岳天宇，溫東旭，李建軍，鄭志鎮(zhèn)

（華中科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074）

核能作為一種高效、清潔的能源已受到世界各國的高度重視和大力發(fā)展。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2018年全球核發(fā)電量達(dá)到2563 TWh[1]。在核能的應(yīng)用中，蒸汽發(fā)生器傳熱管材料的選擇非常重要[2]。20世紀(jì)70年代之前，國際上廣泛使用600合金作為蒸汽發(fā)生器傳熱管的制造材料，但在長時(shí)間的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)600合金易發(fā)生腐蝕開裂，嚴(yán)重影響核電站的安全運(yùn)行。在600合金的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高鉻含量，開發(fā)出了在各種水環(huán)境中抗腐蝕性能優(yōu)異的690合金，目前已經(jīng)成為核電站新一代蒸汽發(fā)生器的主要用材。

文中詳細(xì)介紹了690合金的合金元素、微觀組織演化、熱成形特性、高溫失塑裂紋、耐應(yīng)力腐蝕性能等方面的研究現(xiàn)狀。同時(shí)，對(duì)研究熱點(diǎn)和尚無定論的研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了總結(jié)，為今后更好地應(yīng)用690合金提供了參考和建議。

1 合金元素研究

690合金的基體是γ奧氏體，能夠固溶大量合金元素。這些合金元素可通過減少堆垛層錯(cuò)能的方式來阻礙位錯(cuò)的移動(dòng)，進(jìn)而達(dá)到固溶強(qiáng)化的目的，其主要元素是Ni，Cr，F(xiàn)e，C，微量元素包括Nb，Mn，B，Mo，Ti，S，P，N等。這些元素對(duì)合金的力學(xué)性能和耐腐蝕性能有很大影響。

C元素。C元素有助于細(xì)化晶粒[3—4]，這是因?yàn)楦咛己繒?huì)使合金中出現(xiàn)較多的未溶一次碳化物，這些碳化物一方面在再結(jié)晶形核階段更易誘導(dǎo)形核，同時(shí)降低界面自由能，降低晶界遷移的驅(qū)動(dòng)力，從而抑制晶粒長大，另一方面也起到對(duì)晶界的釘扎作用，減小了晶粒尺寸。碳含量過高會(huì)導(dǎo)致大量富鉻碳化物析出[5]，降低Cr含量，不利于合金的耐腐蝕性能。

Nb元素。Nb元素可以與C元素形成碳化物，改善晶界形貌，增加熔敷金屬塑性，降低高溫失塑裂紋敏感性[6]。過多的Nb元素會(huì)增加焊件凝固裂紋的敏感性，然而，研究人員發(fā)現(xiàn)由Nb元素和Ni元素形成的低熔點(diǎn)共晶相將在凝固過程中回填裂紋，減少裂紋的發(fā)生[7—8]。

Mo元素。Mo元素和Nb元素具有協(xié)同作用，Mo元素可以提高焊件中共晶相對(duì)晶界的潤濕性，促進(jìn)共晶相對(duì)裂紋的回填效果，降低焊件熱裂紋敏感性[8]。

Mn元素。Mn元素可以增加690合金堆焊件的塑性，提高其抗裂性[9]。

Ti元素。Ti元素可以與C元素形成碳化物，釘扎晶界，提高合金的抗開裂性能。此外，Ti會(huì)使焊縫組織從柱狀晶變?yōu)榈容S晶，并減小一次枝晶臂間距，提高焊縫的強(qiáng)度，但690合金焊絲中高含量的Ti會(huì)降低焊池的流動(dòng)性，不利于合金的焊接加工[10]。

B元素。B元素有助于細(xì)化晶粒[11]，但是，B元素在焊接過程中會(huì)形成大且連續(xù)的晶間硼化物，降低拉伸強(qiáng)度[12]。

N元素。N元素可以減少析出相數(shù)量并使其分布變得彌散，提高合金的耐腐蝕性能[13]，但含量過高也會(huì)形成大量的氮化物夾雜物，不利于合金的力學(xué)性能。

