奧氏體不銹鋼具有材料成本低、加工性好以及耐高溫水腐蝕等特點(diǎn)，被廣泛用于壓水反應(yīng)堆主回路各類部件的制造[1,2]。壓水堆主回路高溫水出口溫度約為325℃，反應(yīng)堆運(yùn)行期間也會(huì)嚴(yán)格控制高溫水中雜質(zhì)的含量，但不銹鋼等結(jié)構(gòu)材料在高溫水中暴露時(shí)依然會(huì)發(fā)生腐蝕。除了受到高溫水腐蝕之外，部件在服役過程中還會(huì)承受復(fù)雜的應(yīng)力，在堆芯中服役的構(gòu)件還會(huì)面臨強(qiáng)烈的中子輻照，因此主回路中材料服役環(huán)境惡劣。壓水堆堆芯的不銹鋼構(gòu)件在服役過程中會(huì)發(fā)生輻照促進(jìn)應(yīng)力腐蝕開裂[3]，其他不受中子輻照的奧氏體不銹鋼部件服役整體表現(xiàn)優(yōu)異[1,4]。然而在20世紀(jì)90年代以后，相關(guān)核電運(yùn)營(yíng)商，如法國(guó)電力集團(tuán)，在做例行檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)多個(gè)不受輻照的不銹鋼部件在服役過程中也發(fā)生了應(yīng)力腐蝕開裂[5~7]。美國(guó)電力研究所的研究人員對(duì)各國(guó)壓水堆核電站主回路不銹鋼部件中發(fā)生的137起應(yīng)力腐蝕開裂事件進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果顯示，約83%的應(yīng)力腐蝕開裂事件的發(fā)生是由部件附近區(qū)域水循環(huán)不暢，導(dǎo)致雜質(zhì)如Cl-、SO42-以及O的含量升高引起[8,9]。在其他水循環(huán)良好的區(qū)域，不銹鋼部件發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的主要原因是其發(fā)生了冷變形[7]。此后，相關(guān)實(shí)驗(yàn)室的結(jié)果[6,10~12]也進(jìn)一步證實(shí)，在水化學(xué)符合規(guī)范且循環(huán)良好的高溫水環(huán)境中，冷變形是壓水堆主回路中奧氏體不銹鋼發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的必要條件。

反應(yīng)堆部件上的冷變形多是在其制造過程中有意或無(wú)意引入的，有意引入冷變形主要是為了引入缺陷以提高材料強(qiáng)度[13]。而在反應(yīng)堆部件制造與裝配過程中，一些無(wú)法避免的制造工藝(焊接、切削加工等)則會(huì)無(wú)意間在部件的局部引入冷變形[4,14,15]。其中，焊縫熔池在凝固過程中會(huì)在其熱影響區(qū)引入冷變形與拉伸殘余應(yīng)力。相關(guān)研究[16,17]顯示，不銹鋼焊縫熱影響區(qū)冷變形的變形量為10%~20%。部件的切削加工及加工表面的后處理工藝，如磨拋、噴丸等，也總是會(huì)在部件表面引入冷變形[18]。表面是部件與高溫水接觸的最前沿，因此部件的切削加工及加工表面的后處理工藝都會(huì)對(duì)其腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂行為有重要影響[18,19]。相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果[6]也顯示，壓水堆核電站不銹鋼部件中的應(yīng)力腐蝕開裂多發(fā)生在部件表面硬度較高的區(qū)域。針對(duì)壓水堆高溫水環(huán)境中不銹鋼的應(yīng)力腐蝕開裂行為機(jī)制問題，相關(guān)核電制造商、核電站運(yùn)營(yíng)商和研究機(jī)構(gòu)在過去20余年間開展了大量的研究[20~27]。從2015年至今，以銑削這一典型的切削工藝為例，作者[15,28~33]在不銹鋼的加工表面狀態(tài)、在高溫水中的腐蝕與應(yīng)力腐蝕裂紋萌生以及加工表面狀態(tài)優(yōu)化等方面也開展了一系列有針對(duì)性的研究。

本文基于過去20年本領(lǐng)域的相關(guān)研究，綜述了典型表面加工制造工藝在奧氏體不銹鋼表面引入的變形區(qū)的組織性能特征、表面變形對(duì)不銹鋼在壓水堆主回路高溫水環(huán)境中的腐蝕及應(yīng)力腐蝕裂紋萌生行為影響的研究進(jìn)展。此外，指出了目前研究存在的一些問題、可能的解決辦法，并對(duì)其他亟待開展的研究做了展望。

切削加工是裝備制造中的一類重要加工工藝。切削過程中，刀具將坯料上多余的材料去除，從而獲得尺寸和表面粗糙度滿足要求的部件[34]。刀具在切除材料的同時(shí)，在部件上引入新的表面。然而，宏觀上相對(duì)平整的切削表面在微觀上總是粗糙不平的。切削表面的粗糙度主要取決于切削工藝參數(shù)、刀具磨損等因素[15,34]。研究結(jié)果[15,32]顯示，切削過程中材料的去除速率越快，表面粗糙度越大并且粗糙度的均勻性越差。刀具在去除材料、獲得新表面的同時(shí)，會(huì)在近表面區(qū)域引入塑性變形[15]。由于刀具的剪切作用以及與材料摩擦導(dǎo)致的升溫，切削加工也會(huì)在近表面變形區(qū)域引入殘余應(yīng)力[35]。

