综述：压水堆一回路水中690合金应力腐蚀裂纹萌生的近期研究进展

《Review of Materials Research》：Recent research progress in Stress Corrosion Crack Initiation of Alloy 690 in Pressurized Water Reactor Primary Water

本综述系统梳理了690合金在压水堆（PWR）一回路高温水环境中应力腐蚀开裂（SCC）萌生的研究进展，重点阐述了其独特的晶界钝化机制、动态应变下表面氧化膜破裂过程，以及碳化物和塑性变形对SCC抗性的双重影响，为核电站关键结构材料的长寿命可靠性评估提供了重要理论依据。

　　

2. 690合金的SCC萌生机理

690合金（含60 wt.% Ni、30 wt.% Cr和10 wt.% Fe）作为压水堆蒸汽发生器传热管和压力容器顶盖穿透喷嘴的关键结构材料，因其优异的抗应力腐蚀开裂（SCC）性能逐步替代了易发生SCC的600合金。其在高温水环境中的SCC萌生过程可分为三个阶段：首先，铬通过晶界快速扩散形成富Cr₂O₃的保护性氧化膜（晶界钝化），抑制氧向内渗透；其次，动态应变（如恒定延伸速率拉伸试验CERT）导致表面氧化膜破裂；最后，氧沿晶界向内扩散发生穿透性晶界氧化，最终引发裂纹形核。这一过程通过扫描透射电子显微镜（STEM）和数字图像相关（DIC）技术得以证实，局部法向应变被确定为氧化膜破裂的主要驱动力。

3. 晶界氧化的控制因素

晶界钝化倾向与晶界结构密切相关。随机大角晶界（RHAB）因铬扩散能力强易形成保护膜，而低能晶界如共格孪晶界（CTB）则易发生穿透氧化。研究表明，晶界原子堆积密度（GBAPD）和错配角共同影响铬扩散效率：错配角高于28.7°且GBAPD较低时，晶界才可实现稳定钝化。这表明足够的铬源供应是实现晶界钝化的关键。

4. 扩散诱导晶界迁移

高温腐蚀环境中，铬等活性元素的优先扩散会引发扩散诱导晶界迁移（DIGM），形成镍富集的迁移区。DIGM区面积反映了元素沿晶界的扩散速率，且与SCC抗性正相关。环境参数（如温度、气体成分）和晶间析出物（如碳化物）会抑制铬扩散，从而降低DIGM程度。对于600合金，氧化沿迁移晶界进行；而690合金的铬贫化DIGM区在表面氧化膜破裂后优先发生氧化。

5. 690合金表面氧化膜的破裂机制

动态应变下表面氧化膜的破裂是690合金SCC萌生的独特步骤。通过准原位技术结合DIC分析发现，位错滑移与晶界的相互作用模式决定局部应变分布：允许位错传输的晶界应变均匀且更易发生SCC，而阻挡位错滑移的晶界应变分布中断且抗裂性更强。统计数据显示，热处理态（TT）样品中阻挡位错滑移的晶界比例高于固溶退火态（SA），进一步证实局部法向应变的主导作用。

6. 第二相析出对SCC萌生的影响

晶间碳化物可显著提升690合金的SCC抗性。其作用机制包括：1）暴露于表面的碳化物在高温水中分解释放铬，促进保护性氧化膜形成；2）阻碍位错跨晶界运动，降低局部表观应变。研究表明，碳化物覆盖率越高，SCC萌生抗性越强。然而，TiN夹杂物（尤其含Al₂O₃/MgO核者）会引发局部腐蚀和应力集中，成为SCC萌生的敏感点。

7. 塑性变形对SCC敏感性的影响

冷加工（如冷轧）会逆转碳化物的有益效应。高冷加工度（≥20%）和高拉应力（近屈服强度）条件下，碳化物/基体界面处空穴积累，导致蠕变诱导开裂。焊接残余应力和热影响区（HAZ）的局部应变升高进一步加剧SCC风险。研究显示，单轴拉伸减少Σ3孪晶界比例，而双向拉伸可部分恢复低能晶界，表明二维冷加工更易形成低能晶界结构。

8. 水化学对SCC萌生的影响

溶解氢（DH）含量对600合金等材料的SCC抗性有显著影响（在NiO/Ni相变附近敏感性最高），但690合金因高铬含量使其SCC行为对DH变化不敏感。锌注入可有效减缓690合金的全面腐蚀，并有望抑制SCC萌生，但其具体机制需进一步研究。

9. 温度对SCC敏感性的影响

SCC是热激活过程。研究表明，690合金在亚临界/超临界水中的SCC萌生活化能恒定（92±12 kJ/mol），且裂纹尖端微观结构相似，表明机理未随温度改变。但在超临界水中，蠕变裂纹扩展速率占主导（活化能222–228 kJ/mol），说明高温下蠕变逐步成为控制过程。

10. 未来工作

需深入探究晶界氧化与裂纹萌生的定量关联，以及氧化膜结构对抗裂性的影响。厘清铬含量与晶界钝化的关系，有助于设计抗SCC新型合金。此外，需基于实际工况（低应变/应力水平）建立690合金长期性能预测模型，确保其在核电站全寿命周期内的可靠性。

11. 结论

690合金的高SCC抗性源于其晶界钝化能力。动态应变通过破坏表面氧化膜引发穿透氧化和裂纹萌生。碳化物通过提供铬源和降低局部应变增强抗性，但塑性变形可能逆转该效应。严重冷加工和高应力下可能发生蠕变开裂，实际应用需结合工况审慎评估。