S，P元素。S元素和P元素會(huì)偏析在晶界，降低晶界處化學(xué)鍵的電子密度，導(dǎo)致晶界變脆并降低690合金的塑性和強(qiáng)度[14]。

綜上所述，合金元素對(duì)于690合金的應(yīng)用性能有著極大的影響，但部分元素的影響規(guī)律仍未完全探明，但可以肯定的是，每種元素都有一個(gè)合理的含量范圍。后續(xù)的研究應(yīng)進(jìn)一步確定各元素的含量范圍。

2 微觀組織演化研究

合金在加工和應(yīng)用過程中，發(fā)生的微觀組織演化主要是第二相的析出和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程，這些演化對(duì)合金的應(yīng)用性能有很大的影響。研究人員對(duì)690合金的析出相和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程進(jìn)行了廣泛的研究，以便于能夠更好地發(fā)揮690合金的優(yōu)異性能。

2.1 析出相研究

690合金的合金化程度很高，在加工與應(yīng)用中會(huì)析出一些第二相，其常見的析出相是富鉻的M23C6。M23C6的形態(tài)和析出位置對(duì)690合金的力學(xué)性能和耐腐蝕性能有很大影響。近些年，研究人員對(duì)其特征和影響因素做了廣泛研究。

2.1.1 M23C6特征

M23C6具有面心立方結(jié)構(gòu)，其晶格常數(shù)為1.06 nm，是奧氏體基體的3倍，且與奧氏體基體具有立方-立方取向關(guān)系[15]。在析出位置方面，一些研究者認(rèn)為M23C6是在晶界處于高指數(shù)面的一側(cè)晶粒中析出，但為了降低總自由能，其與基體的界面會(huì)變得平直，并處于低指數(shù)面上[16]。M23C6的生長機(jī)理取決于析出位置。在非共格界面上，M23C6從基體相轉(zhuǎn)變，而在共格界面上，則是從過渡相轉(zhuǎn)變的，過渡相具有六方晶體結(jié)構(gòu)，并且與基體和M23C6具有共格取向關(guān)系[17]。

2.1.2 M23C6析出行為影響因素

在化學(xué)元素組成方面，M23C6的主要組成元素為Cr和C，顯而易見的是當(dāng)這兩種合金元素含量較高時(shí)，析出的M23C6會(huì)變得更加粗大，且分布得更加連續(xù)。作為690合金中的主要元素之一的Fe，其含量并不會(huì)影響M23C6的析出行為[18]。

在工藝方面，M23C6的析出行為主要受熱處理工藝的影響。通過固溶退火處理，M23C6會(huì)溶解回奧氏體基體中，而再通過時(shí)效熱處理，可以使M23C6重新在晶界上析出，因此，通過控制時(shí)效熱處理的溫度和時(shí)間，可以控制M23C6的形貌和位置分布。隨著時(shí)效時(shí)間的延長和溫度的升高，M23C6將變得粗大，其間距也將變大[19—20]。Kai等[21]通過一系列的熱處理實(shí)驗(yàn)，得到了如表1所示的碳化物尺寸和分布隨熱處理溫度和持續(xù)時(shí)間的變化情況。此外，通過繪制如圖1所示的690合金時(shí)間-溫度-析出曲線，可以發(fā)現(xiàn)M23C6析出的最佳條件是中等溫度[22]。

表1 不同熱處理溫度下，Inconel 690合金中碳化物形態(tài)隨時(shí)間變化情況[21]Tab.1 Carbide morphology of Inconel 690 after various heat treatments h

圖1 碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.013%的690合金管的時(shí)間-溫度-沉淀曲線[22]Fig.1 Time-temperature-precipitation curve of alloy 690 tubes for carbon content of 0.013%

