《Journal of Materials Research and Technology》：Decoupling the contribution of radiation-induced segregation and radiation-hardening to IASCC with cold-rolled high-Si containing tailored stainless steel
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为模拟不锈钢在3 dpa中子剂量下的晶界辐照致偏析（Radiation-Induced Segregation, RIS）与材料硬化效应，研究人员制备了冷轧模型合金，并在模拟除气压水反应堆（Pressurized Water Reactor, PWR）一回路水
为模拟不锈钢在3 dpa中子剂量下的晶界辐照致偏析（Radiation-Induced Segregation, RIS）与材料硬化效应，研究人员制备了冷轧模型合金，并在模拟除气压水反应堆（Pressurized Water Reactor, PWR）一回路水中研究了RIS与应变硬化的耦合作用对该类合金应力腐蚀开裂（Stress Corrosion Cracking, SCC）扩展行为的影响。结果表明，高硅且铬含量较低或较高的模型合金在模拟除气PWR一回路水中均表现出较低的SCC裂纹扩展速率（Crack Growth Rate, CGR）；冷轧增加了高硅模型合金的晶间SCC扩展速率；提高高硅模型合金中的Cr含量可降低其在高温水中的SCC扩展速率；模型合金在含氢PWR一回路水中的SCC扩展速率高于模拟除气PWR一回路水；冷轧与高硅含量对模型合金的SCC扩展动力学具有协同促进作用。
**一、研究背景与问题提出**
奥氏体不锈钢（Austenitic Stainless Steels, SSs）因其较高的强度、延展性、断裂韧性及良好的初始耐腐蚀性能，被广泛应用于轻水反应堆（Light-Water-Reactor, LWR）压力容器内部构件，如通量指套管和围板-成型螺栓等。然而，长期服役于快中子辐照条件下，这些合金的微观结构将发生改变（辐照硬化，Radiation Hardening）并伴随微观化学成分的变化（辐照致偏析，Radiation-Induced Segregation, RIS），导致其辐照辅助应力腐蚀开裂（Irradiation-Assisted Stress Corrosion Cracking, IASCC）抗力显著退化。IASCC的典型实例为1988年法国Bugey 2核电站首次发现的冷加工316型不锈钢围板-成型螺栓失效事件。理解堆芯构件合金中的辐照损伤机理，对于压水堆延寿及新一代核电系统具有关键意义。
RIS表现为晶界处Fe、Cr的贫化以及Si、S、P等元素的富集，可显著影响材料的裂纹萌生与IASCC敏感性。晶界氧化已被确认为IASCC裂纹萌生的促进因素，它弱化晶界并降低晶间开裂抗力。同时，辐照硬化一般表现为硬度与屈服强度等力学性能指标升高。现有研究主要采用三种途径探究IASCC机理：堆内试验、辐照后试验以及模拟中子辐照材料试验。其中，采用与辐照后材料晶界化学成分匹配的体相模型合金来模拟RIS效应，被认为是阐明IASCC机理的可行方法。
然而，RIS与辐照硬化对IASCC的各自贡献难以在真实辐照材料中分离。辐照后材料同时存在晶界化学成分变化与微观缺陷硬化，且辐照试验成本高、周期长、样品尺寸受限。因此，亟待发展一种能够解耦RIS与辐照硬化效应的实验方法，以系统研究二者对SCC的独立及耦合作用规律。此外，Si元素在晶界的富集对SCC扩展速率的影响机制，以及冷加工（模拟辐照硬化）与水化学环境的交互作用，亦需进一步澄清。
**二、研究开展与主要结论**
研究人员设计了三种冷轧体相模型合金，其体相化学成分接近3 dpa中子剂量辐照后不锈钢的晶界化学成分，分别模拟不同的RIS特征：13Cr-17Ni合金模拟Cr贫化与Ni偏析，13Cr-17Ni-3Si合金模拟Cr贫化伴Ni和Si偏析，17Cr-13Ni-3Si合金模拟Si偏析。通过单向多道次轧制使厚度减薄20%来模拟辐照硬化的力学与微观结构效应，获得兼具RIS与辐照硬化效应的20%应变硬化（Strain-Hardened, SH）模型合金。在320 °C模拟除气PWR一回路水（1200 ppm B + 2.2 ppm Li，溶解氧<5 ppb）中开展了SCC扩展速率测试，并对比了前期在含氢PWR一回路水（30 cm3 H?/kg H?O）中的结果。主要结论如下：对于高Si模型合金，Cr含量高时SCC扩展速率低，Cr含量低时SCC扩展速率高；冷轧增加了高Si模型合金的晶间SCC扩展速率；含氢水化学环境下的SCC扩展速率高于除气环境；高Si含量与冷轧对SCC扩展具有协同促进作用。这些发现为理解辐照不锈钢的IASCC机理提供了重要基础。
**三、关键技术方法**
本研究采用的主要技术方法包括：电子背散射衍射（Electron Backscatter Diffraction, EBSD）用于分析晶粒变形与取向差分布；0.5T紧凑拉伸（Compact Tension, C(T)）试样用于SCC扩展速率测试，试样经疲劳预制裂纹后置于高温高压水化学回路系统中，依次进行48 h预氧化、864周期三角波疲劳加载（0.01 Hz，R=0.7）及恒载荷裂纹扩展阶段（初始应力强度因子K
