Current Opinion in Solid State and Materials Science
固体与材料科学进展
第 19 卷,第 5 期,2015 年 10 月,第 305-314 页
Mechanism of dislocation channel-induced irradiation assisted stress corrosion crack initiation in austenitic stainless steel
位错通道诱导奥氏体不锈钢辐照辅助应力腐蚀裂纹萌生机制
Highlights 要点
- •Three classes of dislocation channel–grain boundary intersections were observed.
观察到三种类型的位错通道-晶界交点。 - •Discontinuous channels undergo the least amount of displacement.
不连续通道位移量最小。 - •Discontinuous channels cause the greatest amount of stress at the grain boundary.
不连续通道在晶界处产生最大应力。 - •Discontinuous channels are the most likely to induce crack initiation.
不连续通道最有可能引发裂纹萌生。 - •IASCC is due to these high levels of stress at the channel–boundary intersection.
辐照辅助应力腐蚀裂纹(IASCC)是由于通道-晶界交界面处的高应力引起的。
Abstract 摘要
通过使用经过质子辐照至 5 dpa 剂量并分别在氩气和模拟沸水反应堆正常水化学环境中高温拉伸的 Fe–13Cr15Ni 奥氏体不锈钢,确定了位错通道诱导辐照辅助应力腐蚀裂纹的机制。拉伸诱发了通过数字图像相关和共聚焦显微镜表征的位错通道。研究发现,位错通道要么跨越晶界连续,要么不连续,要么在晶界处有滑移的不连续。不连续通道包含的应变最少,但最容易引发裂纹。不连续位错通道-晶界交界面显示出最高的局部应力。辐照钢的原位拉伸透射电子显微镜(TEM)观察和位错-晶界相互作用的原子模拟提供了支持证据,表明无法传递应变的通道发生了开裂。 通道无法通过相邻晶粒的滑移或晶界滑移来缓解应力,导致局部应力升高,并增加了应力腐蚀开裂的敏感性。
Keywords 关键词
辐射辅助应力腐蚀开裂位错通道晶间开裂不连续滑移晶界
1. Introduction 1. 引言
奥氏体不锈钢因其高耐腐蚀性,被用于轻水反应堆的各种核心部件。然而,在辐照条件下,它易发生晶间应力腐蚀开裂(IGSCC),称为辐射辅助应力腐蚀开裂(IASCC)[1],[2],[3]。IASCC 的确切机制尚不清楚。辐照导致钢的微观结构发生多种变化,包括辐照诱导偏析(RIS)、辐照硬化,以及变形机制从相对均匀的滑移转变为非均匀滑移,变形被限制在粗大的带状区域,称为位错通道。辐照后微观结构的复杂性使得难以分离对 IASCC 的各个影响。
早期研究主要关注辐照助应力腐蚀开裂(RIS)导致晶界处的铬贫化是增加开裂敏感性的关键因素,类似于敏化钢中开裂敏感性的增加。然而,最近的数据表明,虽然铬贫化在 IASCC 中发挥作用,但它不太可能是主要因素[4], [5]。在 Busby 等人[4]的研究中,发现辐照效应在退火过程中以不同速率恢复,特别是观察到开裂敏感性比 RIS 恢复得更快。开裂与屈服强度相关,但这种相关性缺乏物理基础。最近的研究已经确定位错通道是控制 IASCC 的潜在因素[1], [2], [6], [7], [8], [9],它与材料的屈服强度相关。位错通道是一种现象,当施加的应力达到临界解理剪切应力时发生,位错被推过辐照损伤的微观结构。随着位错沿滑移面移动,它们清除部分由辐照形成的缺陷团簇。 后续位错更可能沿着相同路径移动,因为缺陷密度较低,导致变形高度局部化和异质化。辐照金属中的临界解理应力更高[10],在位错产生和滑移通过之前,屈服强度会先增加,然后通过释放来缓解。
位错通道的特征在于其宽度(~0.1 μm)、间距(通常 1-3 μm)以及通道中的剪切应变[11][12]。位错通道中的剪切应变难以通过实验分析。通道中的应变通过测量通道在样品表面造成的台阶高度[6]以及通道与晶界相交时造成的偏移[13]来估计。使用这些测量方法,发现位错通道内的应变比整体施加的应变高约两个数量级。
位错通道中的高应变伴随着计算机建模预测的高应力水平。Evrard 和 Sauzay[14][15]使用有限元模型模拟了通道与晶界的交点。位错通道被建模为硬晶粒(高临界解理应力)中的软区域(低临界解理应力)。在通道与晶界的交点处发现了高应力区域。原子尺度建模也表明,由于位错与晶界的碰撞导致高应力水平[16][17]。