在晶界特征方面，M23C6的析出行為受晶界能的控制，其尺寸隨所在晶界的晶界能的增大而增大，即隨著晶界取向差的增加而增大[23]，因此，能夠改變晶界能的工藝都會(huì)影響M23C6的析出行為。例如LI Hui等[24]發(fā)現(xiàn)，對(duì)690合金施加預(yù)應(yīng)變會(huì)導(dǎo)致位錯(cuò)堆積在晶界上，增加晶界能量，從而增大析出的M23C6的尺寸。此外，在三晶交界處，相鄰晶界的晶界能（即晶界的Σ值）也會(huì)影響晶界上M23C6的析出行為，如圖2所示，當(dāng)相鄰晶界的Σ值較高時(shí)，與之相鄰的另一晶界上析出的M23C6尺寸就較大[25—26]。

圖2 相鄰晶界特征對(duì)另一晶界上析出的碳化物形貌的影響示意圖[23]Fig.2 Schematic illustration of effects of nearby grain boundary characters on carbide precipitation on other grain boundary

2.2 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為研究

690合金在加工制造過程中會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶（Dynamic recrystallization，DRX）。690合金的最終微觀結(jié)構(gòu)和應(yīng)用性能很大程度上取決于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程。

2.2.1 機(jī)制

690合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的主要機(jī)制是原始晶界凸起成核的不連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶機(jī)制（Discontinuous dynamic recrystallization，DDRX），而由新晶粒通過亞晶逐漸轉(zhuǎn)動(dòng)而形成的連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶機(jī)制（Continuous dynamic recrystallization，CDRX）則起輔助作用[27]。連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶機(jī)制的輔助作用與應(yīng)變速率有關(guān)。通常情況下，如果晶界屬于中等角度晶界（晶界取向差在10°～15°之間），則會(huì)發(fā)生連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。SHI Zhao-xia等[28]通過中等角度晶界的數(shù)量來反映連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶機(jī)制起到的作用，發(fā)現(xiàn)當(dāng)應(yīng)變速率較小時(shí)（＜0.1 s-1），連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶機(jī)制的作用隨應(yīng)變率的增加而增強(qiáng)，而當(dāng)應(yīng)變率較高時(shí)（＞0.1 s-1），連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶機(jī)制的作用則隨應(yīng)變率的增加而減弱。

2.2.2 影響因素與建模

動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程主要受加工工藝和微觀組織兩個(gè)因素的影響。在加工工藝方面，溫度的升高會(huì)增大動(dòng)態(tài)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸，這是因?yàn)闇囟鹊纳邥?huì)增加晶界的遷移能力，從而增加動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的成核速率和生長速率[29]。應(yīng)變速率對(duì)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程的影響則比較復(fù)雜，這是因?yàn)閼?yīng)變速率決定了高溫變形的時(shí)間，對(duì)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的晶粒尺寸而言，溫度升高的促進(jìn)作用和應(yīng)變速率增加的抑制作用存在競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制[30]。

在微觀組織方面，細(xì)小的初始晶粒尺寸有利于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生，其原因在于合金熱成形過程的流變應(yīng)力會(huì)隨著晶粒尺寸的減小而降低，這使合金在低應(yīng)變條件下就能夠發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶[31]。合金元素和析出相也會(huì)影響動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程。當(dāng)合金元素偏析在晶界上時(shí)，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶成核速率增加[32]。析出相可以釘扎晶界，阻礙晶界滑移，抑制動(dòng)態(tài)再結(jié)晶后的晶粒長大[33]。

動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程影響著690合金的應(yīng)用性能，有必要對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)?？梢酝ㄟ^Avrami方程建立動(dòng)態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)模型[29]，還可以通過繪制熱加工圖確定有利于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的加工參數(shù)[33]。此外，GALINDO-NAVA E I等[34]提出了一種新模型，該模型可以計(jì)算出晶粒尺寸和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)隨應(yīng)變的分布函數(shù)，并描述析出相對(duì)晶粒長大的影響?？梢园l(fā)現(xiàn)，690合金在不同變形條件下的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶機(jī)制非常復(fù)雜，影響因素也很多。如何準(zhǔn)確預(yù)測(cè)加工過程中的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶變化將會(huì)是未來690合金的研究熱點(diǎn)。

3 熱成形研究

3.1 特性

熱成形是制造690合金傳熱管的重要步驟，許多研究人員已經(jīng)研究了690合金的熱成形特性。普遍認(rèn)為，在熱成形過程中，690合金的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有圖3所示的形狀[29]。