切削加工引入的塑性變形區(qū)的厚度主要取決于材料的強(qiáng)度和切削工藝[15,28,30]。對(duì)于奧氏體不銹鋼，切削加工引入的變形層的厚度一般在幾十到一兩百微米之間，而變形層在切削表面的深度方向通常具有梯度的顯微組織特征(圖1a[15])。前期工作[15,29,30,32,33]顯示，使用相近參數(shù)銑削的316L與304L不銹鋼的表面變形層深度在50~100 μm之間，而經(jīng)過低溫鍛造/軋制后的304L與316L不銹鋼的變形層深度為15~30 μm。低溫鍛造/軋制的不銹鋼變形層較薄的主要原因是，材料強(qiáng)度顯著升高(退火不銹鋼室溫屈服強(qiáng)度為200~300 MPa，低溫鍛造/軋制不銹鋼室溫屈服強(qiáng)度為500~700 MPa[15,31])，導(dǎo)致銑削加工過程中的阻力增大。

切削表面的正下方通常是一個(gè)厚度為幾微米的高度變形的納米晶/超細(xì)晶層(圖1a[15]和b[32])。細(xì)晶層下方區(qū)域顯微組織特征為變形孿晶、變形孿晶的交叉(圖1c[15]、圖1d[32]和圖1e[32])。而隨著與表面距離的增加，變形層顯微組織會(huì)由多個(gè)方向且發(fā)生彎曲的變形孿晶交叉逐漸演化為單個(gè)方向的變形孿晶，變形孿晶的密度也隨之逐漸減小(圖1a和c[15])。此外，奧氏體不銹鋼在變形過程中會(huì)有發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的傾向，但切削加工過程中材料的升溫會(huì)抑制馬氏體轉(zhuǎn)變。作者[32]在研究304L和316L不銹鋼的銑削加工變形層時(shí)未發(fā)現(xiàn)馬氏體。然而也有例外，如Zhang等[36]在車削加工304不銹鋼的變形層中發(fā)現(xiàn)了大量馬氏體。

切削加工變形層中的殘余應(yīng)力與材料強(qiáng)度、切削參數(shù)以及切削過程中的冷卻條件有關(guān)[15,24,37]，殘余應(yīng)力在加工表面的深度方向一般呈梯度分布。切削引起的劇烈塑性變形使材料的強(qiáng)度和硬度顯著提升，因此切削表面的殘余應(yīng)力有時(shí)會(huì)顯著高于基體材料的屈服強(qiáng)度[35]，但其會(huì)在深度方向急劇下降，從而與所在區(qū)域的強(qiáng)度相匹配。相關(guān)研究結(jié)果[37]顯示，退火316L不銹鋼經(jīng)過銑削后，其表面上的殘余應(yīng)力達(dá)到400~1000 MPa，且垂直進(jìn)刀方向的殘余應(yīng)力一般大于進(jìn)刀方向的殘余應(yīng)力。銑削加工在冷軋或溫鍛的不銹鋼上引入的殘余應(yīng)力通常低于在退火的不銹鋼上引入的殘余應(yīng)力[28,32]，這可能與加工變形層較薄有關(guān)。切削加工表面的拉伸殘余應(yīng)力在樣品的深度方向會(huì)逐漸降低、演化成壓縮殘余應(yīng)力，最后趨于無(wú)應(yīng)力，見圖2[38]。

在對(duì)銑削不銹鋼的變形層進(jìn)行顯微組織觀察時(shí)，發(fā)現(xiàn)其表層超細(xì)晶區(qū)與孿晶交叉區(qū)之間通常會(huì)存在一個(gè)明顯的界面(圖1a和c[15])。切削加工過程中，刀具與材料發(fā)生剪切作用會(huì)引起材料升溫。根據(jù)相關(guān)的模擬結(jié)果[39]，切削過程中變形層中的溫度呈梯度分布并呈指數(shù)下降。基于這些結(jié)果，作者認(rèn)為，切削引起的材料劇烈塑性變形和溫度升高共同作用誘發(fā)了近表面區(qū)域的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，在近表面區(qū)域形成了納米晶/超細(xì)晶層。然而，切削帶來的剪切作用不會(huì)在細(xì)晶層發(fā)生完全再結(jié)晶后就即刻停止。而之后引入的變形由于變形量較小，不足以再次誘發(fā)再結(jié)晶，最終被保留在晶粒內(nèi)部。超細(xì)晶/納米晶層下方區(qū)域材料硬度和強(qiáng)度升高，主要原因是這些區(qū)域發(fā)生了孿晶變形，一定程度上細(xì)化了晶粒。Zhang等[24]、Wang等[25]和Das等[40]在銑削316L不銹鋼上，以及Yan等[41]在車削304L不銹鋼上觀察到的結(jié)果也與作者的觀察基本一致。切削加工在不銹鋼表面引入塑性變形的同時(shí)也提高了變形層的強(qiáng)度，反映在變形層硬度顯著高于基體[32,41,42]。