局部变形的程度以不连续通道的形式存在,与开裂密切相关[17], [18]。Was 等人[19]讨论了局部变形与 IASCC 之间可能的联系机制。考虑了三种位错通道-晶界(DC-GB)相互作用形式:沿晶界连续滑移、位错被吸收到晶界的不连续滑移(与 GB 滑移)导致晶界滑动,以及导致位错堆积的不连续滑移(滑移未以任何形式得到适应)。在这三种形式中,后两种被认为是裂纹萌生的可能位置,因为在晶界滑动的情况下存在高应变,而在位错堆积的情况下存在高应力。
West 和 Was[20]通过使用 Schmid 修正晶界应力(SMGBS)模型,将 IASCC 敏感性与晶界处的应力联系起来。该 SMGBS 模型不仅考虑了晶界平面相对于拉伸轴的方向,还考虑了晶粒变形的倾向,该倾向由 Schmid 因子决定。Schmid 因子较低的晶粒被认为变形倾向较低,这导致晶界处应力较高,并具有高开裂倾向。滑移未传递的 DC-GB 交点也可能导致局部高应力区域,正如 Was 等人[19]所述,这些交点被认为是引发开裂的潜在候选点。在这种情况下,在达到引发开裂的临界应力之前,位错无法通过滑移传递来适应。
近来,数字图像相关(DIC)技术已被用于证实当通道终止于晶界(不连续)时,可能产生两种相互作用[16]:滑移可能传递到晶界,诱导晶界滑移,或者滑移可能终止于晶界,导致未协调的滑移。本研究旨在区分应力与晶界应变在辐照辅助应力腐蚀裂纹萌生机制中的作用。
2. Experimental 2. 实验
本研究使用了控制纯度的奥氏体 Fe–13Cr–15Ni 合金(表 1)。采用电火花加工(EDM)切割一根长度为 21 mm、横截面为 2 mm × 1.5 mm 的拉伸试样。通过机械抛光去除 EDM 损伤,然后在-40 °C 的 10%高氯酸和 90%甲醇溶液中以 30 V 进行电解抛光 90 s,以去除机械抛光留下的所有残余机械损伤。
Table 1. Composition (wt%) of Fe–13Cr15Ni austenitic steel used in this study.
表 1. 本研究使用的 Fe–13Cr15Ni 奥氏体钢的成分(wt%)。
Material designation 材料标识 | Fe | Cr | Ni | Mn 锰 | Si 硅 | P | C |
---|---|---|---|---|---|---|---|
13Cr15Ni 13 铬 15 镍 | Bal. 平衡 | 13.41 | 15.04 | 1.03 | 0.1 | <0.01 | 0.016 |
样品经过抛光后,在密歇根离子束实验室使用 3 MeV 质子辐照至 5 dpa,温度为 360 °C。温度通过二维热像仪(IRCON® Stinger 热成像系统)监测,该系统在整个辐照过程中以高空间分辨率追踪样品表面温度。温度控制通过将电加热器插入载台并与载台气流结合实现。样品温度保持在设定温度(360 °C)的±9 °C 范围内。
质子穿透样品的深度约为 40 μm。损伤率分布如图 1 所示,该数据通过 SRIM™中的全级联模型确定。损伤率以及总损伤通常在峰值前的平坦区域确定。在本研究中,在深度约为 24 μm 处,损伤率计算为∼9 × 10 −6 dpa/s,代表了平坦区域的平均损伤率值。需要注意的是,最近的研究结果表明,全级联方法高估了损伤率约 2 倍[21]。

Fig. 1. Damage rate profile for Fe–13Cr15Ni irradiated with 3 MeV protons. The damage rate at a depth of 24 μm was used to determine final dpa of the experimental sample.
图 1. 3 MeV 质子辐照的 Fe–13Cr15Ni 的损伤率分布。24 μm 深度的损伤率被用于确定实验样品的最终 dpa。
应变样品的面内位移通过数字图像相关法(DIC)测定。为进行 DIC,使用 40 nm 金纳米粒子在拉伸试样表面沉积金点阵图案。这些纳米粒子是通过将 1 mL 由 99 wt% 水和 1 wt% 柠檬酸钠组成的溶液与 100 mL 加热至沸腾的 0.01 wt% 氯金酸(HAuCl₄)蒸馏水混合制备的 [22]。拉伸试样被涂覆 (3-氨基丙基) 三甲氧基硅烷,并在表面沉积金纳米粒子形成点阵图案,如图 2 所示。这种沉积技术最初是为表面增强拉曼光谱法开发的 [23],后来被 Kammers [24] 用于 DIC。

Fig. 2. Gold (white) speckle pattern on Fe–13Cr15Ni steel (black).
