕标记。纳米压痕测试时，在划痕标记附近按照5×4的排布方式选取20个测试点。进行纳米压痕时，要选择表面平整的部分进行压痕，且避开划痕处，以防划痕影响硬度测量结果。测试点之间的距离要适中，尽量避免多个测试点在同一晶粒的情况。

最后，对所有未辐照和辐照后样品标定区域的纳米压痕点所在晶粒进行晶粒取向标定，使用电子背散射衍射(Electron Back-Scatter Diffraction，简称EBSD)进行测试。用专业软件对图像质量图（IQ图）和反极图（IPF图）进行处理，记录每个压痕处的晶体学信息，并通过软件分析得到每个压痕的三个欧拉角。为使晶界的影响最小化，数据点需要距离晶界至少两个压痕长度。

2 结果及分析

用SRIM软件模拟计算了160 keV的Fe离子入射Fe基体的能量沉积过程。SRIM模拟结果表明，离子的入射深度基本都在150 nm以下，当深度在30 nm左右时，基体材料的辐照损伤达到最大值。

室温辐照前后的RPV钢的纳米压痕硬度随深度变化曲线如图1所示。各样品的硬度最大值在深度25~50 nm左右，与SRIM模拟结果吻合很好。所有样品的硬度-深度曲线均呈现先增加后减小的趋势。随着压入深度的增加，硬度下降趋势十分明显。未辐照样品和辐照剂量为0.2 dpa的样品的硬度最大值所对应的深度与其余样品不同。这可能是因为这两个样品测量时受表面效应以及仪器误差影响较大。此外，通过图1可知，样品深度为150~200 nm时，硬度远高于未辐照部分，这证实辐照引起了硬化现象。

图1 RPV钢辐照前后纳米压痕硬度随深度变化曲线Fig.1 Nano-indentation hardness of the RPV steel changes with depth before and after Fe-ion irradiation

考虑到纳米压痕测试在硬度较浅（<100 nm）时用力较小，易受周围干扰，导致实验数据不准确。基于图1数据，对所有样品施加2 mN的力（样品压入深度约在150~200 nm范围内）所得到的纳米压痕硬度的数据是具有一定的可信度的。将上述纳米压痕硬度测试结果，按照各个辐照剂量的不同分类取纳米压痕硬度的平均值，如图2所示。所有辐照后样品均发生了辐照硬化。但是硬化效果在辐照剂量小于1 dpa时不明显。辐照剂量为10 dpa时，硬度极大地增加，辐照硬化效果十分明显。

图2 RPV钢辐照前后硬度随辐照损伤的变化Fig.2 Hardness of the RPV steel changes with irradiation damage before and after Fe-ion irradiation

利用EBSD对晶粒及表面信息进行观测，各样品EBSD结果如图3所示。发现RPV钢A508-3晶粒尺寸小、密度高，本身有一些位错和第二相晶界，可以吸收辐照产生的间隙原子和空穴。辐照并没有导致缺陷和应力的明显增加，硬度几乎不变。当辐照剂量超过了某一临界值时，钢本身吸收的缺陷已经饱和，继续离子辐照便会产生大量缺陷，演化成位错环，硬度发生突跃。除此之外，在高辐照剂量下会形成新的原子团簇，导致缺陷类型增多。

图3 EBSD扫描结果Fig.3 Electron backscatter diffraction analysis

将纳米压痕测试得到的硬度数据和电子背散射衍射中得到的取向数据一一对应起来。将IQ图和EBSD测试所得取向图重叠，标定纳米压痕测试点的取向。如果压痕点离晶界过近，距离小于两个压痕的长度时，压痕的数据受到周围晶界的影响，不能反映晶粒本身的硬度。因此，不使用此压痕的数据，将统计出的硬度-取向数据表示在反极图（IPF）中，并以色阶区分硬度，如图4所示。接近[001]方向处的点的硬度比远离[001]方向的点的硬度大。对比辐照剂量不同但取向相同的点时，例如各图中左下角接近[001]的点，发现在晶粒为同一取向时，硬度会随着辐照剂量的增大而变大。

图4 基于反极图（IPF）的纳米硬度有色分布Fig.4 Inverse pole figure (IPF) based color-coded nanohardness distribution map

为了方便观察，绘制硬度随距[001]方向旋转角的变化散点图，如图5所示。随着晶粒取向距[001]方向的旋转角从0°至90°时，硬度在减小，且这种非线性的减小与辐照剂量无关。这明确证实了取向与辐照硬化有联系。

图5 样品硬度随距（001）的旋转角散点图Fig.5 Nanohardness plotted as a function of rotation angle from the (001) pole in all of the experimental specimens

纳米压痕所造成的150~200 nm深度的形变可分为弹性形变和塑性形变，因此，对形变和取向之间的关系分以下两部分进行讨论。

1）弹性形变的取向依赖性，主要原因为杨氏模量存在取向依赖性。以10 dpa样品为例（其合格样本点较多），晶粒取向接近[001]方向的弹性模量平均值约为278.5 GPa，距[001]取向约为45°的样本点的弹性模量平均值为249.3 GPa。除此之外，还有研究表明，在超低碳无间隙原子钢（IF钢）中杨氏模量存在取向依赖性。

2）塑性形变的取向依赖性与滑移系统有关。滑移系统容易激活，硬度变小。滑移系统的开动难易与Schmid因子有关。根据Schmid定律，越小，分切应力越小，滑移难以开动。如果在[001]方向的较小，远离[001]方向的在逐渐增大，那么目前的硬度变化是符合规律的。在制备过程中减少RPV钢中特定晶粒取向，如[001]附近取向，则RPV钢整体的辐照硬化程度将降低，抗辐照性能得到提升。

由于纳米压痕测试在硬度较浅（<100 nm）时用力较小，易受周围环境干扰，可能导致实验数据不够准确。在压痕深度处于100~150 nm范围内时，仍然会产生系统误差。下一步工作考虑使用更高能量的粒子进行辐照，辐照损伤层加厚，纳米压痕更深，便能减少产生系统误差的可能性。此外，可以增加纳米压痕测试点的数量，并对辐照前后，同一表面晶粒取向的硬度增量进行统计分析，对表面晶粒取向对辐照硬化的影响了解得更加深入。

3 结论

1）RPV用钢A508-3的硬度会随着辐照剂量的增大而变大，但是低辐照剂量时的硬化效果不明显；在高辐照剂量时，硬度出现极大地增加。

2）RPV钢A508-3的硬度与其晶粒取向有关，存在较强的取向依赖性。在不同辐照剂量下，距[001]旋转角从0°增大到90°时，硬度在逐渐减小。

3）调整RPV钢工艺和制备过程，通过控制特定晶粒取向，如减少[001]附近取向，则RPV钢整体的辐照硬化程度可能会降低，抗辐照性能得到提升。本研究可以为逆向设计RPV钢提供思路。