A micromechanical analysis of intergranular stress corrosion cracking of an irradiated austenitic stainless steel
一种辐照奥氏体不锈钢的晶间应力腐蚀开裂的微观力学分析
Abstract 摘要
辐照辅助应力腐蚀开裂(IASCC)是一种影响核压水堆(PWR)中使用的奥氏体不锈钢的材料退化现象,导致沿晶裂纹的萌生和扩展。这种现象属于更广泛的沿晶应力腐蚀开裂(IGSCC)类别。本研究对辐照奥氏体不锈钢的 IGSCC 进行微观力学分析,以评估局部开裂条件。研究调查了在 PWR 环境中测试并显示沿晶开裂的 304L 质子辐照样品。通过连续切片、电子背散射衍射(EBSD)和两步错位程序,重建了扩展体积上的三维微观结构,以评估统计开裂标准。还开发了一种基于 EBSD 测量计算晶界(GB)法线方向的方法。统计分析表明,开裂优先发生在晶界法线与机械加载轴对齐的情况下,但也发生在 Luster-Morris 滑移传输参数值较低的情况下。 基于重建的 3D 微观结构、基于 FFT 的求解器和考虑晶界滑移传递的晶体塑性本构方程修改的微观力学模拟最终被执行。这些模拟将实验获得的关联合理化为单一基于应力的判据。讨论了这种微观力学方法的实际优缺点。
Graphical abstract 图示摘要
Keywords 关键词
应力腐蚀开裂晶间奥氏体不锈钢 EBSDFFT
1. Introduction 1. 引言
自 20 世纪 80 年代以来,报道了在核压水堆(PWR)堆芯中奥氏体不锈钢 Baffle-to-Former Bolts(BFB)因间晶应力腐蚀开裂(IGSCC)退化现象导致的失效[1]。由于这些材料主要对水环境中的应力腐蚀开裂(SCC)具有免疫力,因此该现象被称为辐照辅助应力腐蚀开裂(IASCC),因为 PWR 堆芯材料受到中子的大量辐照[2]。中子辐照导致由于中子与材料原子之间的弹道相互作用产生的点缺陷复合而形成辐照缺陷[3]。在 PWR 条件下(300 °C)观察到的奥氏体钢的主要辐照缺陷是 Frank 位错环,但还观察到其他辐照缺陷,如氦气泡和析出物[4]。此外,辐照导致晶界处的 Cr 减少和 Ni 富集。理解和预测辐照奥氏体不锈钢的 IGSCC,以及对未辐照合金如镍基材料,仍然是一个挑战[5],[6]。 近几十年来,使用离子辐照材料(例如质子[7])减轻了处理中子辐照放射性样品的负担,从而使得对辐照奥氏体不锈钢的 IGSCC(晶间应力腐蚀开裂)中涉及的物理机制有了更深入的理解[8][9]。观察到辐照引起的硬化以及晶界(GB)的辐照引起偏析,两者协同作用有利于 IGSCC[10][11]。此外,辐照会导致晶内变形机制的变化,并且辐照材料中常报道位错通道现象。对于与 IGSCC 开裂起始相关的低施加应变,由于辐照缺陷的存在,变形仅发生在宽度约为几十纳米的窄带中[12][13]。这些位错通道对晶界的冲击被认为会导致高局部应力,从而引起晶界开裂[14]。更具体地说,研究表明开裂与样品表面晶界处位错通道痕迹的不连续性相关(例如[15])。 在断裂位错通道与晶界的碰撞处存在高局部应力,这一现象已通过残余应力测量实验得到证实[16],并通过分子动力学(MD)[14]、[16]或有限元(FE)模拟进行了更详细的阐述[17]。然而,使用重离子辐照样品的实验(与质子辐照相比,辐照后局部化程度较低)却质疑了这一机制,因为也观察到了裂纹的萌生[18]。此外,研究发现,与机械加载方向良好取向的晶界更易发生裂纹[19],这突出了晶界间法向应力的作用。在超临界水(400 °C)中辐照的奥氏体钢中也获得了类似的结果[20],以及裂纹与高 Schmid 因子失配之间的相关性。这些观察结果已通过 Schmid-修正晶界应力(SMGBS)模型得到解释。局部裂纹条件的实验测定主要采用二维测量(例如[21]除外),如样品表面上的晶界和位错通道痕迹。 然而,为了准确计算晶界法线、SMGBS 模型或滑移传递标准,需要 3D 的微观结构信息。这可以通过离子研磨对选定裂纹进行处理来完成,正如文献[22]中评估热敏化奥氏体钢 IGSCC 的 SMGBS 模型所做的那样。目前有实验技术可以获取完整的 3D 微观结构,包括破坏性技术(如串联切片结合二维电子背散射衍射(EBSD)[23])和非破坏性技术(如衍射衬度断层扫描(DCT)[24])。这两种技术都需要专门的程序来避免重建伪影,但能提供有关晶粒形状/裂纹模式的宝贵信息。到目前为止,据作者所知,在辐照奥氏体不锈钢的 IGSCC 背景下,还没有进行过此类分析以更详细地评估局部开裂条件。
在文献中已提出了关于 IGSCC 的理论和数值模型。通过使用合成或真实的多晶集合体以及晶体塑性本构方程,已确定了未辐照和辐照奥氏体不锈钢的晶间应力分布[25], [26]。这种方法需要估算晶界强度来预测 IGSCC,而晶界强度现在可以通过微测试的发展来评估[27]。然而,实验数据仍然稀缺,尤其是对于辐照材料。从数值角度来看,内聚区模型可用于预测晶间裂纹的萌生和扩展[28], [29]。这些模拟结果严重依赖于晶体塑性本构方程的准确性,而辐照不锈钢的晶体塑性本构方程的准确性仍是一项正在进行的工作。特别是,在晶体塑性框架内再现位错通道现象仍然是一个挑战,尽管最近在模拟晶粒尺度上的应变局部化方面取得了显著进展[30], [31]。 所有上述数值研究仅通过使用现象学晶体塑性本构方程[32]考虑了晶粒的各向异性力学行为。晶界间应力主要是由变形不匹配引起的,因为在晶界处没有施加额外的约束。例如,塑性滑移可以在靠近晶界处取任意值,这与晶界堆垛等实验观察结果不符。最近提出了一个模型[33],通过结合标准晶体塑性方程与滑移传递准则来处理该问题。该模型易于实现,并已被证明能够再现与晶界位错堆垛相关的现象,如霍尔-佩奇效应。尽管多晶聚合物的模拟在预测 IGSCC 方面目前存在局限性,但这种模拟仍然需要用来识别建模工作应投入的空白。据作者所知,尚未有关于辐照奥氏体不锈钢 IGSCC 的晶体塑性模拟,且没有与裂纹萌生实验数据进行直接比较的报道。
基于这篇文献综述,本研究的目标有两个。第一个目标是基于在 PWR 环境下测试并表现出沿晶裂纹的辐照奥氏体不锈钢获得的 3D 微观结构,评估局部开裂条件。第二个目标是基于 3D 微观结构进行晶体塑性模拟,以评估这种微观力学方法的优缺点,以及未来研究的方向。本文的结构如下:在第二节中,详细介绍了实验表征,包括材料描述、3D 微观结构的重建以及局部开裂条件的分析。数值模拟在第三节中详细介绍。最后,在第四节中讨论了实验和数值结果。
2. Experimental characterization
2. 实验表征
2.1. Material 2.1. 材料
该材料是一种固溶退火(1050 °C/30 分钟随后水淬)的 304L 奥氏体不锈钢(18.75% Cr,8.55% Ni,0.02% Mo,0.45% Si,1.65% Mn,0.012% C,重量百分数),平均晶粒尺寸为 m。固溶退火可以使(晶间)碳化物重新溶解到固溶体中——从而降低对 IGSCC 的敏感性——并且是用于 PWR 挡板和成型件的热处理工艺。通过电火花加工取样制备了平板拉伸试样(2mm x 2mm x 18mm 标距),并在一面进行抛光。最后一步抛光是使用胶体二氧化硅溶液( m,pH=7)进行振动抛光,以去除先前抛光步骤留下的任何表面硬化。
样品在密歇根离子束实验室(MIBL)用 2 MeV 质子辐照,温度为 350°C。平均通量为 ,辐照时间 95 小时。辐照剂量曲线——用原子位移(dpa)[34]量化,以与不同粒子辐照进行比较——如图 1a 所示:仅样品的前 20μm 被辐照,在前 10μm 内辐照剂量约为 2 dpa 且大致恒定。一个拉伸样品在 PWR 环境下(340°C,去氧水,含 1000 ppm B、2 ppm Li、25-35 cc )进行慢应变速率试验(SSRT),应变速率为 ,直至产生 4%的塑性应变。SSRT 后,扫描电子显微镜(SEM)观察证实存在沿晶裂纹,如图 1b 所示。关于材料、辐照条件和应力腐蚀开裂(SCC)试验的详细信息可参见[18]。该拉伸样品用于评估辐照奥氏体钢沿晶裂纹的局部条件,这首先需要重建 3D 微观结构。