图 2. Fe–13Cr15Ni 钢(黑色)上的金(白色)点阵图案。
拉伸样品在应变前后均使用 JEOL JSM-6480 扫描电子显微镜进行了成像,以便将两张图像进行关联并测量位移。由于扫描电子显微镜成像过程中存在一定程度的畸变,因此在与拉伸试样在同一工作距离下,使用 Ultrasharp TGX01 原子力显微镜校准网格(3 μm 网格间距)进行了成像。使用 Matlab®对网格的畸变进行了校正,并将相同的图像校正应用于拉伸试样表面的图像。
拉伸试样分两次应变;首先应变至 1.5%塑性应变,随后再增加 1%塑性应变增量,总应变为 2.5%,在高温(288°C)氩气中以约 3 × 10^0 s^-1 的应变率进行。采用慢应变率测试以对样品产生的应变水平进行良好控制。每次应变增量后进行数字图像相关(DIC)测量,主要关注 2.5%应变步骤,在该步骤中进行了大量测量。在第二次应变增量后,用浸有蒸馏水的抛光垫轻轻清洁以去除金颗粒,以防止金颗粒在高温 BWR 水环境中影响钢的腐蚀。DIC 不提供任何形貌信息(面外位移),因此使用奥林巴斯 OLS4000 LEXT 共聚焦显微镜在氩气中 2.5%应变后对样品表面进行形貌测量。测量了位错通道和晶界处的位移变化,并计算了三个矢量的幅度,以确定位错通道引起的总位移。 通道内的剪切应变通过假设位错通道宽度为 100 纳米[11],并将总位移除以通道宽度来计算。
在将样品应变至 2.5%后,使用 BLG Production 的 CrossCourt 3 电子背散射衍射(EBSD)分析软件在多种直流沟道-晶界交点处进行了残余应力测量。该技术依赖于测量图案和参考图案中 EBSD 图案中感兴趣区域的交叉相关性,如 Wilkinson 等人[25]所述。参考图案取自远离晶界-直流沟道交点的区域,这些区域的应力可能接近于零。EBSD 图案中的微小偏移与弹性应变引起的晶体点阵畸变相关。根据这些偏移,确定了弹性应变张量,并使用胡克定律计算了弹性应力张量。EBSD 图案在相距 100 nm 的点处采集,电子束在每个测量点保持 3 秒以收集高质量的图案。在每个 EBSD 图案上选择了 20 个感兴趣区域,这些区域与参考图案相关联以测量弹性应变。
在分析了在氩气中受拉的样品后,在模拟沸水反应堆正常水化学(BWR NWC)条件下(288°水,电导率维持在 0.2 μS/cm,溶解氧为~2 ppm)进行了额外的 4.5%和 7.2%的拉伸。这些慢速应变率试验允许在高负载下加速裂纹的形成,这比轻水反应堆部件在正常条件下的裂纹形成要快。慢速应变率试验还允许进行良好控制,以便在裂纹较小时停止拉伸。拉伸是逐步进行的,以便在裂纹扩展到较大尺寸并掩盖起始位置之前找到裂纹起始点。在水中拉伸后,根据氩气拉伸步骤后确定的先前直流-晶界(DC-GB)信息定位和表征裂纹。
使用二项分布模型确定了裂纹结果的统计显著性,该模型使用标准差(σ)来确定测量中的误差量。二项分布的标准差按以下方式计算(1)where x is the number of cracks at the DC–GB type being studied and p is the probability of the crack occurring at the DC–GB type in question, defined as
其中 x 是所研究的 DC-GB 类型中的裂纹数量,p 是所讨论的 DC-GB 类型中裂纹发生的概率,定义为(2)The value n is the total number of DC–GB intersections of the type being studied. In terms of the fractional uncertainty of the probability of cracking,
n 的值是所研究类型的 DC-GB 交叉的总数。在裂纹概率的分数不确定性的方面,(3)
这种统计分析用于计算三种类型的 DC-GB 交叉中裂纹测量的误差。
3. Results 3. 结果
3.1. Characterization of DC–GB intersections following straining in an argon gas environment
3.1. 在氩气环境中受力后的 DC-GB 交叉表征
所有测量的直流-晶界交点被归类为三种可能类型之一:连续型、带晶界滑移的圆盘型或不连续型。连续型交点是指滑移从一个晶粒传递到下一个晶粒的情况,其特征是相邻晶粒中的通道在晶界处汇合。它们可能通过位错直接穿过晶界形成,也可能在入射通道与晶界相交处,在相邻晶粒中形成新的位错源。带晶界滑移的圆盘型通道是指在晶界处终止,但能在晶界中产生可测量的滑移的通道。不连续型通道在晶界处终止,没有证据表明滑移传递到相邻晶粒或晶界中。
在直流道与晶界的交点处,经过 2.5%应变后的位错通道总位移(平面内和面外位移之和),如图 3 所示,在连续交点处最大,在非连续交点处最小,这与先前关于在氩气环境中将 Fe–13Cr15Ni 应变至 3.5%的研究结果一致[16]。每种直流道与晶界交点类型的平均位移和最大位移如表 2 所示,清晰地表明非连续通道的位移远小于被归类为连续或圆盘形的通道,无论是在平均位移还是在最大位移上。图 3 中也显示了圆盘形 w/GB 滑移情况下的晶界位移测量值。在极少数情况下,连续的直流道与晶界交点也会发生晶界滑移。本研究中观察到了两个这样的案例,在将样品应变至 2.5%后识别出的 126 个连续直流道与晶界交点中。这两个案例(位移约为 120 和 30 纳米)未包含在图 3 的晶界位移测量值中。

Fig. 3. Total displacement in the grain boundary after 2.5% strain in argon by DC–GB intersection type (continuous, disc. w/GB slip and discontinuous). Grain boundary displacement measurements from Disc w/GB slip are also included and account for only the displacement due to a single dislocation channel.