除切削加工外，其他表面加工或加工表面后處理工藝，如機(jī)械磨拋[22]、砂紙磨拋[21,26,29,43,44]、機(jī)械噴丸、水噴丸[22,45]等都會(huì)在不銹鋼表面引入冷變形與殘余應(yīng)力，其中砂紙磨拋在不銹鋼表面引入的變形層的顯微組織如圖3[29,43]所示。然而，相對(duì)于切削加工，機(jī)械磨拋等工藝在不銹鋼表面引入的變形層的厚度通常較小，顯微組織也略有不同。作者[29]以及Iaffré等[43]的結(jié)果顯示，砂紙磨拋在不銹鋼表面引入的變形層的頂層具有納米晶結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸比切削加工引入的更細(xì)，但納米晶層的厚度只有幾百納米(圖3[29,43])。Ming等[45]的結(jié)果顯示，水噴丸在冷軋316L不銹鋼表面引入變形層的近表面區(qū)域的顯微組織為沿著表面拉長(zhǎng)的納米晶。然而，Kaneda等[22]則發(fā)現(xiàn)，水噴丸只會(huì)在退火不銹鋼的表面引入糾纏的位錯(cuò)，不會(huì)引入納米晶和變形孿晶。不同研究人員獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有所不同可能與具體使用的工藝不同有關(guān)。相比水噴丸，機(jī)械噴丸會(huì)在材料中引入與銑削加工相似的納米晶層和變形孿晶，同時(shí)變形層更厚[22]。水噴丸與機(jī)械噴丸都會(huì)在不銹鋼表面引入壓縮殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力大小受原材料的表面狀態(tài)和噴丸工藝影響。對(duì)于水噴丸工藝，噴丸前材料的表面硬度越高，則噴丸能引入的壓縮殘余應(yīng)力越大。這是因?yàn)椋牧现写嬖跉堄鄳?yīng)力的本質(zhì)是其局部區(qū)域存在彈性變形，強(qiáng)度/硬度高的材料中能夠存在比強(qiáng)度低的材料中更大的殘余應(yīng)力。相比銑削和機(jī)械噴丸，水噴丸不能引起材料的劇烈塑性變形和晶粒細(xì)化，因此水噴丸引入的壓縮殘余應(yīng)力的大小就受限于噴丸前材料的強(qiáng)度。

在空氣中，不銹鋼的表面會(huì)形成一層厚度為幾納米、能夠阻止材料與環(huán)境進(jìn)一步接觸和交互作用的致密鈍化膜，該鈍化膜的主要成分為斜方結(jié)構(gòu)的Cr2O3[46,47]。當(dāng)不銹鋼暴露在高溫水中之后，其在空氣中形成的表面鈍化膜就不能穩(wěn)定存在，而會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂屑饩Y(jié)構(gòu)的雙層氧化物[46]。不銹鋼在高溫水中暴露后形成的氧化物的典型形貌特征如圖4a和b[30]所示。不銹鋼在高溫水中形成的外層氧化物為含少量Ni的Fe3O4，形態(tài)上為離散的晶體且之間有空隙，因此不具有保護(hù)基體的功能(圖4a和b[30])。內(nèi)層為連續(xù)的富Cr、Fe的尖晶石結(jié)構(gòu)的氧化層，為多晶或納米晶且相對(duì)比較致密(圖4c和d[30])。不銹鋼在高溫水中形成的內(nèi)層氧化物能有效隔絕高溫水與基體材料，從而顯著降低其腐蝕速率[48]。根據(jù)Ziemniak和Hanson[48]建立的模型，不銹鋼在高溫水中的腐蝕速率在動(dòng)力學(xué)上服從拋物線規(guī)律。在高溫水環(huán)境中，有多種因素影響不銹鋼的腐蝕速率及其表面形成的氧化物的形貌特征，主要有：材料的成分(特別是Cr含量)[49,50]、水化學(xué)、材料的顯微組織特征[51]、承受的應(yīng)力狀態(tài)[30,51]、內(nèi)氧化層晶粒尺寸以及致密程度[48]等。

眾多研究[15,23,25,30,52]表明，在水化學(xué)符合規(guī)范的模擬壓水堆主回路高溫水中，無(wú)論是退火還是冷變形狀態(tài)的不銹鋼，其切削加工或機(jī)械磨拋表面的腐蝕速率都會(huì)明顯高于拋光表面。切削加工或其他表面處理引入的近表面變形會(huì)影響氧化物的形貌特征，但不會(huì)改變其晶體結(jié)構(gòu)。Ziemniak等[23]發(fā)現(xiàn)，通過電解拋光將304L不銹鋼的銑削加工變形層去除一部分之后，其在260℃高溫水中腐蝕速率降低30%以上。Ziemaniak等[23]認(rèn)為，電解拋光后不銹鋼腐蝕速率降低的主要原因是其去除了表面的不均勻變形層，使不銹鋼在高溫水中氧化更加均勻、形成的內(nèi)氧化層更加致密，最終降低了離子在內(nèi)氧化層中的傳輸速率。而Han等[52]以及Das等[40]的研究結(jié)果顯示，不銹鋼電解拋光過程中會(huì)在表面形成一層納米級(jí)的富Cr層，引入富Cr層被認(rèn)為是電解拋光降低不銹鋼在高溫水中腐蝕速率的另一個(gè)原因。