I≈30 MPa·m
0.5）；采用ImageJ软件测量裂纹扩展量；利用体视显微镜观察裂纹形貌，扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope, SEM）及能谱仪（Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy, EDS）分析断口形貌与元素分布。
**四、研究结果**
**3.1 断口形貌与裂纹扩展特征**
20%SH-17Cr-13Ni-3Si模型合金在600 h测试后，断口上仅观察到局部不连续的晶间SCC扩展区域，平均扩展量约4 μm，平均CGR约为1.85×10
-12 m/s，最大局部晶间SCC扩展约130 μm。该合金断口以穿晶SCC为主。
20%SH-13Cr-17Ni模型合金在642 h测试后，断口呈现几乎连续的晶间SCC扩展，平均扩展量约199 μm，平均CGR约为8.61×10
-11 m/s。断口观察显示除气环境下原位疲劳裂纹区的氧化物颗粒尺寸较小且致密；裂纹尖端区域出现分支裂纹，晶界附近变形程度高于晶内。
20%SH-13Cr-17Ni-3Si模型合金在234 h测试后因试样失稳而终止，断口呈现典型晶间SCC特征，氧化物覆盖裂纹面，平均扩展量约6910 μm，平均CGR约为8.20×10
-9 m/s，显著高于其他两种合金。
**3.2 裂纹尖端微观分析**
20%SH-17Cr-13Ni-3Si合金裂纹尖端区域的SEM-EDS分析表明，裂纹未在侧表面扩展，裂纹尖端区域存在大量Fe及少量Cr、Ni氧化物，并在裂纹中部观察到富Si颗粒。
**五、讨论**
**4.1 合金成分对晶界氧化与SCC扩展速率的影响**
三种20%SH模型合金的SCC抗力顺序为：20%SH-17Cr-13Ni-3Si > 20%SH-13Cr-17Ni > 20%SH-13Cr-17Ni-3Si。Cr在SCC行为中起重要作用：较高的基体Cr含量有利于形成更具保护性的表面氧化膜。Si的添加显著加速了晶间SCC扩展，原因在于Si的高反应活性与溶解度，以及低Cr含量有利于非保护性富Fe氧化物在晶界形成，从而增强氧化膜破裂-滑移溶解过程。Si在高温水中的氧化反应（Si + 2H?O = SiO? + 2H?，ΔG°
320°C = -417.04 kJ/mol）导致其氧化物因高溶解度而流失，无法提供有效保护；同时Si可导致晶界脆化并增加晶界氧化动力学。基于裂纹尖端应变率与瞬态氧化动力学的协同作用，裂纹扩展速率可表达为da/dt = k
a·(ε?
ct)
m，其中Si富集通过提高氧化速率常数k
a促进扩展。
**4.2 冷轧与水化学对SCC行为的影响**
冷轧通过提高屈服强度与硬度、增加裂纹尖端应变能密度和应变梯度、提高位错密度与晶界附近缺陷浓度等途径，加速SCC扩展。高Si、低Cr模型合金的氧化速率高于高Cr合金，冷轧与之耦合显著加速裂纹尖端氧化动力学。与含氢PWR一回路水对比研究表明，相同应变硬化程度下，含氢水中的平均CGR高于除气水，且该效应在13Cr合金中更为显著。溶解氢（Dissolved Hydrogen, DH）对高Si合金的影响与传统316L不锈钢不同：高DH抑制316L不锈钢氧化，但促进高Si合金氧化，导致氧化物膜稳定性变化是SCC扩展速率差异的主要原因。
**4.3 IASCC机理与评估意义**
将本研究与文献数据对比表明，低Cr高Si模型合金（20%SH-13Cr-17Ni-3Si）的CGR显著高于EPRI参考曲线，而其余两种合金低于该曲线。IASCC扩展速率随硬度增加而增加的趋势在辐照不锈钢与本研究冷轧模型合金中表现相似。这说明辐照致偏析与辐照硬化对IASCC扩展速率的影响遵循相似规律。需强调的是，冷轧仅在宏观上与辐照硬化相似（提高硬度与屈服强度），但无法完全复现中子辐照在微观层面引起的局部缺陷、过度应力与应变；本研究方法通过放大辐照对块体材料的局部效应，利用冷轧与辐照硬化在宏观力学性能方面的相似性，考察成分偏析解耦条件下的SCC行为，虽存在局限性，但有利于获得系统规律的实验结果。
**5. 研究结论**
研究人员利用定制模型合金解耦RIS与辐照硬化对PWR一回路水中IAS Barg assisted stress corrosion cracking的效应。测量了模型合金在模拟除气PWR一回路水中的SCC扩展速率，并与模拟含氢PWR一回路水中的CGR进行了比较。主要结论如下：（1）三种冷轧模型合金的断口均呈现典型晶间SCC特征。对于高Si模型合金，Cr含量高时SCC扩展速率低，Cr含量低时SCC扩展速率高。提高高Si模型合金中的Cr含量可降低其在高温水中的SCC扩展速率。（2）冷轧增加了高Si模型合金的晶间SCC扩展速率。模型合金在模拟含氢PWR一回路水中的SCC扩展速率高于模拟除气PWR一回路水。（3）高Si含量与冷轧的协同效应对奥氏体不锈钢在高温水中的IASCC裂纹扩展过程具有促进作用。辐照不锈钢的IASCC表现出辐照剂量与应变硬化程度的类似效应。