Fig. 1. (a) Dose profile along the thickness of the samples computed using SRIM-2013 software (2 MeV displacement energy of Kinchin-Pease approximation [34]). Inset: EBSD maps showing (i) the FCC crystallographic orientations and (ii) the presence of ferrite (in black), as well as the GB. (b) Forward Scatter Detector (FSD) SEM image of the sample surface after the SSRT showing intergranular cracking after 4% plastic strain in PWR environment.
图 1. (a) 使用 SRIM-2013 软件计算的样品厚度方向的剂量分布(2 MeV 位移能量采用 Kinchin-Pease 近似[34])。插图:EBSD 图谱显示(i)FCC 晶体学取向和(ii)铁素体(黑色)的存在,以及晶界(GB)。(b) SSRT 后的样品表面 FSD SEM 图像,显示在 PWR 环境下经 4%塑性应变后的沿晶开裂。
2.2. Microstructure 2.2. 微结构
样品的典型表面裂纹密度在[18]中已被确定为约 。为了获得局部裂纹条件的统计相关结果,必须在至少包含几十个裂纹的区域重建 3D 微观结构,例如一个典型的表面,面积约为 1 mm 2 。文献中已提出了多种技术用于此目的。由于铣削速率的限制,串联切片 FIB 断层扫描技术主要限于小体积——通常为 [35]。DCT 具有非破坏性和允许大扫描体积的优点,但检测晶间裂纹可能比较困难[24]。因此,以下将采用串联切片抛光和 2D EBSD 测量的技术组合,例如在[23]中所示。请注意,最近提出了一种替代技术,其中串联切片抛光被宽离子束(BIB)铣削所取代[36],该技术同样允许评估大体积。
2.2.1. 3D EBSD
样品的一部分已安装在导电树脂中。维氏压痕确定了 1 毫米×1 毫米的区域,如图 2a 所示。这些压痕还用于测量每次抛光步骤后的去除厚度,并有助于对 SEM 观察进行对准,如下所述。

Fig. 2. (a) SEM observation (Secondary Electron (SE) mode, 20 kV, 70° tilt) of the Vickers indents at the surface of the sample and location of the EBSD map (b) SEM observation of intergranular cracks (SE mode, 20 kV, 0° tilt).
图 2. (a) 样品表面维氏压痕的 SEM 观察(二次电子模式,20 kV,70°倾斜)和 EBSD 图谱的位置 (b) 粒间裂纹的 SEM 观察(二次电子模式,20 kV,0°倾斜)。
实验方法如下。使用自动抛光机,以胶体二氧化硅溶液( m)进行抛光,每一步去除约 m。然后清洗样品以去除抛光溶液,测量所有压痕的尺寸,以估计局部去除的厚度 1 将样品放入粘合树脂中,使用自动抛光机保持连续表面的平行性,典型角度低于 0.1°(附录 A 3D EBSD 重建,图 21a)。然后在次级电子(SE)模式下对维氏压痕确定的区域进行 SEM 观察,以定位沿晶裂纹:拍摄 20 张低倍图像,如图 2b 所示,以确保裂纹检测的足够分辨率,并最终使用图像拼接获得完整表面的高分辨率图像。在配备 OXFORD EBSD 探测器的 JEOL IT300 SEM 上进行了 EBSD 图谱,使用钨丝。所有 EBSD 图谱均在 20 kV 高电流条件下以相同条件获取。样品相对于束轴倾斜 70°。 衍射图谱使用 AZTEC 软件进行标定,通过测量步长为 5 m,确定了晶体学相(FCC 或 BCC)和取向(通过三个欧拉角α, Φ, β)。这些步骤最终重复进行,直到厚度为 6 m,这对应于材料的典型晶粒尺寸和辐照层的厚度。表面制备导致标定比例相当好,但软件仍无法为大约 2%的测量点找到晶体学相和取向。此外,如图 1a 所示,材料中存在铁素体(大约 3%的 EBSD 测量对应于体心立方(BCC)相)。由于第 3 节中所示的数值模拟以及基于实验结果仅需 FCC 相和完整的晶体学取向场,因此使用软件 MTEX [37]去除 BCC 相,并用邻近点的 FCC 晶体学取向填充未标定点。这些修正预计不会影响此处后续展示的结果,因为铁素体的含量较低(7)。 此外,在 BCC-FCC 界面处未观察到裂纹,这与未辐照奥氏体不锈钢的 IGSCC 观察结果一致[38]。
如前所述研究(参见[39]及其参考文献),3D EBSD 通过串行切片的主要挑战在于重建过程。首先,每个 2D EBSD 图可能至少受到两种可能导致几何畸变的影响。根据所用探测器,EBSD 测量大面积区域可能相当耗时(本研究中使用的参数通常需要几小时),这可能导致由于 SEM 配置的温热/机械变化而导致的束漂移。通过系统比较 EBSD 图前后拍摄的 SEM 图像,本研究评估了这种影响可以忽略不计。然而,用于 EBSD 测量的配置——即相对于束轴倾斜 70°的样品——会导致图像畸变,如图 3b 所示,维氏压痕不再形成方形。这种畸变出现在使用低倍率进行的大规模 EBSD 图中,并且需要校正以获得正确的晶粒形状。