图 3. 在氩气中经 2.5% 应变后,不同位错通道与晶界交截类型(连续、带晶界滑移的圆盘形和不连续型)下的晶界总位移。圆盘形带晶界滑移的晶界位移测量结果也包含在内,仅考虑单个位错通道引起的位移。
Table 2. Average and maximum displacement in dislocation channels for each DC–GB intersection type (including both channel and grain boundary displacement measurements for disc. w/GB slip). Measurements taken after 2.5% strain in an argon environment at 288 °C.
表 2. 每种位错通道与晶界交截类型的平均位移和最大位移(圆盘形带晶界滑移类型包含通道位移和晶界位移测量结果)。测量在氩气环境中 288 °C 经 2.5% 应变后进行。
Empty Cell | Continuous 连续 | Disc. w/GB slip 带晶界滑移的圆盘形 | Discontinuous 不连续 | |
---|---|---|---|---|
Empty Cell | Channel 通道 | Boundary 边界 | ||
Average displacement (nm) 平均位移 (nm) | 185 | 172 | 132 | 66 |
Maximum displacement (nm) 最大位移 (nm) | 660 | 541 | 320 | 174 |
图 3 和表 2 中所示的晶界位移是由单个位错通道引起的位移测量值。多个通道可能相交于晶界,并贡献于总滑移量。图 4 显示了多个圆盘形 w/GB 滑移位错通道的 SEM 图像,每个通道都诱导晶界滑移,如右侧的 XY 剪切应变图所示,导致晶界处的滑移量向图像底部增加。为了报告单个通道引起的晶界滑移,在 DC-GB 交点两侧沿晶界测量位移,并将两次测量的差值归因于位错通道引起的晶界滑移。图 5 显示了所有相交于晶界的位错通道引起的晶界总位移,而不是像图 3 那样显示单个通道引起的晶界位移。就晶界滑移对开裂的影响而言,图 5 的结果更具相关性,因为它们代表了晶界实际经历的滑移,而不是像图 3 那样仅显示单个通道引起的部分。

Fig. 4. Example of Disc w/GB slip intersection, where each dislocation channel contributes to additional slip in the boundary. The right-side image shows the XY shear strain map.
图 4. 圆盘与 GB 滑移交叉的示例,其中每个位错通道对边界处的额外滑移做出贡献。右侧图片显示了 XY 剪切应变图。

Fig. 5. Total displacement in grain resulting from all DCs intersecting the grain boundary.
图 5. 所有与晶界交叉的 DC 在晶粒中产生的总位移。
在氩气环境中进行两次应变增量,分别为 1.5%和 1%,总应变为 2.5%。图 6 显示了两次应变增量后的平面滑移分布。当整体样品应变从 1.5%增加到 2.5%时,所有通道均发生额外滑移。在表征的 44 个 DC-GB 交点中,33 个是连续的,通道中的应变平均增加了 144%。其中 7 个是 D/GB,通道中的应变平均增加了 91%。四个不连续通道中的应变平均增加了 151%。在额外应变下,有时会发生从 DC-GB 交点向通道的滑移传递。图 7 显示了两个发生分类变化的交点之一,这个交点从不连续变为碟形 w/GB 滑移(另一个交点从不连续变为连续)。这些未包含在 44 次滑移测量中,其中为每种 DC-GB 交点类型确定了平均滑移变化。

Fig. 6. In-plane slip distribution of the same channels measured after 1.5% strain and 2.5% strain in argon.
图 6. 在氩气中经历 1.5%应变和 2.5%应变后相同通道的平面滑移分布

Fig. 7. SEM image and horizontal (tensile axis) strain map of DC–GB intersection at 1.5% macroscopic strain (left) and 2.5% macroscopic strain (right). At 2.5%, the channel, which initially appeared to be discontinuous, initiated grain boundary slip, becoming disc. w/GB slip.