其他研究者[25,41]在研究銑削、車削表面以及拋光表面在高溫水中形成的氧化層形貌特征時(shí)也得到了類似的結(jié)果。不同工藝銑削的316L不銹鋼表面的變形層厚度與殘余應(yīng)力雖有差異，但銑削表面在高溫水中形成的外層氧化物的尺寸與密度、內(nèi)層氧化物的厚度都遠(yuǎn)高于退火316L不銹鋼的拋光表面(圖4a和b[30])，其中銑削表面的內(nèi)氧化層厚度比拋光表面高50%~60% (圖4c和d[30])。顯微組織觀察結(jié)果顯示，退火態(tài)316L不銹鋼表面形成的內(nèi)氧化層在靠近基體以及靠近外氧化層界面的區(qū)域有相對(duì)較多的孔洞(圖5a[30])。此外，其內(nèi)氧化層的選區(qū)電子衍射(SAED)花樣表現(xiàn)為不均勻的衍射環(huán)(圖5c[30])。利用(004)面衍射環(huán)的亮斑對(duì)內(nèi)氧化層進(jìn)行中心暗場(chǎng)成像時(shí)，發(fā)現(xiàn)在內(nèi)氧化層中存在一些擇優(yōu)生長(zhǎng)的柱狀晶粒(圖5b[30])。與拋光表面不同，銑削表面上形成的內(nèi)氧化層的晶粒為隨機(jī)取向的納米晶，內(nèi)氧化層的SAED花樣分布相對(duì)均勻(圖5d和e[30])。然而，在內(nèi)氧化層的整個(gè)深度方向，特別是靠近金屬基體和外氧化層的界面區(qū)域存在較多孔洞(圖5d[30])。此外，利用高角度環(huán)形暗場(chǎng)掃描透射電子顯微鏡(HAADF-STEM)觀察內(nèi)氧化層與基體界面區(qū)域時(shí)，還發(fā)現(xiàn)內(nèi)氧化層下方的超細(xì)晶區(qū)的晶界會(huì)被優(yōu)先氧化(圖5f[30])。基于這些結(jié)果，作者認(rèn)為銑削加工提高不銹鋼在高溫水中腐蝕速率的作用機(jī)制主要有2個(gè)：(1) 銑削加工在不銹鋼表面引入高度變形的納米晶顯微組織，促進(jìn)了Fe、Cr元素在高溫水中的氧化反應(yīng)；(2) 變形層中的納米晶氧化后形成的內(nèi)氧化層晶粒細(xì)小且多孔，促進(jìn)Fe2+和OH-在內(nèi)氧化層中的運(yùn)輸。

切削加工改變不銹鋼近表面區(qū)域的顯微組織，從電化學(xué)的角度來看，顯微組織的改變會(huì)改變材料的鈍化膜(內(nèi)氧化層)的形成過程以及膜的穩(wěn)定性。Das等[53]利用雙環(huán)電化學(xué)動(dòng)電位再活化實(shí)驗(yàn)、恒電位陽(yáng)極極化實(shí)驗(yàn)，研究了304L不銹鋼銑削加工變形層不同深度區(qū)域的鈍化膜穩(wěn)定性。此外，還基于電化學(xué)阻抗實(shí)驗(yàn)和Mott-Schottky模型計(jì)算了銑削表面超細(xì)晶層以及基體在硼酸鹽緩沖液中形成的鈍化膜的陽(yáng)離子空位密度。結(jié)果顯示，銑削加工表面的超細(xì)晶層、細(xì)晶層下方的變形孿晶層的再活化能要遠(yuǎn)高于基體材料，且再活化能在變形層深度方向逐漸降低。基于電化學(xué)阻抗實(shí)驗(yàn)以及Mott-Schottky模型的計(jì)算結(jié)果[53]顯示，銑削加工表面的超細(xì)晶層在硼酸鹽緩沖液中形成的鈍化膜的陽(yáng)離子空位密度是未發(fā)生變形的基體的1.8倍以上，因此該鈍化膜保護(hù)材料的作用大幅度降低。

然而，也有研究人員觀察到不同的結(jié)果。如Cissé等[26]以及Ming等[20]發(fā)現(xiàn)，退火狀態(tài)不銹鋼的砂紙磨拋表面在高溫水中的腐蝕速率要低于材料的拋光表面，認(rèn)為出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因是：砂紙磨拋表面的高度變形的超細(xì)晶會(huì)促進(jìn)Cr元素的擴(kuò)散，并在樣品表面形成致密的富Cr內(nèi)氧化層，從而降低離子傳輸速率并最終降低材料腐蝕速率。

應(yīng)力腐蝕開裂一般可分為裂紋萌生與擴(kuò)展2個(gè)階段。通常認(rèn)為，應(yīng)力腐蝕裂紋在萌生之前還會(huì)存在一個(gè)很長(zhǎng)的孕育期，裂紋的孕育過程主要受材料或部件的表面狀態(tài)和腐蝕行為的影響，而裂紋一旦萌生就會(huì)在拉伸應(yīng)力的作用下以較快的速率擴(kuò)展，如圖6[19]所示。1997年之后，法國(guó)電力集團(tuán)在其運(yùn)行的壓水堆核電站不銹鋼部件上一共發(fā)現(xiàn)了9起應(yīng)力腐蝕開裂事件，有7起發(fā)生在服役6 a后的部件中，其中5起發(fā)生在部件服役13 a之后[6]。此后，相關(guān)研究人員便在實(shí)驗(yàn)室模擬的高溫水環(huán)境中開展不銹鋼的應(yīng)力腐蝕開裂行為機(jī)制的研究。恒定載荷拉伸實(shí)驗(yàn)是與反應(yīng)堆實(shí)際運(yùn)行工況條件最為接近的應(yīng)力腐蝕裂紋萌生實(shí)驗(yàn)方法。然而相關(guān)結(jié)果[6,27]顯示，在高溫水環(huán)境中，使用恒定載荷拉伸實(shí)驗(yàn)很難在較短時(shí)間內(nèi)使不銹鋼表面萌生裂紋。而為了更好地研究不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂的行為機(jī)制，就需要使用能在相對(duì)較短時(shí)間內(nèi)促進(jìn)應(yīng)力腐蝕裂紋萌生的其他加速實(shí)驗(yàn)方法。在不改變水化學(xué)的前提下，慢應(yīng)變速率拉伸(slow train rate tensile，SSRT)實(shí)驗(yàn)是迄今為止最有效的不銹鋼應(yīng)力腐蝕裂紋萌生加速實(shí)驗(yàn)方法。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)[12,32]，在符合規(guī)范的模擬壓水堆主回路高溫水中，以10-7~10-8s-1的名義應(yīng)變速率在樣品中引入3%~4%的塑性變形可以有效地促進(jìn)冷變形不銹鋼萌生沿晶應(yīng)力腐蝕裂紋。相似的實(shí)驗(yàn)條件也可用于冷變形或輻照后的鎳基合金的應(yīng)力腐蝕裂紋萌生研究[54~56]。

