Page 24 - 《爆炸与冲击》2026年第10期

第 46 卷 叶想平，等： 辐照-预应力和冲击耦合作用下金属硬化和脆化规律与微观机理实验研究进展 第 10 期

金属硬化与脆化行为的量化等效评估方法还没 Low neutron flux rate
有建立，导致基于不同剂量率辐照的实验研究结 High neutron flux rate
果无法准确等效评估目标反应堆实际工况剂量
率条件下的硬化和脆化行为。但伴随现有反应 Increase in yield strength
堆延寿和第 4 代反应堆和聚变堆的研发等，更准 Hardening platform
确地基于加速辐照实验等效评估反应堆真实服 Platform fluence
役工况条件下结构金属的硬化和脆化规律是进 O 1/2
一步保障反应堆安全和提高其服役寿命（经济效 Fluence
益）的关键。然而，不同辐照粒子源引起的辐照 图 8 中子注量率对低铜反应堆压力容器钢屈服
强度的影响规律 [111]
剂量率差异对金属硬化和脆化行为的影响研究
Fig. 8 Effect of neutron flux rate on yield strength of
才刚起步，后续需对不同剂量率辐照导致金属硬
low copper RPV (reactor pressure vessel) steel [111]
化和脆化的规律和机理以及剂量率等效评估方
法进行深入研究。

2 预应力和辐照耦合对金属硬化和脆化行为的影响

反应堆内存在大量结构件（压力容器、燃料包壳和承压管路等）在预应力条件下服役，预应力在辐照
过程中能够显著改变材料的力学行为 [12,14-15] 。但辐照预应力样品制备和后续实验研究难度大，导致对预
应力辐照金属力学性能变化规律与机理的研究 [21,26] 很少。

2017 年，Xu 等 [26] 设计了一种采用弹簧对样
280
品提供预拉伸应力的装置，并研究了单轴预拉伸
应力 50%σ （σ 0. 2 为材料准静态屈服强度）中子 210
0.2
辐照不锈钢的准静态拉伸性能。零应力条件下， Engineering stress/MPa 140 Irradiation with stress of 50%σ 0.2-steel
中子辐照不锈钢的屈服强度和极限拉伸强度相 Irradiation without stress
较于未辐照样品均提高了 200% 左右，均匀延伸 70 Unirradiation
率降低约 50%；但是，为尽可能降低中子辐照不
锈钢活化引起的放射性安全问题，实验中子剂量 0 0.03 0.06 0.09 0.12
仅为 5.2×10 dpa（预拉伸应力条件下的中子辐 Engineering strain
−4
照时间很短），导致预拉伸应力对不锈钢拉伸性 图 9 辐照不锈钢应力-应变曲线 [26]
能的影响很小，如图 9 [26] 所示。尽管 Xu 等 [26] 当 Fig. 9 Engineering stress-strain curves of irradiated
时的结论是预拉伸应力对中子辐照不锈钢拉伸 stainless steel [26]
性能的影响未能识别，但详细分析图 9 的实验数据可以看出，预拉伸应力已经表现出一定程度延缓不锈
钢辐照硬化和脆化的特性。
Ye 等 [21] 采用类似的弹簧预拉伸应力工装，研究了反应堆中子辐照预拉伸应力退火态高纯铝的准静
态拉伸性能及其微观机理。结果表明，预拉伸应力中子辐照高纯铝依旧表现出典型的辐照硬化和脆化
效应，如图 10(a) [21] 所示，图中 0.03 dpa-10%σ 0. 2 表示样品中子剂量为 0.03 dpa，辐照时的预拉伸应力为
10%σ （σ 0. 2 为未辐照高纯铝的准静态拉伸屈服强度），其他以此类推。相同辐照剂量（由于不同批次的
0.2
反应堆中子辐照样品的剂量很难严格统一，此处的相同剂量指相近辐照剂量，而不是严格意义上完全相
同的辐照剂量）条件下，预拉伸应力降低高纯铝屈服强度和极限拉伸强度，但提高均匀延伸率，表现出预
拉伸应力延缓高纯铝辐照硬化和脆化的特性；与此同时，预拉伸应力还表现出不影响辐照高纯铝失稳应
力的特性，即退火态高纯铝的失稳应力不仅与辐照剂量无关，也与预拉伸应力无关，如图 10(b) [21] 所示
（图中 YS (yield strength)、UTS (ultimate tensile strength) 和 σ (plastic instability stress) 分别为屈服强度、
PIS
极限拉伸强度和塑性失稳应力）。TEM 分析结果显示，孔洞是中子辐照高纯铝中最主要的缺陷类型，且

101101-8