韧性评价现状
为了研 究 长 期 服 役 下 RPV 钢 的 力 学 性 能 变化,早期的核材 料 工 作 者 在 RPV 内 放 置 了 与 RPV
相同材料 的 监 督 试 样,这 些 监 督 试 样 与 RPV 一 起
承受热和辐照的作 用;通 过 定 期 抽 取 监 督 试 样 进 行
拉伸试验、夏 比 冲 击 试 验 等 监 测 RPV 材 料 的 力 学
性能,尤其是韧脆转变温度的变化。但是由于 RPV
容积有限,而常规监督试样体积大,可放置的试样不
多,随时间推移,特别是随着反应堆延寿评价要求的
增多,监督试 样 逐 渐 短 缺。20 世 纪 80 年 代 开 发 出
了各种改进测试技术和小试样测试技术。林赟等[4]
开发了基于主曲线分析方法的小试样断裂韧性测试
技术,研究了国产508-3钢的辐照韧性,发现中子注
量至10
20 cm-2 后,该钢 表 现 出 较 明 显 的 脆 化 行 为。
孙凯等[5]分别采用夏比冲击试验和断裂力学方法研
究了 RPV 钢 的 韧 脆 转 变 温 度,发 现 运 用 断 裂 力 学
方法可以 进 一 步 挖 掘 RPV 的 安 全 裕 量,提 高 核 电
厂的经济性。XING 等[6]研究了不同热老 化 温 度 下
RPV 钢冲击性能的演化,发现热老化会引发材料韧
性下降,脆性 增 大。钟 巍 华 等[7]总 结 了 国 内 外 辐 照
小试样力学性能的研究进展,对国内外小尺寸拉伸、
冲击、断裂韧性、疲 劳、蠕 变 等 测 试 表 征 技 术 的 研 究
现状进行了综合论 述,分 析 了 小 尺 寸 试 样 测 试 中 的
关键影响因素以及 数 据 归 一 化 方 法,并 简 要 提 及 了
小冲杆测试技术。小 冲 杆 测 试 技 术 来 源 于 RPV 材
料的力学性能表征 需 求,经 过 多 年 的 发 展 该 技 术 已
经日臻成熟,并 有 望 很 快 进 入 实 用 阶 段。ANDRES
等[8]将小冲杆测试技 术 应 用 于 RPV 钢 的 断 裂 韧 性
测试,并与主曲线法测试结果进行了对比,验证了小
冲杆测试 技 术 在 评 价 RPV 钢 韧 性 方 面 的 适 用 性,
认为该方法是表 征 RPV 钢 性 能 的 简 单、方 便、低 成
本且有发展前途的方法。SHARMA 等[9]采 用 小 冲
杆测试方法得到的 2 类 RPV 钢 的 韧 脆 转 变 温 度 与
采用常规夏比冲击试验得到的韧脆转变温度之间呈
线性关系。王 成 龙 等[10]利 用 小 冲 杆 测 试 技 术 研 究
了508-3钢经中 子 辐 照 后 韧 脆 转 变 温 度 的 变 化,得
到标准屈 服 强 度 与 小 冲 杆 屈 服 特 征 值 之 间 的 关 系
式,以及夏比冲击韧脆转变温度与小冲杆韧脆转变温
度之间的关系式。GUAN 等[11]研究发现,通 过 带 缺
口试样的小冲杆试验得到的韧脆转变温度与采用夏
比冲击试验得到的结果相吻合。
为了解决辐照 监 督 试 样 的 短 缺 问 题,提 高 其 利
用效率,欧美核材料 工 作 者 从 监 督 试 样 的 再 利 用 途
径进行了探索。例如:美国的补充 辐 照 监 督 计 划[12]
和比利时的 增 强 辐 照 监 督 计 划[13]都 采 用 了 监 督 试样重组技术[14],即在测试完成的夏比试 样 断 口 处 切
除一部分长度后,通 过 电 子 束 焊 接 技 术 在 试 样 两 端
附加上夹持长度,形成新的夏比试样,再重新放入反
应堆中进 行 辐 照 试 验;西 班 牙 的 核 电 厂 还 在 RPV
和生物屏蔽之间放置了堆外中子注 量 测 量 装 置[15],
用于长期监测反应堆运行过程中以及因燃料管理改
变而导致的 RPV 中子注量的变化,每个反应堆安装
了6套中 子 注 量 测 量 金 属 箔,包 括 铜、钛、铁 等 金 属
箔,每1~3个燃料循环后进行一次检查。
RPV 监督试样的短缺是影响 RPV 延寿评估的
主要问题,也 是 推 动 RPV 韧 性 评 价 方 法 创 新 的 重
要原因。目前应用 的 一 些 方 法 也 存 在 不 少 问 题,例