退火態(tài)不銹鋼的應(yīng)力腐蝕裂紋萌生敏感性極低。作者[15,33]的研究結(jié)果顯示，在300℃高溫水中，以1.6 × 10-8~2.0 × 10-8s-1的名義應(yīng)變速率，在退火的316L及304L不銹鋼板狀拉伸樣品中引入約4%的塑性變形，只會(huì)在樣品的內(nèi)氧化層中引入少量裂紋，且裂紋都會(huì)在內(nèi)氧化層的內(nèi)部停止，如圖7a[15]所示。然而，也有研究人員[57~59]在SSRT實(shí)驗(yàn)過程中將樣品拉伸至斷裂，并通過比較不同樣品的延伸率或斷口上沿晶斷裂百分比的方法來定性評(píng)價(jià)不同材料的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性。在將退火態(tài)不銹鋼樣品通過SSRT拉伸至斷裂后，通常都會(huì)在樣品斷口附近發(fā)現(xiàn)沿晶斷裂特征。然而，作者認(rèn)為這些樣品中發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的主要原因是其在SSRT過程中發(fā)生了冷變形，發(fā)生冷變形的樣品在后續(xù)的SSRT過程中滿足了應(yīng)力腐蝕裂紋萌生的條件，因此這并不代表這些退火態(tài)的不銹鋼對(duì)應(yīng)力腐蝕開裂敏感。此外，也有研究人員[55]發(fā)現(xiàn)，退火不銹鋼的緊湊拉伸樣品在裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)過程中會(huì)出現(xiàn)沿晶應(yīng)力腐蝕裂紋。然而其裂紋擴(kuò)展速率比冷加工狀態(tài)的不銹鋼要低1~2個(gè)數(shù)量級(jí)[60]，這也從側(cè)面說明退火狀態(tài)不銹鋼的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性極低。

在SSRT實(shí)驗(yàn)條件下，冷變形不銹鋼易萌生應(yīng)力腐蝕裂紋已被廣泛證實(shí)[6,31,61]。這主要有3個(gè)原因：(1) 冷變形過程中形成的形變孿晶、位錯(cuò)平面滑移在晶界上停止，導(dǎo)致晶界應(yīng)力應(yīng)變集中[62]；(2) 冷變形引起的晶界附近的應(yīng)力應(yīng)變集中會(huì)促進(jìn)晶界的氧化[50,51]；(3) 冷變形提高了材料強(qiáng)度，導(dǎo)致材料在SSRT加載過程中承受更大的拉伸應(yīng)力。在室溫或者幾百攝氏度對(duì)不銹鋼進(jìn)行軋制、鍛造是研究不銹鋼等材料應(yīng)力腐蝕開裂行為時(shí)常用的冷變形工藝，常用的變形量在10%~30%之間[60,63,64]。在SSRT實(shí)驗(yàn)條件下，冷變形不銹鋼萌生的應(yīng)力腐蝕裂紋以沿晶模式為主(圖7b[28])。在極少數(shù)情況下，如沿晶裂紋擴(kuò)展到三叉晶界附近時(shí)，沿晶裂紋會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榇┚Ｊ剑鸭y在擴(kuò)展到下一個(gè)晶界時(shí)通常都會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)檠鼐Ｊ健Ｔ陂_裂的晶界上，除了能觀察到少量細(xì)小氧化物之外，通常都能觀察到晶內(nèi)變形產(chǎn)生的滑移臺(tái)階(圖7c[65])。晶界表面的滑移臺(tái)階在SSRT樣品以及緊湊拉伸試樣的斷口上都非常普遍[32,60,63]。樣品在加載過程中發(fā)生的滑移與擇優(yōu)氧化的晶界之間的交互作用也是促進(jìn)裂紋萌生和擴(kuò)展的重要因素。

奧氏體不銹鋼在冷變形過程中有發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的傾向，馬氏體的出現(xiàn)也會(huì)影響不銹鋼的腐蝕與應(yīng)力腐蝕開裂行為。前期研究[31]顯示，304L不銹鋼在室溫軋制過程中形成的馬氏體會(huì)在高溫水中擇優(yōu)氧化，并在晶粒內(nèi)部形成楔形且多孔的氧化物。冷變形過程中發(fā)生了馬氏體轉(zhuǎn)變的不銹鋼，在SSRT實(shí)驗(yàn)條件下的應(yīng)力腐蝕裂紋萌生敏感性以及應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率都遠(yuǎn)低于其他不含馬氏體的冷變形不銹鋼[31,66]。

部件在加工制造過程中難以避免在表面上引入變形，而通過拋光等后續(xù)處理也很難將變形區(qū)域完全去掉[22,27]。由于腐蝕速率較慢[48]，不銹鋼部件在服役初期的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)與高溫水接觸并發(fā)生腐蝕的都是其表面發(fā)生變形的區(qū)域，而非其退火或冷變形狀態(tài)的基體。