Fig. 3. (a) Identification of the area with Vickers indents (b) EBSD map (c,d) Correction of geometrical artefacts due to the SEM configuration used for EBSD measurements (e) 3D reconstructed microstructure: each color corresponds to a crystallographic orientation (f) Cross-sections of the 3D microstructure (see Appendix A for cross-sections without corrections of the geometrical distortions).
图 3. (a) 确定维氏压痕区域 (b) EBSD 图谱 (c,d) 由于用于 EBSD 测量的 SEM 配置引起的几何伪影校正 (e) 3D 重建的微观结构:每种颜色对应一个晶体学取向 (f) 3D 微观结构的截面(有关未进行几何变形校正的截面,请参见附录 A)。
文献中已提出多种算法用于处理三维 EBSD 重建[40]、[41]、[42]。本研究采用内部程序。为校正几何畸变,需确定使四个角维氏压痕匹配 1 毫米边长的位移量(图 3c),然后基于这些位移量采用双线性插值校正方案对图像进行校正。典型结果如图 3d 所示,实际扫描的 EBSD 区域实际上呈梯形。所有二维 EBSD 图均按此程序进行了校正。然而,这并不能保证二维 EBSD 图的叠加将产生无几何畸变的 EBSD 三维显微结构[39]。主要原因在于,由于样品需从扫描电镜中取出进行抛光,每一步之间的对准和/或 SEM 采集参数存在微小差异是不可避免的。因此,在上述首次校正程序之后,对 EBSD 图应用了额外的校正程序。 维氏压痕的位移被定义为能够最大化当前 EBSD 图谱与先前图谱之间欧拉角交叉相关性的位移。实际上,交叉相关性仅使用一个欧拉角进行计算,并采用 Nelder-Mead 算法进行最大化。只要两个连续的 EBSD 图谱差异不大,即两个平面之间的距离相对于晶粒尺寸较小,并且对于没有形态织构的材料(例如,该方法预计会对具有倾斜柱状晶粒的材料引入偏差),此方法都是有效的。此外,欧拉角在每个晶粒中应基本保持不变,即不会从一个体素跳到另一个体素,这种情况可能由于面心立方对称性引起,这一点已经得到验证(附录 A)。在这种情况下,可以采用替代策略,即最小化连续图谱之间的局部取向差[39]。关于 EBSD 校正的详细信息见附录 A。最后,三个欧拉角值使用最近值插值投影到规则网格上——这是数值模拟所需的——如果必要,可以进行子采样。
3D EBSD 重建结果如图 3e 所示,对应于约 的体积。校正过程通过观察 3D 微观结构的横截面在图 3f 中进行评估,与未进行校正的情况相比,晶粒形状的几何伪影显著减少(附录 A)。文献[42]中报道的另一种伪影与在连续的两个 2D EBSD 图中给定晶粒的晶体学取向差异有关,这是由于样品在 SEM 内部轻微错位造成的。通过观察几个晶粒的平面和厚度方向欧拉角分布,在 3D 重建的微观结构中对此进行了验证。沿厚度方向的变化(即连续的两个 2D EBSD 图之间)与平面方向的变化(少数度)具有相同的数量级(附录 A),表明文献[42]中报道的问题在我们的研究中并不显著。
2.2.2. Intergranular cracks
2.2.2. 晶间裂纹
在样品表面进行的 SEM 图像绘制(图 2a)经过自动二值化和手动校正后,可以在维氏压痕定义的框架内检测到沿晶裂纹。下一步是在 3D 微观结构的表面定位这些裂纹(图 3e)。首先,使用 MTEX 软件以 10°的取向差阈值为依据检测 EBSD 图谱中的晶界(图 4)。由于 3D 微观结构和沿晶裂纹都是在同一框架内获得的,因此可以将沿晶裂纹投影到晶界上,如图 4 所示。EBSD 图谱的空间分辨率为 m,并且已对变形进行了校正。SEM 观察的空间分辨率要高得多,且无变形,因为样品垂直于束轴。因此,裂纹在晶界上的投影并不直接。对于 SEM 图像中对应裂纹的位置,其邻近像素也被考虑为裂纹,距离可达 ,以与 EBSD 图谱的分辨率保持一致。如附录 B 所述, 的选择旨在最小化假裂纹晶界的数量。 投影随后进行,得到图 4 所示的结果。

Fig. 4. Visualization of the GB (in gray) detected by the MTEX software on the first EBSD map, and projection of the intergranular cracks (in red). (For interpretation of the references to colour in this figure legend, the reader is referred to the web version of this article.)
图 4. MTEX 软件在第一个 EBSD 图中检测到的晶界(灰色)以及沿晶裂纹的投影(红色)。 (对于本图例中颜色引用的解释,读者请参阅本文的网络版本。)
2.2.3. Grain boundaries 3D characterization
2.2.3. 晶界三维表征
上一节中使用的 MTEX 软件[37]仅能从 2D EBSD 图中检测晶界,而计算晶界法线需要表征 3D 晶界。为了分析裂纹起始条件,至少需要计算自由表面晶界的法线,这通过内部程序完成。自由表面晶界的 3D 重建简要描述如下(更多细节可参见附录 B)。
所采用的方法通过将两个堆叠在一起的 2D 图像重构为样品 3D 聚集模型的一个截面来重建晶界。每个形成 2D 图像规则网格的彩色体素代表一个局部晶体学取向(使用欧拉角与 RGB 颜色方案之间的对应关系)。在顶部的水平 EBSD 平面上,该方法通过分析局部图像对比度来识别晶界的初始位置,见图 5a,b,并通过考虑最近邻体素区域(图 5b 中的白色薄正方形)来计算选定晶界体素中的晶界斜率。然后,对于在顶平面上识别的每个晶界体素,形成四个垂直的横截面平面,并在每个平面中识别相同颜色的体素,以计算(平均)面外晶界斜率,见图 5c,d,e。一旦面内和面外晶界斜率已知,最终会计算并分配 3D 晶界法线 到相应的自由表面晶界体素。通过使用具有已知晶界法线的 Voronoi 聚集模型的 2D 图像进行测试表明,随着所考虑的两个 2D 图像平面之间距离的增加,上述方法的精度得到提高。 附录 B 中详细进行的敏感性分析导致在所有计算中考虑 和上下平面之间的距离为 米。还应注意,三重点 GB(及其附近区域)未被考虑(图 5),因为 GB 法向计算不可行。因此,沿晶裂纹(图 4)被投影到 GB 法向可用的位置。