如:主曲线方法和小 冲 杆 测 试 方 法 虽 然 用 的 都 是 小
试样,但需要进行 复 杂、繁 琐 的 制 样 工 作;试 样 重 组
技术需要 对 辐 照 后 的 试 样 进 行 高 精 度 的 电 子 束 焊
接。因此,如何将监督试样的力学性能检测简化,甚
至开发出近似无损 或 无 损 的 力 学 性 能 表 征 技 术,如
磁测量、超声测量 等,仍 然 是 当 前 RPV 材 料 力 学 性
能表征的课题。
KATHRYN 等[16] 研 究 发 现,非 线 性 超 声 对
RPV 钢的组织结构,例如位错、析出相等非常敏感,
RPV 钢夏比冲击 试 样 的 非 线 性 超 声 测 量 结 果 说 明
材料的辐照损伤可以用非线性超声来表征。目前国
内还未见利用非线 性 超 声 检 测 RPV 钢 力 学 性 能 的
研究报道,但范德良等[17]用非线性超声 技 术 研 究 了
HR3C 不锈钢在时 效 过 程 中 的 组 织 演 变,发 现 非 线
性超声系数随着时效时间的延长和温度的升高而增
大,其增大趋势与析 出 相 的 面 积 分 数 呈 现 一 定 的 相
关性,说明非线性超声系数对析出相的变化较敏感。
王荣耀等[18]研究了巴克豪森效应与 RPV 钢辐照脆
化的关系,所 研 制 的 系 统 在 RPV 钢 辐 照 脆 化 检 测
应用中有 较 高 的 灵 敏 度,但 未 给 出 RPV 钢 脆 性 的
定量测 定 结 果。LI等[19]利 用 超 声 波 测 试 了 RPV
钢经辐照 后 弹 性 模 量 的 变 化,但 未 进 行 RPV 钢 韧
脆转变的超声研究。超声波和磁测量方法都属于间
接测试方 法,测 试 参 数 与 RPV 钢 韧 性 和 韧 脆 转 变
的关系,尤其是在强 辐 照 下 的 关 系 还 有 待 进 一 步 分
析研究。
2 韧脆转变机理
LUO 等[20]对 RPV 钢 动 态 应 变 时 效 后 的 组 织
和力学性能变化进 行 了 研 究,观 察 了 由 应 变 导 致 的
碳化物析 出 相 形 貌。 李 承 亮 等[21]综 合 介 绍 了 国 内外 RPV 钢质 子 辐 照 试 验 的 研 究 进 展,分 析 了 质 子
辐照与中 子 辐 照 的 各 自 特 点,讨 论 了 RPV 钢 质 子
辐照损伤机理,评述 了 质 子 辐 照 对 材 料 组 织 演 变 与
力学性能的影响,但 最 近 5a的 相 关 研 究 介 绍 得 较
少。贺新福等[22]利用 分 子 动 力 学 方 法 研 究 了 RPV
钢中几种主要合金/杂质元素的空位型扩散机理,发
现辐 照 或 热 老 化 导 致 的 元 素 偏 析 和 沉 淀 析 出 是
RPV 钢力学性能退化的主要影响因素。在 RPV 钢
中铁的晶体结构是体心立方,溶质铜的溶解度很低;
富铜团簇的辐照析 出 会 阻 碍 位 错 滑 移,进 而 造 成 材
料的硬化 和 脆 化[23]。 镍 和 锰 有 促 进 富 铜 团 簇 形 成
的倾向[24]。WATANABE 等[25]利用 离 子 辐 照 研 究
了 RPV 钢的 辐 照 硬 化 倾 向,指 出 辐 照 导 致 的 间 隙
原子迁移与位错环 的 组 合 是 辐 照 硬 化 的 主 要 原 因,
铜 含 量 的 影 响 并 不 明 确。LINDGREN 等[26] 将
RPV 钢的辐照脆化原因分成3 种:第一种是辐照导
致的空位、间隙原子等基体组织缺陷;第二种是磷等
杂质元素在晶界的 偏 析;第 三 种 是 辐 照 导 致 富 铜 团
簇和富镍、锰、硅团簇的析出。ALMIRALL 等[27]研
究发现,在 高 辐 照 注 量 下,即 使 在 无 铜 的 条 件 下,
RPV 钢 也 有 富 镍、锰、硅 团 簇 的 析 出,继 而 导 致
RPV 钢发生严重脆化,如果富镍、锰、硅团簇半径小
于临界尺寸,则可通过辐照后的高温回火将其溶解;
研究[28]表明,该 临 界 尺 寸 受 到 回 火 时 间 的 影 响,大
约为2nm。
ODETTE 等[29]研究发现,在高辐照注量下,富