根據(jù)前期結(jié)果[15]，不銹鋼銑削表面在高溫水中會(huì)形成多孔、具有納米晶粒顯微組織的內(nèi)氧化物層(圖5d[30])。內(nèi)氧化物層在SSRT過程中會(huì)產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展到基體表面，并將基體暴露到高溫水中。當(dāng)銑削表面的殘存納米晶/超細(xì)晶暴露在高溫水中之后，納米晶/超細(xì)晶的晶界會(huì)發(fā)生擇優(yōu)氧化，氧化的晶界在拉伸應(yīng)力作用下破裂，從而萌生微小裂紋[15]。表面細(xì)晶層中萌生的裂紋隨后會(huì)在拉伸應(yīng)力的作用下擴(kuò)展到變形孿晶層之中。在對(duì)拉伸到4%左右塑性變形的銑削樣品的觀察中發(fā)現(xiàn)，銑削紋理與拉伸方向垂直的樣品，其表面在SSRT過程中更容易萌生應(yīng)力腐蝕裂紋，且裂紋一般會(huì)沿著加工紋路方向擴(kuò)展(圖8a[15])。在銑削316L不銹鋼樣品表面觀察到的裂紋最大深度為3.5 μm，且所有裂紋都會(huì)在變形孿晶區(qū)域內(nèi)停止(圖8b[15])。表面納米晶/超細(xì)晶層的晶界在高溫水中會(huì)優(yōu)先發(fā)生氧化[32]，因此作者認(rèn)為超細(xì)晶內(nèi)的裂紋以沿晶裂紋為主。然而，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到超細(xì)晶層下方的變形孿晶層之后，其擴(kuò)展方式則轉(zhuǎn)變?yōu)榇┚В㈦S著變形層硬度的降低最終停止擴(kuò)展(圖8b[15])。

銑削對(duì)冷變形不銹鋼的應(yīng)力腐蝕裂紋萌生行為的影響與退火態(tài)材料不同[29,32,33]。研究結(jié)果[29,32,33]顯示，在SSRT實(shí)驗(yàn)過程中，冷變形不銹鋼樣品銑削表面上萌生的裂紋的數(shù)量以及裂紋深度都遠(yuǎn)小于其拋光表面，如圖9a和b[32]所示。由于存在高度變形的納米晶/超細(xì)晶層，樣品的銑削表面在實(shí)驗(yàn)過程中要承受遠(yuǎn)高于拋光表面的拉伸應(yīng)力。因此，該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也說明，在一定條件下，材料的顯微組織特征在應(yīng)力腐蝕裂紋萌生中起著比拉伸應(yīng)力更大的作用。如3.2節(jié)所述，冷變形不銹鋼在SSRT過程中易萌生應(yīng)力腐蝕裂紋的主要原因是，其晶界在高溫水中容易被氧化并在拉伸應(yīng)力作用下破裂。冷變形不銹鋼的銑削表面上雖然也存在高度變形的超細(xì)晶層，但大量超細(xì)晶的晶界的氧化在一定程度上會(huì)促進(jìn)銑削表面相對(duì)均勻地氧化，從而延緩冷變形粗晶晶界的選擇性氧化及裂紋萌生。因此，銑削表面超細(xì)晶層的存在會(huì)一定程度上提高冷變形不銹鋼的應(yīng)力腐蝕裂紋萌生抗力[28~30,32]。

冷變形不銹鋼表面的銑削加工變形層的厚度相對(duì)較小，表面萌生的應(yīng)力腐蝕裂紋在穿過細(xì)晶層之后就有更大的幾率在冷變形的基體中擴(kuò)展。研究結(jié)果[28,32]顯示，冷軋及溫鍛不銹鋼的銑削表面超細(xì)晶層的裂紋與退火不銹鋼銑削表面的裂紋并無(wú)差異，但裂紋在穿過細(xì)晶層后的擴(kuò)展模式與裂紋下方的顯微組織特征有關(guān)。若裂紋正下方為晶界，則裂紋會(huì)延著晶界擴(kuò)展；若裂紋下方為晶體內(nèi)部，裂紋有時(shí)會(huì)停止，有時(shí)則會(huì)先穿晶擴(kuò)展然后在遇到晶界后轉(zhuǎn)變?yōu)檠鼐U(kuò)展(圖9c和d[32])。冷變形不銹鋼銑削表面萌生的應(yīng)力腐蝕裂紋的擴(kuò)展深度遠(yuǎn)高于退火不銹鋼的銑削表面[15,32]。

綜上，表面變形對(duì)不銹鋼的應(yīng)力腐蝕裂紋萌生有很大的影響。應(yīng)力腐蝕裂紋的萌生有很長(zhǎng)的孕育期，通過優(yōu)化表面狀態(tài)就有可能延長(zhǎng)其孕育期，從而降低材料的裂紋萌生敏感性。前期結(jié)果[30,32]顯示，銑削加工引入的納米晶/超細(xì)晶能促進(jìn)材料均勻氧化，從而延緩冷變形不銹鋼的應(yīng)力腐蝕裂紋萌生。然而，隨著在高溫水中暴露時(shí)間/實(shí)驗(yàn)時(shí)間增加，銑削表面最終會(huì)萌生應(yīng)力腐蝕裂紋。主要原因是，銑削表面形成的高度變形超細(xì)晶層在拉伸殘余應(yīng)力以及高溫水腐蝕的共同作用下，易被腐蝕并萌生裂紋。研究結(jié)果[28]顯示，在650℃惰性氣體保護(hù)環(huán)境中對(duì)銑削的冷變形316L不銹鋼樣品進(jìn)行短時(shí)間熱處理，能誘發(fā)其表面超細(xì)晶的回復(fù)與部分再結(jié)晶，從而降低表層的硬度和殘余應(yīng)力。同時(shí)，該熱處理制度不會(huì)引起冷變形316L不銹鋼的基體和變形層的敏化。在SSRT實(shí)驗(yàn)條件下，熱處理后冷變形不銹鋼銑削表面的應(yīng)力腐蝕裂紋密度降低了40%，如圖10[28]所示。此外，該熱處理也不會(huì)改變不銹鋼表面氧化物的成分與結(jié)構(gòu)，以及裂紋擴(kuò)展路徑。