图 7. 1.5%宏观应变(左)和 2.5%宏观应变(右)下 DC-GB 交叉处的 SEM 图像和水平(拉伸轴)应变图。在 2.5%时,最初看似不连续的通道启动了晶界滑移,形成带晶界滑移的圆盘。
在每种直流沟道与晶界(DC–GB)交点处进行了高分辨率 EBSD 测量,以确定交点处的应力(基于弹性应变测量)。总共测量了 48 个交点,其中 28 个在 2.5%应变后测量,20 个来自在氩气中应变至 3.5%的第二块样品[16]。每种 DC–GB 类型的示例如图 8 所示。此处左侧列显示 SEM 图像,中间列显示显示晶粒取向的反极图 EBSD 图。右侧列显示了使用 CrossCourt 3 创建的 Von Mises 应力图,如实验部分先前所述。应力图中的白色区域是 EBSD 图案不够清晰无法进行交叉相关分析的位置。从最完整的图(缺失像素最少)中收集数据,如图 9 所示的图中,平均应力表示为距离的函数(平均测量值来自以 DC–GB 交点为中心、给定半径为半径的圆内)。图中的不同颜色代表不同的 DC–GB 交点。当 r 接近零时,即 DC–GB 交点的位置,观察到应力普遍上升。 这种上升在显示应力与不连续通道交点附近的图中更为明显。

Fig. 8. Determination of elastic stress at DC–GB intersections. In the first column, an SEM image of the intersection is shown, with grain boundaries marked in blue. The second column shows EBSD measurements depicting orientation (each grain is a distinct color), with black pixels representing locations where orientation could not be determined. The third column shows the Von Mises stress results of the EBSD stress analysis. White pixels represent areas where data could not be collected. Shown in this figure are examples of (a) continuous, (b) disc. w/GB slip, and (c) discontinuous DC–GB intersections.
图 8. DC-GB 交点的弹性应力测定。第一列显示了交点的 SEM 图像,晶界用蓝色标记。第二列展示了 EBSD 测量结果,描绘了取向(每个晶粒为不同颜色),黑色像素代表无法确定取向的位置。第三列显示了 EBSD 应力分析中的 Von Mises 应力结果。白色像素代表无法收集数据区域。本图展示了(a)连续、(b)带晶界滑移的圆盘形以及(c)不连续 DC-GB 交点的示例。

Fig. 9. Results from 10 continuous, 9 disc. w/GB slip, and 9 discontinuous DC–GB intersections. Average stress was determined at radii every 100 nm from the intersection points. Each color represents a different DC–GB intersection that was characterized with EBSD.
图 9. 10 次连续、9 次带 GB 滑移的圆盘和 9 次不连续 DC–GB 交点结果。在交点每个 100 nm 的半径处确定平均应力。每种颜色代表一个不同的 DC–GB 交点,该交点通过 EBSD 进行了表征。
3.2. Characterization of cracking in BWR-NWC
3.2. BWR-NWC 中的裂纹表征
将试样在氩气中应变至 2.5%,然后在模拟 BWR NWC 水中增加 2% 和 2.7% 的应变,直至总应变为 7.2%。根据 DC–GB 交点类型(在氩气中应变 2.5% 后确定)表征裂纹起始位置。图 10 显示了在氩气应变增量 2.5% 后(左)和在 BWR NWC 应变增量 7.2% 时裂纹起始时(右)的(a)连续、(b)带 GB 滑移的圆盘和(c)不连续 DC–GB 交点的典型 SEM 图像。这些数据以及在氩气应变步骤后进行的 DC–GB 交点密度的一般表征显示在表 3 中。所有表征的裂纹都是起始点,尺寸约为几微米。

Fig. 10. Examples of (a) continuous, (b) disc. w/GB slip and (c) discontinuous GB intersections that resulted in crack initiation. Post 2.5% argon strain is shown on left and same area after the 7.2% total strain (2.5% argon and 4.7% BWR) is shown on the right.
图 10. 导致裂纹萌生的 (a) 连续型、(b) 具有晶界滑移的圆盘型和 (c) 不连续型晶界交界的示例。左侧显示 2.5% 氩气应变后的情况,右侧显示 7.2% 总应变(2.5% 氩气和 4.7% BWR)后的相同区域。
Table 3. Characterization of cracking at DC–GB intersections. The first column of data shows the bulk DC–GB densities, as measured after the 2.5 argon straining step. The next two columns show the number of cracks that occurred at each of the different location classifications.