Fig. 5. (a, b) Detection of GB on the free-surface plane. Black lines denote calculated in-plane GB slopes, red points the identified triple points and white points a neighborhood of each triple point where GB detection is avoided (b) Enlarged section of the top plane sketching the calculation of the in-plane GB slope (c,d) GB on top and bottom planes: red lines denote vertical planes to detect the out-of-plane GB slope (e). (For interpretation of the references to colour in this figure legend, the reader is referred to the web version of this article.)
图 5. (a, b) 在自由表面平面上检测 GB。黑线表示计算的平面 GB 斜率,红点表示识别的三重点,白点表示每个三重点周围的 邻域,其中避免 GB 检测 (b) 顶部平面草图放大区域,描绘了平面 GB 斜率的计算 (c,d) 顶部和底部平面上的 GB:红线表示垂直平面以检测平面外的 GB 斜率 (e)。 (对于本图例中颜色引用的解释,请参阅本文的网页版本。)
此处提供的统计分析基于概率密度函数(记为 pdf)和累积分布函数(cdf)的计算。对于后者,还计算了 95%置信区间 2 。图 6a,b 中绘制了 GB 法向分量 pdf 和 cdf。对于没有形态织构(晶粒形状)的材料,法向分量绝对值的理论 pdf 应等于 1,相应的 cdf 斜率等于 1。面内分量 和 的分布接近这些值,表明该材料没有形态织构。面外分量 显示出接近 0 和 0.5 的值过度代表,这可能是由于与面内分量相比,面外分量没有进行平滑处理。

Fig. 6. Probability density functions (a) and Cumulative distribution functions (b) of the GB normal components.
图 6. GB 法向 分量的概率密度函数 (a) 和累积分布函数 (b)。
实验表征使能够在较大区域内重建 3D 微观结构——晶体取向和晶粒形状——以检测(未)开裂晶界,并评估自由表面上的晶界斜率。随后将检查数据,以在下一节中评估局部开裂条件,同时考虑到实验表征在结果解释中不可避免的一些缺陷。首先,表征是在 SSRT 之后在变形材料上进行的,这可能影响了晶粒形状和晶体取向。然而,施加的应变水平( )和机械加载条件(单轴应力)预计只会产生轻微影响。对于晶体取向,通过在重建的微观结构的自由表面上选择随机位置计算的角度分布,并未显示出与无织构材料的理论麦肯齐分布的偏差(图 7a)。在变形材料上进行 EBSD 测量的一个结果是,局部晶体取向受到残余应力的影响。 MTEX 软件已被用于计算自由表面处(插图图 7b)与取向梯度相关的几何必需位错(GND)密度。由于 GND 可以被视为局部变形不匹配的指标,因此计算了接近 GB 3 的平均值,并在图 7b 中显示了未开裂和开裂 GB 的累积分布函数。未观察到显著差异,因此在本研究中裂纹不能与 GND 相关联。然而,由于 GND 计算高度依赖于晶体取向的准确性,并且 GND 可能出现在距离 GB 小于 EBSD 图空间分辨率的位置,因此需要额外的测量。

Fig. 7. (a) Probability density function of the misorientation angle between random positions on the free-surface. Comparison between the experimental measurements and the theoretical McKenzie distribution for untextured materials (b) Cumulative distribution function of Geometrically Necessary Dislocations (GND) close to uncracked (in black) and cracked (in red) GB. Dotted lines correspond to 95% confidence bounds. Inset: GND field at the free surface. (For interpretation of the references to colour in this figure legend, the reader is referred to the web version of this article.)
图 7. (a) 自由表面随机位置间取向角的概率密度函数。无织构材料的实验测量值与 McKenzie 理论分布的比较 (b) 接近未开裂(黑色)和开裂(红色)晶界的几何必需位错(GND)的累积分布函数。虚线对应 95%置信区间。插入图:自由表面的 GND 场。(对于本图例中颜色引用的解释,读者请参阅本文的网页版本。)
2.3. Analysis of experimental data
2.3. 分析实验数据
2.3.1. GB normals 2.3.1. 晶界法线
本节首先评估了 GB 法向的 CDF。图 8 显示了在 SSRT 加载轴方向上对应于 轴的法向分量 的 CDF。如图 6b 所示,未开裂 GB(对应大多数 GB)的 CDF 几乎与法向分量的绝对值呈斜率为 1 的线性关系,这与无形态织构材料的预期结果一致。开裂 GB 与未开裂 GB 存在显著差异,其中开裂 GB 的 值在统计上更高。因此,与未开裂 GB 相比,开裂 GB 的另外两个法向分量 (图 8b)和 的 CDF 显著向低值偏移。

Fig. 8. Cumulative distribution functions of the GB normal components for uncracked (in black) and cracked (in red) GB (a) and (b) . Dotted lines correspond to 95% confidence bounds. (For interpretation of the references to colour in this figure legend, the reader is referred to the web version of this article.)
图 8. 未开裂(黑色)和开裂(红色)GB 的法向 分量 CDF(a) 和(b) 。虚线对应 95%置信区间。(对于本图图例中颜色引用的解释,请参阅本文的网络版本。)
这些结果与仅基于二维观察的研究结果一致(例如[19]),支持辐照不锈钢的晶间应力腐蚀开裂(IGSCC)与局部应力条件相关,因为在晶界上的正应力为 (假设为大小为 的单轴应力状态)。当然,由于晶粒间的相互作用,局部应力条件可能偏离单轴应力条件,但更高的晶间正应力主要与取向良好的晶界相关,因此在单轴加载条件下 值较高[43]。有趣的是,图 8 显示,相当数量的开裂晶界相对于机械加载轴并非取向良好,因此晶界取向并不是开裂的充分条件。
2.3.2. Slip transmission criteria
2.3.2. 滑移传递准则
基于在 PWR 环境下测试的辐照奥氏体不锈钢样品表面滑移痕迹的实验观察,已有报道表明滑移不连续性与裂纹之间存在相关性[14]。文献中已提出了几种滑移传递准则来预测此类不连续性[44]。因此,使用可靠的滑移传递准则是预测最易开裂晶界的潜在方法。然而,这些准则与实验观察的评估仍然稀缺[45],据作者所知,目前还没有针对辐照奥氏体不锈钢进行过此类评估。本研究获得的实验数据无法评估滑移传递准则的可靠性,因为晶界处滑移痕迹的(不)连续性尚未得到系统检查。然而,由于晶界两侧的晶体学取向和晶界法向取向已得到充分表征,因此评估了滑移传递准则与裂纹之间的相关性。 考虑在两个晶粒 和 之间的一个正常 晶界,每个晶粒都有一套滑移系统,具有相应的滑移方向 和滑移面法线 ,滑移传递参数 可以表示为:(1)
本研究中使用的滑移传递标准总结在表 1 中。存在更复杂的滑移传递标准[44],但它们依赖于需要校准的附加材料参数,因此未使用。滑移传递基于为每个晶界定义的 12 x 12 矩阵 系数进行评估。在下文中,最大值 被用作滑移传递的指标。此外,还计算了 Schmid 因子,因为低值与沿晶开裂相关[46]。
Table 1. Summary of the slip transmission parameters used in this study [44].
表 1. 本研究[44]中使用的滑移传递参数总结。
| Empty Cell | Parameter 参数 |
|---|---|
| Livingston-Chalmers 利文斯顿-查默斯 | |
| Luster-Morris 拉斯特-莫里斯 | |
| Shen-Wagoner-Clark 沈-瓦格纳-克拉克 | with |
| Lee-Robertson-Birnbaum | with |
计算了 在未开裂和开裂晶界的累积分布函数,结果如图 9 所示。对于 Livingston-Chalmers 模型(图 9a),未观察到开裂和未开裂晶界之间存在显著差异,而 Lee-Robertson-Birnbaum 模型(图 9d)则出现轻微差异。Luster-Morris 和 Shen-Wagoner-Clark 模型(图 9b,c)存在显著差异,开裂晶界的 值较低。Luster-Morris 和 Shen-Wagoner-Clark 模型的不同之处仅在于前者使用了滑移面法线,而后者使用了滑移面法线与晶界法线的叉积。两种模型的开裂和未开裂晶界之间的差异相当相似,支持晶界法线可能不是开裂相关性中的关键因素。因此,以下仅考虑 Luster-Morris 模型。