Kaneda等[22]、Kumagai等[67]以及Ming等[45]也嘗試了使用電解拋光、Flapper wheel拋光、Clean N strip拋光以及水噴丸等方法改變不銹鋼的表面狀態(tài)以降低其表面應(yīng)力腐蝕裂紋萌生敏感性。其中，Ming等[45]發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過水噴丸之后，冷變形不銹鋼在SSRT條件下的應(yīng)力腐蝕裂紋萌生敏感性顯著降低。

SSRT是目前壓水堆高溫水環(huán)境中不銹鋼、鎳基合金等材料應(yīng)力腐蝕裂紋萌生研究中最常用的加速實(shí)驗(yàn)方法。SSRT加速裂紋萌生的主要作用機(jī)制是：(1) 實(shí)驗(yàn)在樣品的塑性變形階段進(jìn)行，因此使材料承受比屈服強(qiáng)度更大的載荷；(2) 實(shí)驗(yàn)過程中不斷地引入塑性變形，樣品變形過程中產(chǎn)生的滑移帶會(huì)促進(jìn)晶界應(yīng)力應(yīng)變集中；(3) 晶粒滑移與氧化的晶界發(fā)生交互作用，導(dǎo)致氧化物破裂。然而，SSRT實(shí)驗(yàn)也有其本征缺陷。反應(yīng)堆部件通常在遠(yuǎn)低于其屈服強(qiáng)度的載荷下服役，因此SSRT實(shí)驗(yàn)條件與部件實(shí)際服役工況有較大差異，如圖11所示。這就導(dǎo)致通過SSRT獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不一定能夠反映部件在真實(shí)服役工況下的應(yīng)力腐蝕裂紋萌生行為。對(duì)于切削加工或通過其他方法進(jìn)行表面處理的不銹鋼樣品，通過SSRT實(shí)驗(yàn)也不能獲得加工引入表面殘余應(yīng)力對(duì)應(yīng)力腐蝕裂紋萌生行為的影響規(guī)律。

對(duì)整體變形的材料，在裂紋萌生更快的環(huán)境中開展恒定載荷實(shí)驗(yàn)，或在高溫水中開展長(zhǎng)時(shí)間的恒定載荷實(shí)驗(yàn)，并建立實(shí)驗(yàn)結(jié)果與SSRT條件下獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的關(guān)聯(lián)，是解決SSRT條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際工況中材料應(yīng)力腐蝕裂紋萌生行為偏差的可行辦法。對(duì)于前者，需要保證在該環(huán)境中材料的腐蝕與應(yīng)力腐蝕裂紋萌生行為機(jī)制不變。Volpe等[68~70]在高溫H2與H2O蒸汽混合氣體環(huán)境中開展了鎳基合金氧化與應(yīng)力腐蝕裂紋萌生行為的探索性研究，并取得了一些與高溫水中相似的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。高溫H2與H2O蒸汽環(huán)境能有效加速材料的氧化與應(yīng)力腐蝕裂紋萌生，該環(huán)境可能也適合于奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕裂紋萌生的加速。而在高溫水中開展長(zhǎng)時(shí)間的恒定載荷實(shí)驗(yàn)，需要大量人員和時(shí)間的投入。近年來，Zhai等[71~73]在恒定載荷實(shí)驗(yàn)條件下開展了一系列鎳基合金應(yīng)力腐蝕裂紋萌生行為的研究，實(shí)驗(yàn)方法及相關(guān)結(jié)果都值得不銹鋼應(yīng)力腐蝕裂紋萌生行為研究借鑒。此外，基于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室結(jié)果，綜合考慮材料在不同加載條件下的應(yīng)力與變形的變化從而開展計(jì)算模擬，也有可能為這個(gè)問題提供新的解決方案。

對(duì)于有表面變形層的材料，恒定載荷實(shí)驗(yàn)也不一定適合研究加工引入的殘余應(yīng)力對(duì)材料應(yīng)力腐蝕裂紋萌生行為的影響規(guī)律。這是因?yàn)椋饧雍愣ㄝd荷也會(huì)改變變形層中的殘余應(yīng)力狀態(tài)。而在一些腐蝕性較強(qiáng)的介質(zhì)中開展靜態(tài)暴露實(shí)驗(yàn)，獲得的結(jié)果則具有一定的參考價(jià)值。如Zhang等[24]在高溫MgCl2溶液中對(duì)有不同殘余應(yīng)力的不銹鋼銑削表面進(jìn)行暴露。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)銑削表面的殘余應(yīng)力大于190 MPa時(shí)，樣品在暴露過程中才會(huì)萌生應(yīng)力腐蝕裂紋，且裂紋密度隨殘余應(yīng)力增大而增大。Zhang等[74]也嘗試了在添加0.001% Cl-的300℃高溫高壓水中研究銑削引入的殘余應(yīng)力與外加應(yīng)力共同作用下不銹鋼的應(yīng)力腐蝕裂紋萌生行為。結(jié)果顯示，在相當(dāng)于恒定載荷實(shí)驗(yàn)的條件下，部分樣品在高溫水中暴露3600 h之后會(huì)萌生裂紋，但裂紋的萌生受加載方向與垂直方向應(yīng)力的共同影響。在添加Cl-的高溫水中通過恒定載荷拉伸實(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)果，能反映反應(yīng)堆回路中高溫水流通不暢的區(qū)域部件的應(yīng)力腐蝕裂紋萌生行為。

