輻照后A508-3鋼沖擊功異常試樣的顯微組織研究

吳　璐，唐洪奎，彭艷華，朱　偉，伍曉勇，溫　榜，

王　斐1,2，楊　帆1，吳擁軍1，孫　凱1

(1. 中國核動力研究設(shè)計院第一研究所，成都 610005; 2. 反應堆燃料及材料國家重點實驗室，成都 610041)

?

輻照后A508-3鋼沖擊功異常試樣的顯微組織研究

吳璐1,2，唐洪奎1，彭艷華1，朱偉1，伍曉勇1,2，溫榜1,2，

王斐1,2，楊帆1，吳擁軍1，孫凱1

(1. 中國核動力研究設(shè)計院第一研究所，成都 610005; 2. 反應堆燃料及材料國家重點實驗室，成都 610041)

摘要：采用帶屏蔽的光學顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)和能譜儀(EDS)等手段對中子輻照后國產(chǎn)A508-3鋼沖擊功異常試樣的沖擊斷口形貌、顯微組織、晶粒尺寸、孔洞和第二相夾雜物進行了觀察和分析，并探討了產(chǎn)生異常的可能原因。結(jié)果表明，在本次輻照實驗條件下(中子注量2.97×1019n/cm2，輻照溫度(290±15) ℃，國產(chǎn)A508-3鋼試樣輻照前后的顯微組織均為貝氏體組織，且晶粒尺寸未見明顯變化，不是導致沖擊功產(chǎn)生異常的主要原因，其直接原因可能是基體組織中體缺陷(孔洞)數(shù)量的差異；組織中的孔洞分為兩種類型，一種為填充了Al2O3、MnS、Al-Mg-O三元化合物等層片狀復合第二相粒子的孔洞，另一種為未填充任何第二相的空洞，且孔洞中第二相與基體結(jié)合較差，易導致材料韌性降低。

關(guān)鍵詞：壓力容器鋼；沖擊韌性；顯微組織；孔洞；第二相

0引言

作為核電站難以更換的重大部件，反應堆壓力容器(reactor pressure vessel, RPV)的安全工作年限對核電站實際服役壽命具有重要影響[1-4]。我國常用的反應堆壓力容器材料為A508-3鋼，屬于低Cu含量的低合金鐵素體鋼[3]；中子輻照后將引起輻照硬化(屈服強度升高)，導致材料脆化，同時伴有延展性的降低[5-7]。導致壓力容器輻照脆化的因素有很多，例如輻照溫度、中子注量、合金元素含量、快中子注量率等，國內(nèi)外對于這些因素已做過大量研究[7-11]，但在中子注量對RPV鋼輻照脆化的影響機制方面并沒有達成共識。目前的研究結(jié)果表明[1-2, 12-14]，引起RPV鋼輻照脆化可能的微觀機制主要包含3種：納米級富Cu原子團簇的析出、穩(wěn)定基體損傷和P在晶界處偏析。

目前，對壓力容器輻照脆化通常采用夏比V型缺口試樣的沖擊實驗結(jié)果來表征。本研究團隊在前期對輻照后國產(chǎn)A508-3鋼試樣沖擊實驗過程中發(fā)現(xiàn)，除了典型的輻照脆化現(xiàn)象以外，個別沖擊試樣的沖擊功與相同中子注量以及實驗溫度條件下其它試樣相比存在巨大差異(見表1)。為分析原因，改進國產(chǎn)壓力容器材料抗輻照損傷性能的穩(wěn)定性，很有必要針對沖擊功異常的試樣展開研究，而作者在國內(nèi)外已出版的文獻中尚未見過類似報道。

基于上述原因，本文通過光學顯微鏡觀察(OM)、掃描電子顯微鏡觀察(SEM)和能譜分析(EDS)等手段對沖擊斷口形貌、顯微組織類型、晶粒尺寸、孔洞和第二相夾雜物進行觀察和分析，研究國產(chǎn)A508-3鋼沖擊功異常試樣的顯微組織，初步探索高通量快中子輻照對顯微組織的影響，并分析產(chǎn)生異常的可能原因。