Fig. 9. Cumulative distribution functions of slip transmission parameter for uncracked (in black) and cracked (in red) GB, using (a) Livingston-Chalmers (b) Luster-Morris (c) Shen-Wagoner-Clark and (d) Lee-Robertson-Birnbaum models. Dotted lines correspond to 95% confidence bounds. (For interpretation of the references to colour in this figure legend, the reader is referred to the web version of this article.)
图 9. 滑移传递参数 的累积分布函数,用于未开裂(黑色)和开裂(红色)的晶界,采用(a)Livingston-Chalmers 模型(b)Luster-Morris 模型(c)Shen-Wagoner-Clark 模型和(d)Lee-Robertson-Birnbaum 模型。虚线对应 95%置信区间。(关于本图例中颜色引用的解释,请参阅本文的网络版本。)
2.3.3. Intergranular cracking correlations
2.3.3. 晶间开裂相关性
前几节已经展示了晶间开裂与晶界法线良好取向(相对于加载轴)以及 Luster-Morris 参数低值之间的相关性。这两个标准可能与更高的局部晶间法向应力有关,因此似乎在 PWR 环境下辐照奥氏体不锈钢的 IGSCC 中起着重要作用。以下评估了同时使用晶界法线和 Luster-Morris 参数的相关性,定义为:(2)
满足公式 2 的 GB 百分比随参数 的变化关系如图 10a 所示,用于参考未开裂 GB 的情况,以便与图 10b 中开裂 GB 的情况进行比较。观察两个分布之间存在显著差异,这一点可以通过查看它们之间的差异来突出显示,该差异在图 10c 中进行了展示。研究发现,对于 ,约 65%的开裂 GB 满足公式 2,而只有 15%的未开裂 GB 满足。有趣的是,Luster-Morris 参数的阈值与文献[33]中基于滑移传递的实验观察所使用的阈值相似。这些结果表明,界面的局部力学状态是影响 PWR 环境中辐照奥氏体不锈钢的 IGSCC 的一个因素,但绝不是开裂的充分条件,因为 35%的开裂 GB 不满足公式 2。这一点在早期研究[20]中已经指出,将在第 4 节中讨论。

Fig. 10. Percentage of GB fulfilling Eq. 2 as a function of the parameters for (a) uncracked and (b) cracked GB. (c) Differences between (a) and (b).
图 10. GB 满足公式 2 的百分比随参数 的变化关系,(a)未开裂和(b)开裂的 GB。(c)(a)和(b)之间的差异。
为了更详细地了解裂纹与 Luster-Morris 参数低值之间观察到的相关性,评估了额外的相关性。正如先前研究基于这种情况会导致更高应力的论点,发现晶界[20]一侧的晶间裂纹与 Schmid 因子低值之间存在相关性。已计算并示于图 11a 的最小 Schmid 因子的累积分布函数。对于这些实验数据,裂纹晶界的最小 Schmid 因子似乎也较低,尽管差异很小。更重要的是,计算了定义晶界晶粒的取向角,并在图 11b 中显示了分布。对于未开裂的晶界,约 60%的取向角接近 60°,这对应于 孪晶界。对于开裂的晶界,这一比例要低得多,约为 20%。这一结果与先前研究一致,这些研究表明特殊晶界,尤其是 ,在奥氏体不锈钢中不易发生晶间应力腐蚀开裂[46],[47]。基于这一结果,裂纹与良好取向晶界之间的相关性(如图所示) 8a) / 低 Luster-Morris 参数值(图 9b)通过仅考虑非 GB 并假设 GB 对裂纹的敏感性较低而重新评估。GB 法向分量 (图 12a)的分布与考虑所有 GB(图 8a)获得的分布相似。未开裂 GB 的 Luster-Morris 参数分布(图 12b)与图 9b 中所示完全不同,而开裂 GB 的分布受影响较弱。这是由于 Luster-Morris 参数 对 GB。然而,开裂 GB 仍然表现出较低值。

Fig. 11. Cumulative distribution functions of (a) minimal Schmid factor (b) misorientation angle for uncracked (in black) and cracked (in red) GB. Dotted lines correspond to 95% confidence bounds. (For interpretation of the references to colour in this figure legend, the reader is referred to the web version of this article.)
图 11. 未开裂(黑色)和开裂(红色)GB 的(a)最小 Schmid 因子(b)取向角累积分布函数。虚线对应 95% 置信区间。(对于本图例中颜色引用的解释,请参阅本文的网络版本。)

