10×1019 cm-2快中子輻照國產A508-3鋼材料的小沖桿試驗研究

王成龍，白 冰，張長義，佟振峰，鐘巍華，徐 帥，趙迎超，寧廣勝，楊 文

(中國原子能科學研究院 反應堆工程技術研究部，北京 102413)

小沖桿(SP)試驗是一種測定材料韌脆性質的試驗技術[1-4]。該試驗技術是在20世紀80年代由Baik等[1]提出的，起初主要用于研究受輻照材料斷裂性能與服役溫度和受照劑量之間的關系。由于其所需測試樣品體積小，例如典型樣品直徑為3 mm，厚度為0.25 mm[5-6]，由此帶來的感生放射性小，節約實驗堆的輻照空間，使用普通的試驗機及簡單的附加裝置即可完成材料性能測試等優點，使其在核材料力學性能測試領域得到了一定的應用。

本文設計加工一套SP試驗裝置，并利用該套裝置獲得注量為10×1019cm-2(E≥1 MeV)快中子輻照的國產A508-3鋼材料的SP特征值與標準拉伸試驗和夏比沖擊試驗之間的關系。

1 試驗原理及裝置

傳統試驗裝置主要采用試驗機橫梁等間接方式來測量樣品的變形，會引入較大的誤差，本文結合該裝置在核測試領域應用的特點以及提高裝置測試精度的要求設計了一套SP試驗裝置[7]，建立了針對放射性樣品從制備到測試過程的方法。

圖1 SP裝置原理圖Fig.1 SP device schematic

本套SP測試裝置設計實現了對SP樣品變形的直接測量，如圖1a所示，樣品由上下夾塊夾持，樣品的下表面是小球和沖桿，樣品的上表面是位移桿和光柵尺。試驗過程如圖1b所示，由試驗機向沖桿施加載荷后，沖桿擠壓小球，隨后小球擠壓樣品下表面，使樣品發生變形，樣品上表面的變形由位移桿傳遞給光柵尺進行樣品變形d的測量，由于在試驗過程中，位移桿和光柵尺不受力，自身不發生變形，盡管小球、沖桿和試驗機會發生一定的變形，但這部分變形不在光柵尺的測量范圍之內，有效提高了試驗測量的精度。

使用厚度為(0.30±0.01) mm的2個樣品來測試試驗裝置的重復性。在室溫、沖壓速度為0.2 mm/min條件下進行測試，同時記錄載荷-橫梁位移曲線和載荷-光柵尺曲線，測試結果如圖2所示。可看到，無論是采用直接方法測得的載荷-光柵尺曲線或是用間接方法測得的載荷-橫梁位移曲線，2條曲線基本重合，表明試驗裝置具有可靠的重復性。同時可看到，利用直接方法與間接方法，在試驗結束時，橫梁與光柵尺測得的位移差為0.29 mm，而球與位移桿之間的樣品厚度僅為0.16 mm，由此可看出在整個試驗過程中由沖桿與試驗機等相連部分受力后產生形變引入的誤差為0.13 mm，占光柵尺測量得到的位移的14%，由此看出采用橫梁位移進行試驗會引入較大的試驗誤差。

圖2 兩樣品的SP載荷-位移曲線Fig.2 SP test load-displacement curves for two samples

本套試驗裝置操作簡便，例如室溫樣品更換的時間僅為90 s，高低溫時樣品更換的時間約為150 s，大幅減少試驗人員的受照劑量。溫度傳感器測溫點距樣品僅4 mm左右，有效提高了控溫精度，控溫范圍為(-140±1)～(200±1) ℃。

2 試驗材料和步驟

本文選取的試驗材料是在中國原子能科學研究院輕水反應堆輻照的國產壓力容器A508-3鋼材料沖擊試樣斷頭，快中子注量為10×1019cm-2(E≥1 MeV)。樣品為φ3 mm×0.3 mm的小圓片。