1實驗方法

實驗材料為國產(chǎn)A508-3鋼壓力容器材料，經(jīng)高通量工程實驗堆(high flux engineering test reactor，HFETR)輻照，實測中子注量為2.97×1019n/cm2，輻照溫度為(290±15) ℃。選擇夏比V型缺口沖擊實驗后，沖擊功偏高的2#試樣和沖擊功偏低的3#試樣作為研究對象，并選取沖擊功處于正常范圍內(nèi)的未輻照試樣(試樣編號1#)作為對比試樣進行對比分析。各試樣的沖擊實驗結(jié)果見表1。

采用帶屏蔽的KYKY-2800B型掃描電子顯微鏡對試樣的沖擊斷口形貌進行了初步觀察；試樣分別經(jīng)4%硝酸酒精溶液和飽和苦味酸水溶液腐蝕后，采用熱室內(nèi)Leica MEF4A金相顯微鏡進行光學顯微組織和晶粒度觀察；為分析沖擊功異常原因，對未經(jīng)腐蝕的試樣也進行了金相觀察，確定試樣組織中夾雜物和孔洞的分布；并在帶屏蔽的配有Octane pro型能譜儀的FEI Quanta 450 FEG場發(fā)射掃描電鏡上對第二相夾雜物和孔洞形貌特征進行了進一步觀察。

表1　沖擊實驗結(jié)果

2實驗結(jié)果與分析

2.1斷口形貌

圖1為各試樣的宏觀及微觀斷口形貌掃描電鏡照片。從宏觀斷口形貌照片中可以看出，與沖擊功相對應，1和2#試樣具有典型的韌性斷裂特征，斷口凸凹不平，均存在較寬的剪切唇區(qū)；而3#試樣為脆性斷裂斷口，斷口較為平坦，絕大部分為放射區(qū)，未見明顯的剪切唇。微觀斷口形貌進一步證實了各試樣的斷裂類型，1和2#試樣中心纖維區(qū)存在較大韌窩，而3#試樣中能觀察到大量解理舌。此外，1和2#試樣中心纖維區(qū)及剪切唇區(qū)未觀察到尺寸較大的孔洞或第二相夾雜物的存在，而3#試樣斷面上可觀察到許多顆粒狀夾雜物。因此，初步分析，導致3#試樣沖擊功嚴重偏低的原因可能是由于這些疏松夾雜物的存在。

圖1沖擊斷口形貌

Fig 1 Secondary electron(SE) images of impact fracture for unirradiated and irradiated A508-3 steel

2.2顯微組織及晶粒度

眾所周知，材料的顯微組織和晶粒尺寸都是影響宏觀力學性能的關(guān)鍵因素。因此，本文對各試樣的金相顯微組織和晶粒尺寸均進行了觀察，觀察結(jié)果見圖2。從圖2(a)-(c)中可以看出，各試樣的金相組織基本相同，均為典型的貝氏體組織(也有研究者稱其為粒狀貝氏體)。獲得試樣的晶粒尺寸照片以后(圖2(d)-(f))，采用直線截點法統(tǒng)計了各試樣的平均晶粒尺寸，統(tǒng)計結(jié)果及標準偏差見表2。結(jié)果表明，在本次輻照實驗條件下，中子注量及輻照溫度未對試樣的顯微組織造成顯著影響，不同試樣的顯微組織類型和平均晶粒尺寸均相差不大，基本不會導致試樣的沖擊功產(chǎn)生較大差異。