表 3. DC–GB 交界面处裂纹的特征。数据的第一列显示在 2.5% 氩气应变步骤后测得的体相 DC–GB 密度。接下来的两列显示在每个不同位置分类中发生的裂纹数量。
Crack location 裂纹位置 | Number of DC–GB intersections/mm2 (% of total intersections) DC–GB 交界面数/mm 2 (占总交界面百分比) | Number of cracks after 4.5% strain (% of total cracks) 4.5%应变后的裂纹数量(占总裂纹百分比) | Number of cracks after 7.2% strain (% of total cracks) 7.2%应变后的裂纹数量(占总裂纹百分比) |
---|---|---|---|
Continuous 连续 | 385 (53) | 11 (12) | 27 (14) |
Disc. w/GB slip 带晶界滑移的离散 | 192 (27) | 8 (9) | 14 (7) |
Discontinuous 不连续 | 147 (20) | 14 (16) | 27 (14) |
Unknown DC–GB intersection type 未知 DC-GB 交点类型 | – | 7 (8) | 18 (9) |
No visible DC 无可见 DC | – | 9 (10) | 28 (15) |
TJ | – | 40 (45) | 79 (41) |
裂纹也形成在 DC-GB 交点和三晶粒交点处。这些交点处形成的裂纹被归类为三重结点(TJ)裂纹,无论裂纹是否也被位错通道相交。在 4.5%总应变后形成的 40 个 TJ 裂纹中,50%被观察到也被通道相交(5 个连续,4 个带晶界滑动的圆盘形,11 个不连续)。然而,由于无法分离 TJ 和通道的影响,TJ 裂纹与 DC-GB 交点处的裂纹被单独分类。讨论部分将进一步探讨 TJ 在裂纹形成中的重要性。"未知 DC-DB 交点类型"类别涵盖了在 DC-GB 交点处形成的裂纹,这些裂纹的位错通道在表征后形成(在 BWR-NWC 的应变过程中)。在 SEM 图像中未显示出位错通道的晶界处的裂纹被归类为"无可见 DC"。
4. Discussion 4. 讨论
研究结果针对裂纹起始的滑移氧化模型进行了分析,重点关注应变和应力在裂纹起始中的潜在作用。也就是说,需要回答的问题是,在滑移氧化模型的背景下,是局部应变还是局部应力是导致 IASCC 裂纹起始的关键特征。得出的结论与先前的工作进行了比较,并表明这些结论得到了其他研究 IASCC 的工作的支持。
需要注意的是,在本研究所有实验中,裂纹仅在 BWR NWC 环境中进行的应变增量期间出现。氩气应变后未观察到裂纹。这是预期结果,因为应力腐蚀裂纹(IASCC)是一种仅在腐蚀环境中发生的过程。没有腐蚀性环境,裂纹形成的氧化物层会重新钝化。根据滑移氧化模型,被动氧化物层的开裂是促进 IGSCC 的关键步骤[26],[27]。裂纹的产生或是由氧化物层下晶界处的滑移导致其破裂,或是由高局部应力克服了晶界处氧化物层的内聚力。
特别是,DC-GB 交叉处的应力和应变值很重要,因为这是裂纹优先发生的位置。在 DC-GB 交叉处出现的裂纹中,观察到大多数发生在连续和断续的 DC-GB 交叉处,数量相似。然而,表 3 也显示,大多数与晶界相交的通道会导致连续的 DC。图 11 显示了裂纹分数被归一化到该区域中存在的每种类型的 DC-GB 交叉处的总数。误差线使用公式(3)确定。很明显,断续的 DC-GB 交叉处最容易发生裂纹,而连续和盘状/GB 滑移导致相似的裂纹易感性。与盘状/GB 滑移相比,断续的 DC-GB 交叉处表现出的高裂纹易感性表明,控制裂纹的是局部应力,而不是边界处的滑移。

Fig. 11. Fraction of DC–GBs were crack initiation was found. Fractions are estimated based on bulk DC–GB density measurements, found in Table 3. The error bars were calculated using Eq. (3).
图 11. 发现裂纹起始的直流沟道分数。这些分数基于表 3 中测得的体直流沟道密度估计。误差线使用公式(3)计算。
以往研究表明,在 288 °C BWR NWC 中暴露五天(约本研究中应力腐蚀开裂试验的持续时间)会导致形成约 100 nm 厚的氧化层[28]。对于所表征的大多数边界,晶界滑移量(图 5)超过了氧化层厚度。面外位移特别值得关注,因为如果位移超过氧化层厚度,就会暴露新鲜金属。图 12 显示了位移测量值的面外部分与总位移(来自图 5)的对比。晶界中的平均面外位移为 104 nm,最大值为 618 nm。如果晶界滑移是控制因素,这足以破裂氧化层并导致 IASCC。然而,在 DC-GB 交点处萌生的裂纹与通道内的滑移量没有直接相关性。回顾表 2 和图 3 可知,不连续通道的位移是三种类型中最小的,大约小了 3 倍。这意味着 IASCC 裂纹的萌生并不是应变(无论是晶界还是位错通道)的直接结果。 我们接下来考虑位错通道与晶界相交引起的应力作用。

Fig. 12. Out-of-plane portion of the grain boundary slip measurements vs. total displacement (in-plane and out-of-plane). Like Fig. 5, these measurements represent all of the displacement in the boundary, which in some cases was due to multiple dislocation channels contributing to the total slip. The trend line and the expected oxide thickness are marked on the graph.