圖3 690合金在應(yīng)變速率為0.1 s-1，真應(yīng)變?yōu)?.7時(shí)的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線[29]Fig.3 True stress-strain curves of alloy 690 deformed to a true strain of 0.7 with strain rate of 0.1 s-1

由圖3可知，690合金的高溫變形行為分為兩個(gè)階段。在初始階段，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而增加到最大值，隨后應(yīng)力保持穩(wěn)定或隨應(yīng)變的增加而略有減小。這表明，在高溫變形過程中會(huì)發(fā)生加工硬化和動(dòng)態(tài)軟化。最終，應(yīng)力趨于穩(wěn)定是這兩個(gè)過程之間競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。

3.2 影響因素

在加工工藝參數(shù)方面，溫度的降低和應(yīng)變速率的增加會(huì)增大熱成形中的應(yīng)力峰值[33,35]。這是因?yàn)槲诲e(cuò)密度會(huì)隨著應(yīng)變率的增加和溫度的降低而增大，同時(shí)僅在室溫下觀察到孿晶的存在，且隨著應(yīng)變速率的增加，孿晶數(shù)量增多且排列得更加均勻。這表明了溫度的降低和應(yīng)變速率的增加會(huì)增大熱成形中的加工硬化效應(yīng)[35]。

在微觀組織方面，較小的初始晶粒尺寸會(huì)降低熱成形抗力，其原因在于與粗大的晶粒相比，細(xì)小晶粒提供了更多晶界，從而為熱成形的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程提供了更多的成核位置[31]。另外，等軸枝晶樣品在熱成形后具有最大的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶組織比例，有利于提高690合金的熱成形性能[36]。

在化學(xué)成分方面，大多數(shù)合金元素會(huì)增加活化能，加劇晶格畸變的程度，增加應(yīng)力，但Al的原子半徑小于Ni的原子半徑，這會(huì)導(dǎo)致晶格松弛，降低加工硬化水平[37]。此外，合金元素還能通過降低堆垛層錯(cuò)能來影響熱成形過程[38]。V和Co在0～1173 K的溫度范圍內(nèi)會(huì)降低堆垛層錯(cuò)能，而Hf，Mo，Nb，Ti，Ta僅在0～973 K的溫度范圍內(nèi)降低堆垛層錯(cuò)能。

3.3 本構(gòu)模型

為了生產(chǎn)出合格的690合金零部件，有必要對(duì)合金熱變形過程進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。目前主要是通過有限元方法來對(duì)熱成形過程的加工參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬預(yù)測(cè)，而建立表征材料變形過程中特征動(dòng)態(tài)響應(yīng)的本構(gòu)模型是進(jìn)行數(shù)值模擬的前提條件。通常采用雙曲正弦型的Arrhenius本構(gòu)方程來對(duì)變形應(yīng)力進(jìn)行預(yù)測(cè)：

式中：ε˙是應(yīng)變速率；σ是應(yīng)力；T是熱成形溫度；Q是活化能；R是氣體常數(shù)（8.314 J/(mol·K)）；A，α，n是材料常數(shù)。

考慮到熱成形的影響因素，研究人員對(duì)上述本構(gòu)方程進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，比如加入化學(xué)成分含量[37]、初始晶粒尺寸[39]等參數(shù)。此外，并非總是可以使用Arrhenius本構(gòu)方程來預(yù)測(cè)熱變形的過程，LEE Woei-shyan等[35]發(fā)現(xiàn)，在較高的應(yīng)變速率下，690合金的熱成形特性與較低應(yīng)變速率下是不同的，他們使用Zerilli-Armstrong模型建立了高應(yīng)變率時(shí)的本構(gòu)關(guān)系，可以很好地描述690合金的流動(dòng)行為，還可以通過繪制熱加工圖的方式來確定適合加工的參數(shù)區(qū)域[33]。SUN Chan-yang等[40]對(duì)熱加工圖進(jìn)行了改進(jìn)，將其與有限元模擬和解析方法相結(jié)合，通過有限元模擬獲得了擠壓力極限曲線和溫度極限曲線，使用解析方程將熱加工圖中的合理加工區(qū)域邊界轉(zhuǎn)換為高功耗效率極限曲線，繪制了690合金管材的擠壓極限圖。后續(xù)熱成形的研究應(yīng)關(guān)注影響因素和準(zhǔn)確預(yù)測(cè)兩個(gè)方面，以便生產(chǎn)出具有優(yōu)異性能的690合金傳熱管。