試驗時，首先將帶有放射性的沖擊斷頭利用機械手在熱室中使用熱熔劑粘于樣品臺上，再將樣品臺固定于專門設計的金剛石線切割機底座上，使用線切割機對沖擊斷頭進行切割，獲得尺寸為27.5 mm×10 mm×0.4 mm的片狀樣品。

將獲得的片狀樣品使用自動磨樣機將樣品厚度(t0)從0.4 mm磨制為0.3 mm，隨后利用孔徑為φ3 mm的沖孔機將樣品沖壓成φ3 mm×0.3 mm的小圓片試樣。

試驗樣品準備完畢后，測量樣品厚度，隨后裝入試驗裝置中進行控溫。本文試驗溫度為：室溫、-20 ℃、-50～-100 ℃(間隔10 ℃)和-140 ℃，沖壓速度為0.2 mm/min，試驗過程中試驗機自動記錄載荷-位移(由光柵尺測量)曲線，試驗完成后計算屈服、抗拉特征值和斷裂能，并與標準未輻照試驗進行擬合，獲得SP屈服、抗拉特征值與標準拉伸試驗屈服、抗拉強度，SP韌脆轉變溫度與夏比沖擊韌脆轉變溫度之間的關系式。

3 試驗結果分析與討論

圖3 不同溫度下樣品的載荷-位移曲線Fig.3 Load-displacement curve of sample at different temperatures

在不同試驗溫度下，由SP試驗獲得的累計快中子注量為10×1019cm-2(E≥1 MeV)的國產A508-3鋼樣品的載荷-位移曲線如圖3所示。從圖3可看出，隨著試驗溫度的降低，在相同位移處，試驗所需載荷逐漸增大。

3.1 SP特征值與標準拉伸試驗強度關系建立

圖4 SP屈服、抗拉特征值與溫度的關系Fig.4 Relationship between SP yield and tensile characteristic values with temperature

圖5 標準拉伸屈服與抗拉強度隨溫度的關系Fig.5 Standard tensile yield and tensile strength as a function of temperature

圖6 SP特征值與標準強度之間的關系Fig.6 Relationship between characteristic value of small punch and standard strength

半經驗公式[8-9]進行線性擬合：

(1)

(2)

式中，α、β為擬合參數。

(3)

(4)

3.2 SP韌脆轉變溫度與標準夏比沖擊韌脆轉變溫度關系建立

對于Tsp(SP韌脆轉變溫度)與TCVN(沖擊韌脆轉變溫度)的關系，國際上進行了大量的研究，其中一種分子動力模型理論研究結果認為Tsp與TCVN存在線性關系[10-11]，關系式可表示為：

TCVN=δTSP+γ

(5)

式中，δ和γ為常數。對于δ的數值，Kameda等[11]進行了擬合研究，得出其經驗值為2.5，該值在之后的研究中得到了廣泛的認可和引用，因此，SP的通用轉換經驗公式可表示為：

TCVN=2.5TSP+γ

(6)

前期工作中測得的國產A508-3鋼材料的標準夏比沖擊轉變溫度TCVN為-52 ℃[12]。圖7為SP斷裂能-溫度曲線，得到SP韌脆轉變溫度為-94 ℃。

圖7 SP斷裂能-溫度曲線Fig.7 SP fracture energy-temperature curve

根據標準夏比沖擊韌脆轉變溫度和SP韌脆轉變溫度計算得到：

TCVN=2.5TSP+183

(7)

4 結論

本文通過對小沖桿測試技術的研究及裝置的改進設計加工，使用注量為10×1019cm-2(E≥1 MeV)的快中子輻照國產A508-3鋼材料開展了小沖桿試驗，并得出以下結論。

1) 本文設計的采用光柵尺直接測量樣品變形的小沖桿測試裝置的精度較傳統裝置有明顯提高。

3) 夏比沖擊韌脆轉變溫度與小沖桿轉變溫度之間的關系式為TCVN=2.5TSP+183。