图 12. 晶界滑移测量值(面外部分)与总位移(面内和面外)的关系。与图 5 类似,这些测量值表示晶界上的全部位移,在某些情况下,这是由于多个位错通道共同导致总滑移。图中标出了趋势线和预期的氧化物厚度。
在研究易开裂晶界的特性时,已有研究注意到应力在 IASCC 中的重要性[8]、[9]、[17]、[29]。研究发现,垂直于拉伸轴且邻近低 Schmid 因子晶粒的晶界,由于施加的拉伸应力产生的 resolved 法向应力最高,表现出高开裂倾向。如果晶界剪切滑移控制着裂纹萌生,预计拉伸轴附近 45°的晶界将更容易开裂,正如 Alexandreanu 对 360°C 一次水中的 Ni–16Cr–9Fe 研究[30]所示。
连续通道中的应变通过滑移转移至邻近晶粒或激活邻近晶粒中的位错源来适应。类似地,与晶界滑移(disc. w/GB slip)适应应变的方式是通过在晶界中诱导滑移。在非连续通道的情况下,位错在晶界处堆积,导致局部应力增加。根据图 3 所示的位移测量结果,并假设通道宽度为 100 nm,在宏观应变为 2.5%的样品中,一个非连续通道内的应变可能高达约 200%。这相当于通道中几乎有 800 个位错。在 Evrard 和 Sauzay[15]的研究中,使用有限元分析对类似的通道(宽度为 100 nm)进行了建模,因为人们认为这比假设单个滑移面的简单位错堆积模型能更好地描述多个平行滑移面的变形。研究发现,位错通道使边界上确定的应力增加了约 4 倍。
使用高分辨率 EBSD 直接测量局部弹性应变场,根据胡克定律确定局部应力场。如图 13 所示,面外位错通道和晶界滑移形成的台阶干扰了图案收集,它们阻挡了背散射束到达探测器的路径。这给靠近直流-晶界交点区域的 数据收集带来了显著困难。因此,在距离直流-晶界交点小于 100 纳米处没有收集到数据。还应注意,应力值高于预期。这被认为是由于辐照期间造成的表面损伤以及随后的应变导致表面附近的晶格发生畸变,从而使 Kikuchi 带略微模糊。因此,这些数值的值处于不同类型直流-晶界交点的相对应力水平。结果表明,应力倾向于在晶界处升高,并且存在应力在非连续直流-晶界交点处达到更高水平(在一种情况下,几乎是连续或盘状交点处观测到水平的近两倍)的情况。 与 GB 滑移(图 8)的交点。

Fig. 13. EBSD map of a discontinuous DC–GB intersection. The uncharacterized (white) area along the length of the channel was where the EBSD pattern was partially blocked by the emerging channel.
图 13. 不连续的 DC-GB 交点的 EBSD 图谱。通道长度上的未表征区域(白色)是 EBSD 图案被新出现的通道部分阻挡的地方。
由于不连续的 DC-GB 交点引起的高应力观察结果得到了原子尺度建模的支持,该建模研究了位错与晶界的相互作用[16],以及原位 TEM 拉伸实验[31]。Farkas 等人[17]使用 Mishin 镍势[32]对奥氏体面心立方金属进行了建模。构建了多晶数字样品,直径高达 50 nm。模拟的晶粒结构基于实验样品的实际晶粒取向,该取向通过 EBSD 确定。使用大规模原子/分子大规模并行模拟器(LAMMPS)代码[33]和弗吉尼亚理工大学超级计算基础设施,在 3 × 10^0 s^-1 的应变速率下进行了恒温单轴应变控制虚拟拉伸试验。
观察到位错[16]撞击边界,并定量地追踪了边界区域的应力累积。应力局部增加到高达 9 GPa,当位错移动到边界并释放应力时,应力会下降,最终通过边界传递到相邻晶粒。位错通过边界的区域通常比未发生传递的区域表现出较低的应力水平。此外,如果位错没有传递到相邻晶粒,高应力通常会导致裂纹萌生。这在 TJ 附近尤其明显,TJ 作为应力集中点,发现这里萌生了许多裂纹。
这些结果表明,尽管晶粒尺寸和应变率存在很大差异,但在这种微观结构中,当位错未跨过晶界传递时,应力集中会导致裂纹萌生。原子模拟也指出了三重结点在裂纹萌生中的重要性。由于上述长度和时间尺度的差异,尚未进行定量比较,但可以肯定的是,在边界和三重结点处的应力积累在长度和时间尺度上都起着关键作用。
Kamaya 等人[34]通过有限元建模也观察到,由于相邻晶粒的变形约束,TJ 处存在高应力。由于辐照样品中的变形约束显著高于未辐照样品,预计辐照钢中 TJ 处的相对应力水平会更高。实验中在 TJ 处出现的裂纹(表 3)被认为是这种高应力的结果,类似于在非连续直流晶界交点处形成的裂纹。模拟清晰地表明,未协调和未传递的滑移到达边界时会产生非常高的局部应力。尽管模拟是在分子动力学技术所要求的极高水平应变率下进行的,但高应力累积和随后的裂纹萌生结果为这一观点提供了明确的支持,即正是这些非连续直流晶界交点处的高应力导致了裂纹的萌生。