4 高溫失塑裂紋研究

焊接是核電設(shè)備制造過程中重要的熱加工工藝。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，690合金及其配套焊接材料的熱裂紋傾向較大。高溫失塑裂紋（Ductility-dip cracking，DDC）是危害較大的熱裂紋，它是一種顯微裂紋，發(fā)生的溫度低于固相線，會(huì)造成合金塑性的突然降低，難以通過一般的檢測(cè)方法檢測(cè)到。近些年，研究人員對(duì)高溫失塑裂紋進(jìn)行了大量的研究。

4.1 形成機(jī)理

目前，高溫失塑裂紋的形成機(jī)理仍未完全探明，研究人員對(duì)其進(jìn)行了總結(jié)[41]，主要有以下3種假說。

1）晶界滑移機(jī)制[42]。研究人員發(fā)現(xiàn)高溫失塑裂紋常常出現(xiàn)在滑移的晶界上。晶界的滑移會(huì)導(dǎo)致在三晶交界處產(chǎn)生大量的應(yīng)力集中，應(yīng)力集中到一定值時(shí)就會(huì)產(chǎn)生高溫失塑裂紋。

2）雜質(zhì)元素偏析機(jī)制[14,43]。雜質(zhì)元素S和P的偏析會(huì)降低晶界處化學(xué)鍵的電子密度，從而降低晶界強(qiáng)度，導(dǎo)致晶界脆化，產(chǎn)生高溫失塑裂紋。

3）M23C6析出誘導(dǎo)機(jī)制[44]。M23C6與基體間因部分共格關(guān)系以及晶格常數(shù)差異產(chǎn)生錯(cuò)配度，導(dǎo)致M23C6兩端產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而形成高溫失塑裂紋。但M23C6也可能釘扎晶界，減少晶界滑移，因此這種機(jī)制還需深入研究。

這些假說主要集中在應(yīng)力集中和晶界強(qiáng)度降低兩個(gè)方面，導(dǎo)致應(yīng)力集中和晶界強(qiáng)度降低的原因有很多，因此后續(xù)對(duì)于高溫失塑裂紋形成機(jī)理的研究應(yīng)綜合考慮各方面的影響。

4.2 影響因素

高溫失塑裂紋的影響因素可分為兩類，即冶金因素和工藝因素。冶金因素包括化學(xué)成分和微觀組織，工藝因素則包括溫度、應(yīng)變速率和焊接工藝等因素。

在冶金因素方面，化學(xué)成分起著重要作用，因?yàn)樗鼤?huì)影響晶界特征以及析出相的類型、數(shù)量和分布。S會(huì)讓晶界變脆，增加高溫失塑裂紋敏感性[45—46]。在焊接過程中，B會(huì)在晶界生成大且連續(xù)的硼化物，進(jìn)而誘導(dǎo)形成高溫失塑裂紋[12]。Nb可以與C形成晶間碳化物，釘扎晶界，降低高溫失塑裂紋敏感性[47]。Nb和Mo可以細(xì)化焊縫晶粒并增加隨機(jī)大角度晶界網(wǎng)絡(luò)的分形維數(shù)，提高高溫失塑裂紋抗力[48]。

