反应堆压力容器钢早期服役期溶质原子迁移及含碳Mn-Si富集相演化机制研究

本研究针对核电站反应堆压力容器(RPV)钢早期服役阶段溶质原子迁移行为不明确的科学难题，通过内耗(IF)、透射电镜(TEM)和小角散射(SAS)技术，揭示了碳原子与Mn/Ni/Si形成C-Me对并沿晶界(GBs)共沉淀为含碳Mn-Si富集相(C-MSPs)的动态过程，测得溶质聚集与沉淀活化能分别为0.87 eV和1.30 eV，构建了时间-温度-转变(TTT)曲线，为RPV钢寿命预测提供理论依据。

　　

核能作为绿色能源的重要组成部分，其安全性直接取决于反应堆压力容器(RPV)的服役性能。RPV钢在长期高温、高压及中子辐照下，会因Mn-Ni-Si(MNS)沉淀相的形成导致脆化，但早期服役阶段溶质原子的迁移机制仍是未解之谜。传统表征技术难以捕捉纳米级动态过程，使得材料性能预测存在偏差。中国科学院苏州热工研究院等团队在《Journal of Materials Science》发表的研究，通过多尺度表征技术揭示了这一关键过程的原子尺度机制。

研究采用内耗(IF)技术动态监测原子相互作用，结合透射电镜(TEM)和小角散射(SAS)进行结构验证。以Fe-1.0Mn-0.4Ni-0.2Si(wt%) RPV钢为研究对象，在300-650°C进行≤100 h的短时时效处理，系统分析溶质原子迁移与C-MSPs沉淀的关联性。

典型温度依赖性内耗谱特征
IF曲线显示三个特征峰：P₁(54°C)对应C-Mn对Snoek弛豫，P₂(75°C)反映C-Ni/Si相互作用，P₃(450-750°C)为晶界弛豫。时效初期(≤5 h)，P₁持续降低而P₂先增后减，表明碳原子先与Mn/Ni/Si形成C-Me对，随后共沉淀为C-MSPs。

溶质原子聚集动力学
通过Arrhenius方程计算得溶质聚集活化能0.87 eV，沉淀活化能1.30 eV，证实C-MSPs生长受晶界扩散主导。TEM观察到沿晶界分布的纳米级C-MSPs，SAXS定量显示其体积分数随时效延长而增加。

强化机制解析
力学测试表明C-MSPs通过沉淀强化(σ_p)和固溶强化(σ_ss)提升材料强度，构建的TTT曲线显示在500°C时效时C-MSPs形核孕育期约1 h。

该研究首次阐明RPV钢早期服役阶段溶质原子动态行为，为材料成分设计提供理论指导。发现的C原子主导沉淀机制修正了传统认知，建立的TTT模型为寿命预测奠定基础。Xueqing Liu等通过原子尺度动态表征与宏观性能关联，推动了核电站延寿评估技术的发展。