奧氏體不銹鋼是制造核電部件的重要結(jié)構(gòu)材料，其在壓水堆主回路高溫水中的服役表現(xiàn)整體優(yōu)異。然而，自20世紀(jì)末在一些壓水堆核電站的不銹鋼部件中發(fā)現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂事件之后，不銹鋼的應(yīng)力腐蝕開裂問題也得到了越來越多的關(guān)注。部件的切削加工及加工表面的后處理會(huì)改變不銹鋼的表面狀態(tài)，對(duì)不銹鋼部件在高溫水中的腐蝕與應(yīng)力腐蝕裂紋萌生有重要影響。對(duì)不銹鋼加工表面狀態(tài)、腐蝕及應(yīng)力腐蝕裂紋萌生行為的深入認(rèn)識(shí)，對(duì)部件的長(zhǎng)期安全服役與壽命管理都具有重要的意義。

過去20余年，包括作者在內(nèi)的研究人員針對(duì)不銹鋼表面狀態(tài)、在高溫水中腐蝕和應(yīng)力腐蝕裂紋萌生行為等問題開展了一些研究工作。通過多尺度的顯微組織與殘余應(yīng)力表征，明確了典型切削加工工藝、磨拋、噴丸等表面后處理工藝在材料表面引入的塑性變形與殘余應(yīng)力特征；通過高溫水環(huán)境中的靜態(tài)暴露以及應(yīng)力加載實(shí)驗(yàn)，明確了不同表面狀態(tài)不銹鋼的腐蝕行為及在SSRT等加速實(shí)驗(yàn)條件下的應(yīng)力腐蝕裂紋萌生行為；在認(rèn)識(shí)應(yīng)力腐蝕裂紋萌生行為規(guī)律的基礎(chǔ)上，找到了一些能夠降低不銹鋼加工表面應(yīng)力腐蝕裂紋萌生敏感性的方法。這些研究有效地推動(dòng)了這一研究領(lǐng)域的進(jìn)步。

然而，不銹鋼加工表面的腐蝕與應(yīng)力腐蝕裂紋萌生研究中仍存在一些問題需要解決，一些與部件制造和服役相關(guān)的研究也亟待開展，例如：

(1) 在水化學(xué)符合規(guī)范且循環(huán)良好的壓水堆主回路高溫水環(huán)境中，不銹鋼萌生應(yīng)力腐蝕裂紋的條件極為苛刻，目前只有SSRT實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟谙鄬?duì)較短的時(shí)間內(nèi)在冷變形不銹鋼中引發(fā)應(yīng)力腐蝕裂紋的萌生。然而，SSRT會(huì)在樣品中引入塑性變形，改變不銹鋼表面變形層中的顯微組織與殘余應(yīng)力狀態(tài)。因此，利用SSRT無(wú)法研究加工引入的殘余應(yīng)力對(duì)材料應(yīng)力腐蝕裂紋萌生的影響規(guī)律。即使對(duì)于整體變形的材料，SSRT條件下材料的應(yīng)力腐蝕裂紋萌生行為與反應(yīng)堆真實(shí)工況下也必然存在差異，建立2者之間的有機(jī)聯(lián)系才能使SSRT實(shí)驗(yàn)及相應(yīng)結(jié)果被廣泛接受。本文中對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行了討論并對(duì)解決辦法給出了建議。

(2) 對(duì)一些具體的現(xiàn)象，不同研究結(jié)果存在差異。例如，多數(shù)研究顯示，切削、磨拋等表面加工/處理在不銹鋼表面引入的變形會(huì)加速其在高溫水中的腐蝕，但也有一些研究結(jié)果顯示，表面磨拋會(huì)降低不銹鋼的腐蝕速率。加強(qiáng)研究人員之間的溝通和合作，最終能在這些問題上獲得共識(shí)。

(3) 此前報(bào)道的研究，多是在加工工藝得到較好控制條件下獲得的材料表面上開展的，然而，實(shí)際部件的表面由于各種因素的影響，可能會(huì)存在如劃傷、沾污、氧化等缺陷。開展這些有缺陷的實(shí)際表面的腐蝕與應(yīng)力腐蝕開裂行為研究，對(duì)實(shí)際部件的服役與壽命管理非常重要。

(4) 文中提及的研究，多為在水化學(xué)符合規(guī)范條件下開展的，實(shí)際上，反應(yīng)堆運(yùn)行以及檢修等環(huán)節(jié)都有可能在高溫水中帶來雜質(zhì)離子。在高溫水流動(dòng)不暢的區(qū)域，這些離子濃度會(huì)顯著升高，影響材料的腐蝕與應(yīng)力腐蝕裂紋萌生。在高溫水中有意添加雜質(zhì)離子，如Cl-和SO42-等，并開展相關(guān)的實(shí)驗(yàn)是未來研究中的重要方向。

(5) 切削加工等工藝決定了部件的表面狀態(tài)，從而影響部件的腐蝕與應(yīng)力腐蝕裂紋萌生行為。切削加工等工藝也會(huì)一定程度上影響部件的制造成本與制造效率。然而，全世界目前對(duì)于核電部件在實(shí)際制造中使用的切削工藝與其在高溫水中的腐蝕、應(yīng)力腐蝕裂紋萌生行為之間關(guān)聯(lián)的研究仍然缺乏，對(duì)部件表面狀態(tài)的評(píng)價(jià)也缺乏合理的標(biāo)準(zhǔn)。通過核電裝備設(shè)計(jì)、制造以及研究機(jī)構(gòu)之間的合作交流，不斷提升對(duì)不銹鋼等核電部件的表面狀態(tài)與服役行為的認(rèn)識(shí)，在此基礎(chǔ)上不斷完善部件表面評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，是解決核電部件制造工藝技術(shù)與安全服役問題并促進(jìn)核電制造技術(shù)發(fā)展最有效的方法。