晶界特征、織構(gòu)特征和第二相析出物的微觀組織也會(huì)影響高溫失塑裂紋的產(chǎn)生。WEI Xiao等[49]認(rèn)為高溫失塑裂紋的產(chǎn)生原因是大角度晶界處的應(yīng)變累積，所以高溫失塑裂紋敏感性會(huì)隨晶界取向差的增加而增加。黃銅型織構(gòu)在變形中易發(fā)生旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生晶格變形，進(jìn)而導(dǎo)致較大的應(yīng)變集中，表現(xiàn)出更高的高溫失塑裂紋敏感性[50]。析出相對(duì)高溫失塑裂紋具有雙重作用[42]：一方面，它們可以通過對(duì)晶界的釘扎作用阻礙晶界滑移，從而減少在三晶交界處的應(yīng)力集中；另一方面，這些析出相阻礙了晶界滑動(dòng)，因此在它們自身周圍也會(huì)累積應(yīng)力，這可能導(dǎo)致在析出相處形成微裂紋。更為直觀的示意圖如圖4所示。最終的作用取決于析出相的析出溫度、析出位置、數(shù)量和分布，后續(xù)的研究應(yīng)該從這些方面來進(jìn)行分類分析。

工藝因素通常是通過改變冶金因素來影響高溫失塑裂紋的產(chǎn)生。升高變形溫度以及降低應(yīng)變速率都會(huì)增加高溫失塑裂紋敏感性，這是因?yàn)殡S著變形溫度的升高，晶界滑移量增加，更容易產(chǎn)生裂紋，同時(shí)隨著應(yīng)變率的降低，合金將在高溫下停留較長時(shí)間。在這種情況下，大量的析出相回溶到基體中，從而減少了其對(duì)晶界的釘扎效應(yīng)[51]。優(yōu)化焊接方法可以降低高溫失塑裂紋敏感性。熱絲電弧焊具有較低的熱量輸入，冷卻速率快，抑制析出相長大，提高了焊件的高溫失塑裂紋抗力[49]。此外，超聲輔助焊接加工也可以減少高溫失塑裂紋的產(chǎn)生[52]。

圖4 晶間析出相對(duì)晶界滑移、應(yīng)力集中和空洞形成的影響[42]Fig.4 Influences of intergranular precipitates on grain boundary (GB) sliding,strain concentration and void formation

5 應(yīng)力腐蝕裂紋研究

690合金有著優(yōu)異的耐腐蝕性能，但由于其所替代的600合金的主要失效形式是應(yīng)力腐蝕裂紋（Stress corrosion cracking，SCC），因此關(guān)于690合金耐應(yīng)力腐蝕性能的研究仍然受到高度關(guān)注。

5.1 形成機(jī)理

探究690合金應(yīng)力腐蝕裂紋形成機(jī)理是延長核電設(shè)備使用壽命、確保核電站安全運(yùn)行的關(guān)鍵。近些年的研究發(fā)現(xiàn)，晶界遷移和晶間氧化是應(yīng)力腐蝕裂紋的重要前提條件[53—54]。應(yīng)力腐蝕裂紋的形成有3個(gè)階段，分別是氧化階段、孕育階段和形核階段[55—56]。

在氧化階段，Cr通過晶界擴(kuò)散到合金表面形成致密的Cr2O3保護(hù)層，引發(fā)晶界遷移；在孕育階段，Cr2O3保護(hù)層的破裂與修復(fù)的循環(huán)導(dǎo)致晶界上的Cr被耗盡，破裂的Cr2O3得不到修復(fù)，氧向內(nèi)部擴(kuò)散，發(fā)生晶間氧化，形成NiO和Cr2O3混合的晶間氧化物；在形核階段，兩種晶間氧化物之間的界面是無序的，鍵合強(qiáng)度較低，導(dǎo)致裂紋形核。以上3種階段更為直觀的示意圖如圖5所示。

圖5 在動(dòng)態(tài)應(yīng)變下模擬的壓水堆原始環(huán)境中，690合金的應(yīng)力腐蝕裂紋起始階段的示意圖[54]Fig.5 Schematics of the SCC initiation stages of alloy 690 in simulated PWR primary environment under dynamic straining