表2　晶粒尺寸統(tǒng)計結(jié)果

2.3分析與討論

結(jié)合表1中各試樣的詳細信息以及前文中的實驗結(jié)果，可知2和3#的兩個試樣在快中子注量、晶粒度和顯微組織等條件均基本相同的情況下，沖擊韌性差異較大。而根據(jù)前文中斷口形貌的初步分析，導致這種現(xiàn)象的原因可能是第二相夾雜物和孔洞的影響。為了證實這種猜測，采用金相顯微鏡對以上兩個試樣機械拋光后的低倍形貌進行了觀察(見圖3(c)、(e))。結(jié)果表明，沖擊功較低的3#試樣中可以觀察到大量的孔洞(圖3(e))；而2#試樣中孔洞數(shù)量相對較少(圖3(c))。各試樣孔洞的典型形貌示于圖3(b)、(d)、(f)，可觀察到較低放大倍數(shù)下呈現(xiàn)黑色的孔洞實際上是有大量微孔組成的；且在金相顯微鏡下觀察，輻照前后孔洞形貌差異不大。眾所周知，孔洞和夾雜處的應力集中是試樣受力過程中導致裂紋萌生和擴展重要原因之一。因此，編號為3#的試樣沖擊功相對2#試樣低的原因可能是由于孔洞數(shù)量的差異而導致的，這證實了前文中的推斷。此外，從圖中還可以看出，沖擊功處于正常范圍內(nèi)的1#對比試樣的孔洞數(shù)量較少、尺寸較小(圖3(a)、(b))，因此沖擊韌性較好。

為進一步研究孔洞的類型，并證實孔洞對沖擊功的影響，以1#試樣為例，對其進行了掃描電鏡觀察和X射線面掃描分析。掃描電鏡的觀察結(jié)果見圖4和5，圖中各箭頭處的能譜分析(EDS)結(jié)果見表3。

圖2顯微組織和晶粒照片

Fig 2 Optical metallography and grain size images for unirradiated and irradiated A508-3 steel

圖3　孔洞形貌及分布

位置元素FeCOAlMgMoSMnCaCrNiSeCuPSi圖4b-A0.080.0255.4244.34---------0.13-圖4b-B-0.0356.5629.8913.52----------圖4b-C3.000.10-0.27-1.3844.2042.746.490.250.370.520.68--圖5b-A56.972.6115.251.050.653.06-16.03-2.110.38-0.580.131.18

從圖4中可以看出，試樣中的孔洞主要分為兩種類型：一種填充了第二相夾雜物，另一種為空洞。不含第二相的空洞可能是由于第二相夾雜物在樣品制備過程中脫落而形成的。

孔洞中主要存在3種類型的第二相夾雜物，結(jié)合表3中的EDS結(jié)果，可以確認其中的兩種分別為Al2O3和MnS，另一種為Al-Mg-O三元化合物(可能為MgAl2O4尖晶石[15-16])。X射線面掃描結(jié)果進一步清晰地顯示了它們的形態(tài)和分布。這三種第二相成層片狀復合生長在一起，相互之間的結(jié)合較為緊密；但它們與基體間存在較大間隙，并且間隙處組織十分疏松，結(jié)合較差。這類非共格大尺寸第二相粒子的大量存在對于材料的宏觀力學性能是極為不利的[17]，在沖擊過程中會由于位錯塞積而導致應力集中，從而促使裂紋大量萌生和擴展，使得流變應力大于斷裂應力，進而導致材料的脆性斷裂[18]。工程應用中應盡量避免這類第二相顆粒的大量存在。并且研究表明[18]，硫化物的熔點較低，會降低鋼的沖擊韌性；而Al2O3夾雜也會顯著降低沖擊韌性。這些第二相夾雜物有可能是在熔煉過程中形成或者帶入的，其形成原因還有待進一步研究。此外，組織中還能觀察到少量nm級富Cu溶質(zhì)原子團簇，對材料抗輻照損傷性能也是不利的。

圖4孔洞內(nèi)第二相的掃描電鏡照片

Fig 4 Secondary electron, backscattered electron images and X-ray mapping results for secondary phases in voids