Fig. 12. Cumulative distribution functions of (a) normal component and (b) slip transmission parameter using Luster-Morris model, for uncracked (in black) and cracked (in red) non GB. Dotted lines correspond to 95% confidence bounds. (For interpretation of the references to colour in this figure legend, the reader is referred to the web version of this article.)
图 12. 使用 Luster-Morris 模型得到的(a)法向分量 和(b)滑移传递参数 的累积分布函数,包括未开裂(黑色)和开裂(红色)的非 GB。虚线表示 95%置信区间。(对于本图例中颜色引用的解释,读者请参考本文的网络版本。)
图 12b 所示结果表明,裂纹与 Luster-Morris 参数低值(图 9b)之间的相关性至少有两种不同的来源。第一种来源是未开裂晶界相对于开裂晶界中 型晶界的过代表现。仅限于非 型晶界时,图 12b 中仍观察到显著的统计差异,这归因于晶界处滑移不连续性的影响。如前所述,仍需进一步研究以评估 Luster-Morris 准则是否能够有效预测辐照奥氏体钢中晶界处的滑移(不)连续性。注意,此类评估已在铝中完成[45],并与某些附加准则相关的实验观察结果吻合良好。然而,本研究获得的实验结果表明,辐照奥氏体钢的 IGSCC 裂纹优先发生在取向良好的非 型晶界上,这与先前研究的结果一致,但也发生在 Luster-Morris 参数值低的晶界上(图 12b),据作者所知,这是一个新的发现。
3. Numerical assessment 3. 数值评估
前文进行的微观力学分析表明,在 PWR 环境中辐照奥氏体不锈钢的晶间开裂与局部晶间(法向)应力有关,尽管这些应力既不是开裂的充分条件也不是必要条件。在本节中,基于实验部分获得的 3D 微观结构,进行了数值模拟,以评估这种微观力学建模方法的优缺点,并为进一步研究提供方向。
3.1. Constitutive equations
3.1. 本构方程
基于物理的晶体塑性(CP)本构方程被广泛用于描述单晶的塑性,考虑了滑移系和硬化机制引起的各向异性[32]。使用 CP 方程对多晶聚集体进行模拟,可以估算均匀化行为,或评估晶内和晶间应力,例如文献[25]、[26]中所述。针对辐照材料,已开发出专门的基于物理的晶体塑性本构方程,考虑了辐照缺陷的存在[48]、[49]、[50]。此类模型的关键要素是辐照缺陷对硬化的影响以及位错对辐照缺陷的清除。针对在 PWR 条件下辐照的奥氏体不锈钢,提出的本构方程较少[26]、[51]。经过标定,这些模型能够再现多晶行为随辐照的演变。以下将使用文献[26]中描述的模型。该模型的主要三组方程如下所述。 对于每个滑移系统 ,对应滑移方向 和法向滑移面 (定义 Schmid 张量 ),剪切应变 的演化由下式给出:(3)where and are the resolved shear stress and the Critical Resolved Shear Stress (CRSS), respectively, and the Cauchy stress tensor. For FCC materials, 12 slip systems are considered. The viscoplastic regularization through the parameters and is used for numerical reasons, and chosen such as to have a nearly time-independent response. The evolution of the CRSS is given by:
其中 和 分别为 resolved shear stress 和 Critical Resolved Shear Stress (CRSS), 为 Cauchy 应力张量。对于 FCC 材料,考虑 12 个滑移系统 。通过参数 和 的粘塑性正则化用于数值原因,并选择使其具有近似时间不变的响应。CRSS 的演化由下式给出:(4)where is an effective lattice friction stress that may account for Hall-Petch effects when calibrated with respect to polycrystalline aggregates simulations. A so-called avalanche term introducing a softening after yielding is set by the parameters and . is a normalized dislocation density in slip system (normalization factor with Burgers vector m), and are respectively the macroscopic shear modulus and matrix (with 6 independent parameters) of long-range interactions between dislocations. is a normalized Frank loop density in slip plane (normalization factor with Burgers vector m), the mean size of Frank loops that depends on irradiation level and sets the relative contribution of Frank loops to hardening. The evolutions of dislocation density and Frank loops density are:
其中 是一个有效晶格摩擦应力,当根据多晶聚合体模拟进行校准时,它可以解释霍尔-佩奇效应。一个引入屈服后软化的所谓雪崩项由参数 和 设定。 是滑移系统 中的归一化位错密度(归一化因子 ,布氏矢量 m), 和 分别是宏观剪切模量和位错之间长程相互作用的矩阵(具有 6 个独立参数)。 是滑移面 中的归一化弗兰克回线密度(归一化因子 ,布氏矢量 m), 是弗兰克回线的平均尺寸,它取决于辐照水平, 设定了弗兰克回线对强化的相对贡献。位错密度和弗兰克回线密度的演化如下:(5)where is a matrix of interactions between dislocations, being of the same shape as . Parameters and set the multiplication and annihilation mechanisms, respectively. The irradiation effects are modelled by adding a term to the multiplication part, with being a coefficient of effective interaction between dislocations and Frank loops. The evolution of Frank loops depends on the parameter which is the annihilation dimensionless area (rescaling factor ) of Frank loops and is a stabilized value of normalized defect density which depends on the irradiation dose. Since removal of Frank loops by mobile dislocations occurs only within the plane of the loop, only slipping in this plane can contribute to the evolution of defect density (). Anisotropic elasticity is finally considered, with non-zero parameters of the elastic fourth order tensor and in Voigt notations.
其中 是位错间相互作用的矩阵,形状与 相同。参数 和 分别设定了乘积机制和湮灭机制。辐照效应通过在乘积部分添加一项来建模,其中 是位错与弗兰克环之间有效相互作用的系数。弗兰克环的演化取决于参数 ,它是弗兰克环的湮灭无量纲面积(缩放因子 ),而 是归一化缺陷密度的稳定值,该值取决于辐照剂量。由于移动位错移除弗兰克环仅发生在环的平面内,因此只有该平面内的滑移才能对缺陷密度的演化( )做出贡献。最后考虑各向异性弹性,Voigt 记号中弹性四阶张量的非零参数 和 。
在晶界处的滑移传递已被证明是辐照奥氏体不锈钢发生晶间应力腐蚀开裂的关键因素。本研究获得的数据通过观察 Luster-Morris 参数(与滑移传递较少相关)的低值与开裂之间的相关性,支持这一观点(图 12b)。使用上述详细给出的本构方程在多晶聚集体模拟中,不进行任何额外的建模,对应于完全透明晶界的假设。晶间应力将仅由晶粒间的相互作用产生,这显然是一个限制。最近在[33]中提出的模型考虑了对位错密度演化定律的简单修改,如下所示:(6)where is an additional parameter and is the normalized (with ) minimal distance to a GB along slip system . The parameter depends on the value of the Luster-Morris parameter such as:
其中 是一个附加参数, 是沿滑移系统 到晶界的归一化(用 )最小距离。参数 取决于 Luster-Morris 参数的值,例如:(7)where corresponds to the slip systems of the closest grain (at a distance ). Far from the GB, Eq. 6 and 7 tend to Eq. 5, i.e. no effect of GB on the local mechanical behavior. Close to the GB, a strong increase of the density of dislocations is obtained in slip systems where slip transmission is unlikely, leading to a strong hardening through Eq. 4. The parameters of the constitutive equations are taken from [26] for a dose of 2 dpa, consistent with the average dose of the irradiated layer of the sample (Fig. 1a). The parameter was set to in [33]. is also used to recover Eq. 5. From Eq. 6, it can be noticed that the modelling of GB has an effect for:
对应于最近晶粒的滑移系统(距离 )。远离晶界(GB)时,公式 6 和 7 趋向于公式 5,即晶界对局部力学行为无影响。靠近晶界时,在滑移传递不太可能的滑移系统中,位错密度显著增加,通过公式 4 导致强烈的硬化。本构方程的参数取自文献 [26],对应 2 dpa 的剂量,与样品辐照层(图 1a)的平均剂量一致。参数 在文献 [33] 中被设置为 。 也用于恢复公式 5。从公式 6 可以看出,晶界建模对以下方面有影响:(8) thus the discretization used in simulations should be finer to have any effects. All the parameters are summarized in Table 2.
因此,模拟中使用的离散化应该更精细才能产生任何效果。所有参数汇总于表 2。
Table 2. Parameters of the crystal plasticity constitutive equations.
表 2. 晶体塑性本构方程的参数。
| (GPa) | (GPa) | (GPa) | (MPa) | (MPa) | (GPa) | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 199 | 136 | 105 | 15 | 10 | 88 | 65.6 | 42.8 | 10.4 | |
| 0.44 | 50 | [0,5] |
本构方程已在 MFront 代码生成器[52]中采用完全隐式积分方案,通过牛顿-拉夫逊算法在有限应变设置下实现。关于数值实现的详细信息,请参见[26]。
3.2. FFT simulations 3.2. 快速傅里叶变换模拟
数值模拟是使用实验获得的 3D 重建微观结构(图 13a)进行的,采用了快速傅里叶变换(FFT)求解器 AMITEX_FFTP [53]。FFT 方法基于规则的网格,根据 Lippmann-Schwinger 方程[54]计算力学平衡。