5.2 影響因素

690合金的應(yīng)力腐蝕裂紋主要受合金本身狀態(tài)和外部環(huán)境兩個(gè)因素的影響。合金本身狀態(tài)因素包括微觀組織、熱處理狀態(tài)和冷加工狀態(tài)等。TiN夾雜物能夠誘發(fā)沿晶應(yīng)力腐蝕開裂，這是因?yàn)槠渑c奧氏體基體間是非共格取向關(guān)系，易發(fā)生局部應(yīng)力集中[57]。析出相對(duì)于應(yīng)力腐蝕裂紋的影響較為復(fù)雜。一般認(rèn)為，析出相阻礙了裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展[58]；但一些研究結(jié)果表明，在冷加工的690合金中，析出相周圍局部應(yīng)力的增加會(huì)提高裂紋擴(kuò)展速率，其對(duì)應(yīng)力腐蝕開裂的影響應(yīng)取決于晶界表面相對(duì)于冷加工的方向[59]。冷加工會(huì)導(dǎo)致位錯(cuò)在晶界上塞積，造成位錯(cuò)密度和應(yīng)力的增大，從而增加裂紋的擴(kuò)展速率[60]。在熱處理方面，隨時(shí)效時(shí)間的增加，合金的耐應(yīng)力腐蝕性能降低，但隨著時(shí)效時(shí)間的進(jìn)一步延長，晶界處的貧Cr現(xiàn)象會(huì)得到一定的恢復(fù)，同時(shí)析出相也會(huì)由離散狀態(tài)變?yōu)檫B續(xù)分布，這將有利于耐腐蝕性能的恢復(fù)[61]。

外部環(huán)境因素主要包括加工工藝、溫度和水環(huán)境。690合金傳熱管制造過程中會(huì)涉及焊接工藝，有研究就指出，與冷絲鎢極氬弧焊工藝相比，熱絲鎢極氬弧焊工藝制備的690合金堆焊層耐腐蝕性能更好[62]。溫度的升高會(huì)增加合金表面鈍化膜的厚度和缺陷密度，從而降低合金的耐腐蝕性能[63]。在水環(huán)境方面，由于690合金傳熱管工作在核電站的一、二次回路中，回路中的循環(huán)水在高溫下大量蒸發(fā)，導(dǎo)致水中的雜質(zhì)元素逐漸沉積在管板的縫隙處，容易在局部造成應(yīng)力腐蝕裂紋。近些年，研究人員已經(jīng)對(duì)核電站循環(huán)水中的S，Cl，Pb等元素對(duì)690合金應(yīng)力腐蝕裂紋的影響開展了大量研究[64—66]，這些元素都會(huì)增加合金的應(yīng)力腐蝕裂紋敏感性；但向壓水堆一回路水中注入Zn元素可以在一定程度上減弱690合金的腐蝕[67—68]。

6 總結(jié)與展望

1）合金元素對(duì)690合金的微觀組織、力學(xué)性能和耐腐蝕性能有極大的影響。目前，部分元素的影響規(guī)律仍未完全探明，但可以肯定的是，每種元素都有一個(gè)合理的含量范圍。后續(xù)的研究應(yīng)進(jìn)一步確定各元素的含量范圍。

2）690合金中主要的析出相是富鉻的M23C6，其對(duì)合金的力學(xué)性能和耐腐蝕性能有著重要影響，特別是在高溫失塑裂紋和應(yīng)力腐蝕裂紋中，M23C6有著雙重作用。M23C6的形貌與分布主要取決于熱處理工藝，后續(xù)研究要對(duì)熱處理工藝進(jìn)行深入研究，來指導(dǎo)690合金零部件的生產(chǎn)與應(yīng)用。

3）690合金的高溫變形行為不僅受到變形溫度、應(yīng)變速率等成形工藝參數(shù)的影響，同時(shí)還受到初始晶粒尺寸等微觀組織特征方面的影響，其高溫變形行為的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)對(duì)提高合金零部件組織性能具有重要意義。

4）690合金應(yīng)用過程中高溫失塑裂紋形成機(jī)理、應(yīng)力腐蝕開裂機(jī)制等方面的研究對(duì)于合金零部件的安全服役至關(guān)重要，且目前尚無定論，未來需要對(duì)這些內(nèi)容進(jìn)行廣泛的研究。