在直流-晶界交点处应力重要性的进一步确认是通过在阿贡国家实验室的 IVEM-Tandem 显微镜中,对室温下用 1 MeV 氪离子辐照的奥氏体不锈钢样品进行的原位 TEM 应变实验[35],[36],辐照剂量在 0.1 至 1 dpa 之间[31],[37]。原位应变实验揭示了辐照 304 不锈钢中的位错堆积[31]。当堆积无法通过滑移转移来适应时,应力最终通过裂纹成核而释放。与原子模型结果相似,崔等人[37]进行的 TEM 实验也显示,在通过滑移传递到相邻晶粒释放应力之前,晶界处的堆积中有多于 60 个位错。
原位 TEM 研究也为 TJ 处的开裂提供了一种可能的解释。崔等人[37]报道,当通道内的位错一旦被纳入晶界时,就会导致位错从三叉结附近发出。如果由于辐照缺陷的存在,位错在 TJ 附近源处的传播被禁止,那么三叉结可能会开裂。
需要处理的最终裂缝类别是那些之前未观察到通道交叉的地方。如前所述,BWR NWC 中的应变导致了额外通道的形成,图 10a 展示了其中一个例子,其中仅在 BWR NWC 应变至 7.2%后,在 SEM 图像左侧观察到位错通道。因此,它们只能被归类为连续或非连续。图 14 显示了“未知 DC-GB 交叉类型”类别中 25 条裂缝的滑移(连续或非连续)特征。正如预期的那样,并且与图 11 的结果一致,非连续(非连续或带 GB 滑移的圆盘状)边界处的开裂倾向在统计上高于连续边界。

Fig. 14. Number of crack DC–GB intersection in the classification “Unknown DC–GB intersection type” which are continuous, or discontinuous, based on SEM observations.
图 14。“未知 DC-GB 交叉类型”分类中,基于 SEM 观察,连续或非连续裂缝 DC-GB 交叉的数量。
虽然数据有力地支持了局部应力在非连续位错通道-晶界交点处是 IASCC 的关键因素,但值得注意的是,只有 18%的最易发生断裂的位置(非连续 DC-GB 交点)发生了断裂。如果断裂需要应力达到某个阈值,那么在给定的外加应力下,并非所有晶界或 DC-GB 交点都会经历相同的局部应力。为了确定该阈值应力的值,需要获得局部应力的定量测量。此外,局部晶界结构或化学成分的变化也可能影响断裂倾向。因此,全面理解 IASCC 的条件需要对局部应力状态进行定量表征,并考虑其他因素的影响。这些结果仅考察了裂纹萌生,还需要进一步研究以理解和表征裂纹扩展。届时,将具备开发预测能力和缓解策略的工具。
5. Conclusions 5. 结论
基于通道与晶界相互作用的特性,将局部变形划分为三种基本模式,揭示出在晶界交点处不连续位错通道中位错堆积导致的高局部应力是辐照钢中应力腐蚀裂纹起始的潜在原因。这些通道无法通过邻近晶粒的滑移或晶界滑移来释放应力,导致高局部应力并增加了对辐照诱应力腐蚀裂纹起始的敏感性。在连续通道中滑移更多的地方,位错堆积数量更多,对晶界的应力作用更大。那些诱导晶界跨越或晶界内滑移的通道能够缓解局部应力,因此表现出较低的裂纹敏感性。不连续通道-晶界交点是高应力区域的观察结果,这一发现得到了透射电子显微镜中辐照钢原位变形实验和位错-晶界相互作用原子模拟的支持,后者显示无法转移应力的通道发生了开裂。
Acknowledgements 致谢
作者感谢亚历山大·弗里克在密歇根大学辐照材料测试实验室进行恒定伸长率拉伸试验时的协助,以及密歇根离子束实验室的员工、奥维迪乌·托德和法比安·纳布在执行质子辐照时的帮助。电子显微镜分析在阿贡国家实验室的电子显微镜中心完成(该中心是美国能源部科学办公室运营的实验室,由芝加哥阿贡公司,有限合伙公司根据合同号 DE-AC02-06CH11357 运营)。作者也感谢国家科学基金会创新研究计划的支持。作者感谢弗吉尼亚理工大学的先进研究计算中心提供了计算资源和技术支持,这些资源有助于本论文报告的结果。URL: http://www.arc.vt.edu。研究(实验工作由麦克马特里、瓦斯、罗伯特森和崔完成,计算工作由法尔卡斯完成)由美国能源部,基础能源科学办公室,材料科学与工程部门在 DE-FG02-08ER46525 奖项下支持。
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近年来,针对(离子辐照)奥氏体不锈钢的应力腐蚀开裂(IGSCC)进行了大量研究,主要是在远高于屈服应力的外加应力条件下。研究表明(例如参见[38]),导致晶粒尺度应变局部化的位错通道(或清晰带)可能是控制辐照不锈钢 IGSCC 的一个因素。本研究使用的本构方程不显示晶粒尺度应变局部化后的不稳定性,因此本研究提出的结果和方法在应用于高度应变材料时可能会存在局限性。
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