從未填充第二相夾雜物的孔洞高倍掃描電鏡照片及面掃描結(jié)果(圖5)中可以看出，孔洞內(nèi)大量富集O元素，可能是由于易氧化的合金元素在基體和第二相夾雜物的界面處偏析而導致的，也進一步證明了空洞是由于第二相夾雜物脫落而形成的。此外，還能觀察到一些與基體結(jié)合較好的顆粒狀Fe-Mn第二相的存在，但由于尺寸較小(<1 μm)，不能根據(jù)表3中的EDS結(jié)果確定其可能的化學式。另外，從面掃描結(jié)果中還能進一步觀察到nm級富Cu和富Mo溶質(zhì)原子團簇的存在。根據(jù)文獻報道，Mo元素易與C、N、O元素結(jié)合，減小這些間隙元素對輻照效應的不利影響；而面掃描結(jié)果表明，富Mo元素區(qū)域未見C、N、O元素的富集，因此nm級富Mo團簇對材料力學性能的影響機制還有待深入探討。

無論是哪種類型的孔洞，因為其較大的尺寸和與基體結(jié)合較差的影響，對材料的宏觀力學性能都是不利的。當然，孔洞并不是唯一的影響因素，中子注量、中子注量率等關(guān)鍵參數(shù)對力學性能的影響也不能忽略，其影響機制有待后續(xù)進一步研究。

圖5孔洞的掃描電鏡照片

Fig 5 Secondary electron,backscattered electron images and X-ray mapping results for voids

3結(jié)論

(1)在本次輻照實驗條件下(中子注量2.97×1019n/cm2，輻照溫度(290±15) ℃，國產(chǎn)A508-3鋼試樣輻照前后的顯微組織均為貝氏體組織，且輻照前后的晶粒尺寸未見明顯變化。

(2)金相組織和晶粒尺寸不是導致本實驗樣品沖擊功異常的主要原因，其直接原因可能是基體組織中體缺陷(孔洞)數(shù)量的差異。

(3)組織中孔洞分為兩種類型，一種為填充了Al2O3、MnS、Al-Mg-O三元化合物等層片狀復合第二相粒子的孔洞，另一種為未填充任何第二相的空洞；且孔洞中第二相與基體結(jié)合較差。

參考文獻:

[1]Kryukov A, Debarberis L, Estorff U V, et al. Irradiation embrittlement of reactor pressure vessel steel at very high neutron fluence[J]. Journal of Nuclear Materials, 2012, 422: 173-177.

[2]Qiangmao W, Guogang S, Rongshan W, et al. Study on the microstructure evolution of A508-3 steel under proton irradiation[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2012, 48 (8): 929-934.

[3]Wendou Y. Summary of irradiation effects for the reactor pressure vessel steel of PWR[J]. Nuclear Safety, 2012, 3: 1-11.

[4]Yun L, Changyi Z, Guangsheng N, et al. Irradiation property of pressure vessel materials in China [J]. Materials China,2011,(05): 7-10.

[5]Pareige P, Stoller R E, Russell K F, et al. Atom probe characterization of the microstructure of nuclear pressure vessel surveillance materials after neutron irradiation and after annealing treatments[J]. Journal of Nuclear Materials, 1997, 249: 10.

[6]Debarberis L, Acosta B, Zeman A, et al. Analysis of WWER-440 and PWR RPV welds surveillance data to compare irradiation damage evolution[J]. Journal of Nuclear Materials, 2006, 350: 9.

[7]Pingping L, Qian Z, Mingzhong Z, et al. Microstructure changes of reduced activition steel after deuterium ion irradiation at high temperature[J]. Journal of Functional Materials, 2014, 45(23): 23070-23074.

[8]Becquart C S. RPV steel microstructure evolution under irradiation: a multiscale approach[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 2005, 228: 111-121.