镍、锰、硅团簇会加速析出,形成所谓的“后爆发相”。
该观点引起学者广泛的关注,并引起了较大的争论,
也成为核材料研究的热点。ALMIRALL 等[27]认为
在高辐照 注 量 下,RPV 钢 中 沉 淀 相 的 析 出 是 连 续
的,而非加速爆发式。MAMIVAND 等[30]采用改进
的团簇动态模型,研 究 了 辐 照 注 量、注 量 率、温 度 以
及合金成分对析出相的影响,发现:微量的铜会降低
富镍、锰、硅团簇的 析 出 门 槛;随 着 辐 照 注 量 率 的 增
加,析出相 的 数 量 密 度 增 加,而 体 积 和 体 积 分 数 降
低;随着温度的降低,析出相的数量密度和体积分数
增加;大多数富铜 析 出 相 在 辐 照 早 期 出 现,而 富 镍、
锰、硅 的 析 出 随 着 辐 照 注 量 的 增 加 而 持 续 增 多。
SPROUSTER 等[31]研 究 发 现,析 出 相 尤 其 是 高 辐
照注量下富镍、锰、硅团簇的析出会影响反应堆的延
寿评估,但是由于析出相细小,用透射电镜不易观察
到,可用同步辐射衍射和 X 射 线 散 射 技 术 来 表 征 纳
米尺度富镍、锰、硅团簇的析出。ODETTE 等[32]总 结 了 近 60a来 RPV 钢 韧 脆
转变的研究进展,着 重 介 绍 了 辐 照 导 致 的 材 料 韧 脆
转变温度变化和反 应 堆 延 寿 方 面 的 最 新 研 究 结 果,
总结得到:RPV 钢的韧脆转变温度在不同辐照注量
下有不同的演变机理,与富镍、锰、硅团簇相比,富铜
团簇更易在低辐照 下 出 现 并 形 成 饱 和,富 镍、锰、硅
团簇在高辐照下如 何 演 化 是 准 确 预 测 RPV 钢 韧 脆
转变温度变化的关 键;由 于 未 考 虑 富 镍、锰、硅 团 簇
析出导致的脆化,高 辐 照 强 度 下 这 些 预 测 模 型 一 般
会低估韧脆转变温 度 变 化 值,因 此 当 前 采 用 的 韧 脆
转变温度变化预测 模 型 只 适 用 于 低 辐 照 强 度 条 件;
高辐照注量下,辐照 注 量 与 韧 脆 转 变 温 度 呈 线 性 关
系,而低辐照注量下的则呈平方根关系。
3 结束语
目前国内 RPV 钢的 老 化 评 价 主 要 还 是 依 靠 监
督试样的拉伸和冲击韧性测试结果,工艺过程复杂,
同时因监督试样受到辐照的程度不同导致试验结果
不可避免地存在偏 差,同 时 也 无 法 进 行 力 学 性 能 的
连续监测。目前,欧 美 学 者 正 在 大 力 开 展 小 试 样 力
学性能测 试 技 术 以 解 决 监 督 试 样 短 缺 等 问 题。 因
此,我国科 研 工 作 者 需 要 加 强 RPV 钢 小 试 样 力 学
性能测试技术研 究。 在 小 冲 杆 测 试 技 术 领 域,我 国
已推 出 了 国 家 标 准,亟 待 在 核 能 行 业 推 广 应 用;
RPV 材料的无损检测是未来发展的主流,还需要国
内外科技工作者进行更多的研究。
RPV 钢辐照 后 力 学 性 能 的 变 化 是 其 微 观 结 构
发生改变的表现,因 此 应 对 力 学 性 能 的 变 化 机 理 有
充分的认识,才能制 定 切 实 有 效 的 方 法 进 行 辐 照 后
性能的表征。欧美核 材 料 研 究 学 者 在 RPV 钢 辐 照
脆化机理和辐照仿 真 模 型 方 面 的 研 究 进 展 较 快,尤
其是辐照 中 子 注 量 在 10
23 ~10
24 m-2 下 RPV 钢 的
韧脆转变机理的研 究 较 多,该 辐 照 注 量 是 延 寿 期 内
RPV 钢的主要辐照 强 度 区 间[32]。 但 是 我 国 核 材 料
研究人 员 在 这 一 领 域 的 工 作 比 较 缺 乏,尤 其 是 在
RPV 钢辐照脆化 试 验 和 数 值 模 拟 方 面 与 国 外 有 一
定差距,因 此 应 加 强 国 产 RPV 钢 在 这 些 领 域 的 研
究,全面了 解 国 产 RPV 材 料 寿 期 内 性 能 与 组 织 的
变化规律,为我国反应堆延寿评价做好技术储备