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壓力容器是核電廠(chǎng)運行中的關(guān)鍵設備之一，是防止放射性泄漏的重要屏障之一。對壓力容器的鋼來(lái)說(shuō)，如下幾種與老化相關(guān)的機械性能的退化機制導致了在長(cháng)期運行過(guò)程中的安全隱患：輻照脆化、熱時(shí)效、高溫脆化、疲勞、輻照促進(jìn)腐蝕等。

A）輻照脆化

其中最為重要的退化機制是輻照脆化。許多研究表明壓力容器鋼在反應堆中子輻照環(huán)境中，韌-脆轉變溫度（DBTT）隨著(zhù)輻照而升高，使得材料容易發(fā)生脆性斷裂，影響整個(gè)核電廠(chǎng)的安全運行。并且，由于堆型的不同，對壓力容器鋼的性能要求也不同。

B）輻照脆化機制

最重要的脆化機制是由輻照引起的納米級的結構位錯引起的。其過(guò)程主要包括（a）在級聯(lián)過(guò)程中點(diǎn)陣缺陷的形成；（b）缺陷的遷移及其導致的溶質(zhì)原子的擴散加速形成團簇等缺陷團聚；（c）這些納米級缺陷引起的位錯釘扎；（d）穿晶裂紋；（e）應力集中；硬化引起的韌-脆轉變溫度（DBTT）升高。

在反應堆環(huán)境中，中子與點(diǎn)陣原子的相互作用不但產(chǎn)生間隙-空位對（一對Frenkel缺陷），若初級離位原子的能量足夠大，將繼續在點(diǎn)陣中與其他原子發(fā)生碰撞并使其離開(kāi)點(diǎn)陣位置，稱(chēng)后者為二級碰撞原子。當二級碰撞原子能量足夠大時(shí)發(fā)生三級碰撞。以此類(lèi)推，形成一個(gè)“級聯(lián)碰撞”過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中形成的大部分間隙原子及空位都會(huì )迅速復合，而有一小部分會(huì )結合形成缺陷。

在壓力容器環(huán)境下，這些缺陷還可以擴散較長(cháng)距離。在擴散過(guò)程當中，這些間隙、空位及其他雜質(zhì)原子重新結合或被陷阱俘獲，稱(chēng)為“點(diǎn)陣損傷”。

同時(shí)，空位及間隙的增多也會(huì )大大提高溶質(zhì)原子的遷移率，使得Cu原子的析出率大大提高。原因是Fe-Cu二元系為互不溶體系，在300℃左右Cu的溶解度小于0.01%，該值遠小于鋼中Cu含量。Cu原子可以遷移到空位，通過(guò)與空位交換位置進(jìn)行遷移，當兩個(gè)Cu原子相遇時(shí)會(huì )結合在一起，這些與基體共格的Cu沉淀增大到一定大小時(shí)，會(huì )脫離基體，形成非共格沉淀。許多研究表明，在BCC鐵基體中，Cu的結構變化是BCC→9R→FCC。在鋼中形成許多納米級的富Cu沉淀相。與此同時(shí)，Ni、Mn、Si、P等溶質(zhì)及雜質(zhì)也會(huì )富集在Cu周?chē)纬沙恋怼Ｗ罱难芯恳脖砻鳎趲缀醪缓珻u的鋼中，也存在由Mn、Ni等雜質(zhì)富集形成的團簇。富Cu沉淀是輻照脆化產(chǎn)生的最重要的因素。

輻照增強擴散除了促進(jìn)富Cu沉淀形成之外，還可能導致其他溶質(zhì)，如Ni、Mn、Si等的原子形成團簇。原因是這些原子在團簇中的能量比在基體中更低。其中，Ni對輻照脆化有著(zhù)非常重要的影響，但機理迄今為止仍不明確。其中一個(gè)機制是，Ni在低Cu或者不含Cu的鋼中會(huì )形成鎳錳沉淀，另外一種機制是Ni在富Cu沉淀外圍富集降低其表面能，從而使得沉淀更穩定。許多研究也表明，Mn對輻照脆化的影響很大。在同樣Ni含量的合金中，含Mn的鋼材料在輻照后的脆化現象嚴重得多。

納米級的缺陷成為阻礙位錯移動(dòng)的因素，致使鋼的塑性變形應力提高。而最重要的輻照脆化機制就是屈服強度的提高（△σy）。在含Cu鋼中主要的納米結構是富Cu-Mn-Ni團簇及某些富Mn、Ni團簇；在無(wú)Cu鋼中主要的納米結構為點(diǎn)缺陷、位錯環(huán)及其他小尺寸沉淀等。由某種結構的納米結構引起的屈服強度的提高可由下表示。由其可見(jiàn)，某種結構j對屈服強度的提高取決于其半徑rj、數量密度Nj、體積分數fj及強化因子αj。

式中，TF是泰勒因子，約等于3；u為Fe的剪切模量，約等于80GPa；b是柏氏矢量，約等于0.248nm。強化因子αj因不同種類(lèi)的納米結構而異。

當屈服強度σy足夠大時(shí)，裂紋尖端的應力集中達到某個(gè)極限σ*時(shí)發(fā)生斷裂。由于σy隨著(zhù)溫度的增加而減少，塑-脆轉變在滿(mǎn)足下式時(shí)發(fā)生。

式中，M是常數。沉淀及富集引起的脆化中，σy增大，使得滿(mǎn)足下式時(shí)發(fā)生轉變，即塑-脆轉變溫度升高。

在某些鋼中，P在晶界的富集可能導致晶界的弱化，使得容易在晶界產(chǎn)生初級裂紋。這并不導致材料硬度的增加，因此被稱(chēng)為非硬化脆化。這樣的脆化會(huì )引起晶界裂紋而不是穿晶裂紋。P的富集是減小σ *，致使塑-脆轉變溫度升高但并不會(huì )引起強度變化。P在晶界的富集在很多研究中發(fā)現，但是由其導致晶界裂紋的證據尚不很充足。

C） 高強度低合金鋼大型鍛件中的氫脆現象

鋼中的氫是一種有害但又難以完全避免的雜質(zhì)元素，它對鋼的危害主要是引起鍛件塑性、韌性的降低，嚴重時(shí)會(huì )導致鍛件中出現白點(diǎn)（氫致發(fā)裂），造成整個(gè)鍛件的報廢，這種現象被稱(chēng)為氫脆，一般認為氫對高強度低合金鋼的影響最為顯著(zhù)。

鋼中的氫脆屬于應變時(shí)效型脆化，也稱(chēng)為滯后破壞，表現為在應力作用一段時(shí)間后鋼發(fā)生毫無(wú)征兆的脆斷，斷口較平滑，大多數情況下為沿晶斷裂。在腐蝕及輻照的聯(lián)合作用下，氫脆更容易發(fā)生。需要通過(guò)原料的精選、真空冶煉、合適的加工熱處理加以防范。

結語(yǔ)：目前對于反應堆壓力容器鋼的輻照特性已經(jīng)有相當成熟的理論模型和實(shí)測數據。壓力容器鋼輻照后的DBTT也是決定核電廠(chǎng)是否可以延壽的主要指標之一。這是因為大多數的核電廠(chǎng)，除了反應堆的壓力容器外，其他部件都是可以更換的，就好比一輛汽車(chē)，除了發(fā)動(dòng)機以外，都是可以通過(guò)換新保養維持在一個(gè)很好的狀態(tài)的。而如果發(fā)動(dòng)機不行了，那一般就直接報廢了。

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