Fig. 13. (a) 3D microstructure used for the FFT simulations: colors correspond to the different crystallographic orientations. (b) Distance to the closest GB along the slip direction 1.
图 13. (a) 用于快速傅里叶变换模拟的三维显微结构:颜色对应不同的晶体学取向。(b) 沿滑移方向 1 到最近晶界的距离 。
所有体素(voxels)的力学行为对应于上一节描述的本构方程。这些方程的参数汇总于表 2,每个体素的晶体学取向由实验值给出。仅考虑辐照层,其材料参数为常数,因此忽略了沿厚度方向的剂量分布效应。方程 6 中的距离 在图 13b 中显示,采用简化方法,即在每个平面上分别计算到最近晶界(GB)的距离。对于每个体素和滑移系统 ,计算 Luster-Morris 参数 ,其中 对应于相邻晶粒的滑移系统,并使用方程 7 定义 。FFT 方法仅允许对周期性结构施加宏观(体积平均)应变/应力(或混合)加载条件。单轴应力加载条件施加如下:(9) where the x-axis corresponds to the loading axis during the SSRT. Due to the fact that the microstructure is not periodic along the in-plane directions, such condition might create some artefacts close to the boundary. In addition, to simulate the free-surface effect, a stress-free layer of one voxel is added at the surface. Macroscopic deformation gradient is applied along the axis up to 4% strain, as in the SSRT. All simulations have been performed using the full 3D microstructure with an in-plane discretization of 2 μm and through thickness discretization of 0.5 μm, corresponding to 6M voxels. Additional simulations presented in Appendix C have shown that coarser discretizations or considering a larger thickness does not affect the conclusions presented hereafter. Simulations have been performed using to evaluate the effect of slip transmission modelling on GB local stresses. The first case corresponds to fully transparent GB, the last to the value used in [33].
其中 x 轴对应 SSRT 期间的加载轴。由于微观结构在平面方向上不是周期性的,这种条件可能在边界附近产生一些伪影。此外,为了模拟自由表面效应,在表面添加了一层无应力的 1 个体素层。宏观变形梯度 沿 轴施加,应变高达 4%,与 SSRT 相同。所有模拟均使用完整的 3D 微观结构 进行,平面方向离散化间距为 2μm,厚度方向离散化间距为 0.5μm,对应 6M 个体素。附录 C 中给出的额外模拟表明,更粗糙的离散化或考虑更大的厚度不会影响此处得出的结论。使用 进行模拟,以评估滑移传递建模对晶界局部应力的影响。第一个案例对应完全透明的晶界,最后一个案例对应[33]中使用的值。
3.3. Numerical results 3.3. 数值结果
在 Cobalt 超级计算机(CCRT/CEA)上进行了模拟,每个模拟在 1624 个处理器上提供约 48 小时的典型运行时间。在聚集体自由表面上,应力和应变场分别的典型结果如图 14 和图 15 所示。对于 ,即完全透明的晶界,由于不同的晶体学取向,可以观察到局部应力(图 14a)的晶粒间变化。晶界似乎没有比相邻晶粒内部更高的应力,这与没有晶界建模一致。在应变场中出现了有趣的特征,如图 15a 所示。在聚集体尺度上,出现了跨越多个晶粒的局部化带,而在晶粒尺度上,还存在额外的局部化带。这些局部化的根本原因是晶体尺度(通过移除辐照缺陷)和聚集体尺度(如图 16a 所示,并将在下文中讨论)的软化机制。晶粒内局部化带预计与网格相关,因为模型中没有使用正则化。使用晶界建模时,结果差异很大,如图 14b 和图 15b 所示,对于 。 在晶界处的应力高于晶粒内部的应力,这是由于滑移传递的缺失,从而导致这些晶界附近的位错倍增,如式 6 所示。同时,晶粒内部的应变高于靠近边界处,如图 15b 所示。尽管仍可观察到一些晶粒内局部化带,但在聚集尺度上没有局部化现象。

Fig. 14. Stress field at the free surface of the aggregate for an applied strain of for (a) and (b) .
图 14. 聚集体的自由表面在施加应变为 时的应力 场,对于(a) 和(b) 。

Fig. 15. Deformation gradient field at the free surface of the aggregate for an applied strain of for (a) and (b) .
图 15. 聚集体的自由表面在施加应变为 时的变形梯度 场,对于(a) 和(b) 。

Fig. 16. (a) Aggregate stress-strain curves. (b) Intergranular normal stresses at the free surface of the 3D microstructure for .
图 16. (a) 集合应力-应变曲线。 (b) 3D 微观结构的自由表面处沿晶界法向应力 对于
总应力-应变曲线如图 16a 所示。对于 ,获得了几乎完美的塑性行为,这与 2 dpa 304L 的力学行为[26]一致。在屈服后观察到轻微的软化,随后呈现具有较小硬化模量的硬化行为。由于本研究中使用的集料厚度较小,平面应力条件占主导地位,因此整体应力幅度低于[26]中在 3D 集料上使用相同本构方程所报告的应力幅度。如前所述,已经验证了减小厚度确实会改变宏观应力-应变曲线,但不会改变自由表面上的应力值(附录 C),这是裂纹萌生的主要关注点。对于 ,由于位错在晶界处累积,滑移传递不太可能,因此观察到强烈的硬化行为[33]。正如预期的那样, 的应力-应变曲线与 2 dpa 奥氏体不锈钢不一致,因为本构方程的其他硬化参数是在假设 的情况下校准的。 为了获得理想的近似完全塑性的宏观行为,应考虑因辐照缺陷去除而导致的更强软化效应,这将导致更异质的晶内变形行为。这种校准将在未来的研究中进行。
自由表面处的局部应力以及晶界位置和法线被用于计算宏观应变为 时的晶间正应力,该应变值对应于 PWR 环境下 SSRT 4 结束时的最大值:(10)
晶间正应力的计算结果典型地显示在图 16b 中,其中 的幅度可以看出强烈依赖于晶界位置。这些结果被用于计算未开裂和开裂晶界的 累积分布函数,以及通过参数 评估晶界建模的影响。由于文献和本研究都表明 晶界具有抗开裂性,因此仅在非 晶界上计算分布。
对于 ,即完全透明的晶界,发现裂纹晶界处的归一化晶间法向应力高于未裂纹晶界(图 17a)。这一观察结果与图 8 所示实验数据分析一致,在该分析中,沿加载轴的法向分量值更大,这与更高的晶间法向应力相关。差异相当显著:例如,约 60%的裂纹晶界具有晶间法向应力 ,而约 20%的未裂纹晶界具有该应力。对于 (图 17b),未裂纹和裂纹晶界均观察到向更高 值的偏移,显示了此类晶界建模的有效性。未裂纹和裂纹晶界之间仍存在差异。然而,对于当前模型,观察到其对未裂纹和裂纹晶界的影响相似,表明图 12b 中指出的差异不足以增加裂纹晶界处的局部应力。图 17 所示结果表明,裂纹晶界具有统计上更高的晶间法向应力,但观察到的差异不足以定义裂纹判据。 通过 Luster-Morris 参数进行晶界建模,尽管实验上发现与裂纹相关,但并不能加剧差异。