[9]Adjanor G, Bugat S, Domain C, et al. Overview of the RPV-2 and INTERN-1 packages: from primary damage to microplasticity[J]. Journal of Nuclear Materials, 2010, 406: 175-186.

[10]Cao L, Wu S, Liu B. On the cu precipitation behavior in thermo-mechanically embrittlement processed low copper reactor pressure vessel model steel[J]. Materials and Design, 2013, 47: 551-556.

[11]Lambrecht M, Meslin E, Malerba L, et al. On the correlation between irradiation-induced microstructural features and the hardening of reactor pressure vessel steels[J]. Journal of Nuclear Materials, 2010, 406: 84-89.

[12]Zheng L, Faulkner R G, Flewitt P E J. Neutron irradiation-induced phosphorus segregation in reactor pressure vessel steels[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2005, 41 (1): 79-83.

[13]Zheng L. Radiation-induced embrittlement and life evaluation of reactor pressure vessels[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2011, 47 (7): 777-783.

[14]Jiansheng Q, Wen Y. Study development on irradiation embrittlement mechanism of RPV marerial[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2012, 46 (4): 480-486.

[15]Sri Harini R, Nampoothiri J, Nagasivamuni B, et al. Ultrasonic assisted grain refinement of Al-Mg alloy using in-situ MgAl2O4particles[J]. Materials Letters, 2015, 145: 328-331.

[16]Zhu G Z, Botton G A. Damage behavior and atomic migration in MgAl2O4under an 80 keV scanning focused probe in a STEM[J]. Micron, 2015, 68: 141-145.

[17]Qilong Y. Second phases in structural steels [D]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2006.

[18]Gang X, Linling C, Liu F, et al. Effect of the precipitation of Cu-rich clusters on the DBTT of RPV simulated steel[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2012, 48 (6): 753-758.

An investigation on the microstructure of abnormal impact energy specimens for the post-irradiated A508-3 steel

WU Lu1,2, TANG Hongkui1, PENG Yanhua1, ZHU wei1, WU Xiaoyong1,2,WEN Bang1,2, WANG Fei1,21, YANG Fan1, WU Yongjun1, SUN Kai1

(1. The First Institute, Nuclear Power Institute of China, Chengdu 610005, China;2. National Key Laboratory for Nuclear Fuel and Materials, Nuclear Power Institute of China,Chengdu 610041,China)

Abstract:The mophology of impact fracture, microstruture, grain size, voids, and secondary phases of abnormal impact energy specimens of post-irradiated A508-3 steel were observed by using optical microscope (OM), scanning electron microscope (SEM), and energy dispersive spectrometer (EDS) with shield in this paper, and the possible reasons also was analyzed. The results indicated that the bainite structure and grain size of the domestic A508-3 steel had no obviously change under this irradiate conditions(neutron fluence 2.97×1019n/cm2, irradiation temperature (290±15) ℃, which was not the main reason causing impact energy abnormally. The direct reason probably was the differences in fraction volume of the detects(voids) in the matrix. In addition, the detects could be divided into two types, one was filled with layer-like Al2O3, MnS, and Al-Mg-O tenary secondary phases combining together, and the other was voids. Furthermore, the boundary between these secondary phases and matrix was quite loose, which was easily to cause the toughness decreasing.

Key words:pressure vessel steels; impact toughness; microstructure; voids; secondary phases

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.03.012

文獻標識碼：A

中圖分類號：TL341

作者簡介：吳璐(1985-)，男，湖南益陽人，在職博士后，師承伍曉勇研究員，主要從事核燃料及材料輻照效應研究工作。

基金項目：中國核動力研究設(shè)計院市場開發(fā)基金資助項目(14JS1520)

文章編號：1001-9731(2016)03-03064-06

收到初稿日期：2015-05-10 收到修改稿日期：2015-10-15 通訊作者：伍曉勇，E-mail: wuxynpic@126.com