Fig. 17. Cumulative distribution functions of normalized intergranular normal stress for uncracked (in black) and cracked (in red), for (a) and (b) . (For interpretation of the references to colour in this figure legend, the reader is referred to the web version of this article.)
图 17. 未开裂(黑色)和开裂(红色)的归一化晶间法向应力 的累积分布函数,(a) 和 (b) 。(对于本图例中颜色引用的解释,读者请参阅本文的网络版本。)
这多少是意料之中的,因为这项分析的基本假设是所有(非 )晶界具有相同的强度,这显然是一个很强的假设。因此,基于这些数值结果,评估考虑不同晶界强度对裂纹预测的影响是有趣的。图 18 显示了根据实验观察将晶界定义为裂纹和未裂纹的百分比,考虑未裂纹晶界和裂纹晶界之间存在差异的晶界强度 。完全预测模型对应于裂纹晶界的裂纹分数为 1,未裂纹晶界的裂纹分数为 0。考虑所有晶界具有相似强度(将 和 任意设置为宏观应力),裂纹分数之间的差异很小。增加 会导致裂纹分数发生剧烈变化,表明这种微观力学方法结合能够准确预测晶界强度的某些模型可能是一种有前景的方法。

Fig. 18. Cracking fraction for uncracked and cracked GB as a function of differential GB strength for for (a) and (b) .
图 18。未裂纹和裂纹晶界的裂纹分数随差异晶界强度 变化的函数,对于 为 (a) 和 (b) 。
4. Discussion 4. 讨论
这项研究的关键实验结果是观察到裂纹萌生与 Luster-Morris 滑移传输准则之间的相关性。这一结果使得能够超越基于试验后观察到的滑移不连续性的相关性,并为可能无需明确考虑位错通道现象的 IGSCC 的微观力学方法开辟了道路。当前微观力学方法的优缺点现在将详细说明。
4.1. Towards a micromechanical approach for IGSCC
4.1. 迈向 IGSCC 的微观力学方法
基于 FFT 的并行求解器能够处理大规模模拟,使得晶体塑性模拟在真实多晶集合体上评估局部应力/应变场成为可能,同时考虑了晶粒形状导致的几何形状和晶体学取向导致的各向异性,这种方式既物理又高效。这允许自然地考虑晶界法向和晶粒间相互作用对晶间应力的影响,这显然是这种方法的优点,正如本研究的结果所证明的那样。主要弱点在于晶体尺度的本构方程和晶界建模。首先,尽管描述位错和缺陷硬化及演化的方程基于物理原理,但由于缺乏单晶的实验结果,参数的校准和验证仍不完整。这一点对于辐照奥氏体不锈钢尤为突出,文献中可用的数据很少[55],[56],[57],其中大多数数据显示出由于使用小尺寸样品而导致的尺寸效应。 在[26]中描述的模型中,部分参数取自低尺度模拟(例如,用于相互作用矩阵系数的离散位错动力学),而其他参数(尤其是与硬化相关的参数)则通过与多晶聚集体结果进行校准,这并不能保证本构方程会为单晶材料带来令人满意的结果。其次,尽管[33]中提出的界面效应建模方法在本研究中被采用,该方法既基于物理原理又具有数值效率,但仍需通过专门的实验观察来支持,包括辐照不锈钢中的滑移传递实验观察以及局部应力测量的实验数据。尽管需要大量实验观察,但这两种弱点有望在不久的将来得到克服。多晶聚集体中晶粒内的应变局部化建模是一个更大的挑战。已有研究表明,一条定义明确的滑移带与特定界面的相互作用可能导致断裂[17],但应用相同标准需要模拟晶体尺度上出现的所有滑移带。 需要梯度增强晶体塑性本构方程来规范应变局部化和确保数值模拟中的网格无关性。此外,由于软化行为是应变局部化的必要条件,因此改进本构方程的标定也是必要的。除此之外,尽管文献中已有数值工具可用于执行表现出规范晶粒内应变局部化的大规模模拟[30][31],但正如实验观察到的辐照奥氏体不锈钢的情况,如何控制滑移带之间的距离仍然未知(尽管已开发出理论模型来预测这种距离[58])。与此同时,通过[33]中提出的模型考虑滑移传递,一旦正确标定仅影响易开裂的晶界,这是一种有前景的介观方法,用于检测滑移连续性不太可能且因此更易开裂的晶界,而无需显式考虑位错通道。
上述所有关于微观力学方法的优点和缺点都涉及局部应力的准确预测。当然,沿晶断裂也取决于晶界强度,而晶界强度可能受辐照、氧化时间、晶界类型等因素影响。前几节中展示的实验和数值分析结果清楚地表明,高局部沿晶应力并不是断裂的充分条件,并且晶界强度的差异可能对断裂预测有重要影响(图 18)。晶界强度和沿晶氧化将在下一节讨论。
4.2. Grain boundary oxidation
4.2. 晶界氧化
晶界强度,在上一节中被定义为超过其发生断裂的临界正应力,并非固有属性。应将其视为一种有效属性,该属性取决于晶界类型——例如, 晶界被认为具有抗裂性能[47]——以及环境脆化作用。因此,晶界氧化预计在沿晶应力腐蚀开裂(IGSCC)中发挥关键作用。对于某些镍基合金,专门实验已能量化高温水环境中的沿晶氧化[59]以及氧化导致的晶界强度急剧下降[60]。然而,即使对于未辐照的奥氏体不锈钢,在压水堆(PWR)环境中的沿晶氧化实验量化数据仍然稀缺。在[61]中,对多个晶界进行的透射电子显微镜(TEM)观察表明,氧化程度强烈依赖于所考虑的晶界类型,这可以解释为什么对于两个具有相同估计局部应力的晶界,只有一个(或没有)会因不同的氧化状态而失效。对于辐照奥氏体不锈钢,在 PWR 环境中的沿晶氧化量化是一个已识别的研究空白。 基于 GB 类型对辐照诱导偏析的影响,已有间接观察结果。特别是, GB 已被证明具有抗偏析性[62]。确实需要专门的实验计划来量化,作为氧化时间、辐照水平和 GB 类型函数的晶间氧化以及裂纹与微观化学成分之间的相关性。尽管实验技术(如 FIB 样品的 TEM)是可用的,但这将需要大量时间,但似乎为了改进 IGSCC 的微观力学方法不可避免。关于 GB 类型对奥氏体不锈钢晶间氧化的影响,最近基于原子堆积密度(APD)定义提出的模型在高腐蚀环境中与晶间腐蚀显示出有希望的关联[63]。对于本研究获得的实验数据,计算了每个晶粒的 APD,并使用 GB 相邻的两个晶粒中的最小值作为 GB APD。 然而,在未开裂和开裂的晶界之间未观察到差异,表明正如[63]中所述的晶界原子偏析可能无法预测压水堆环境中奥氏体不锈钢的晶界氧化/强度。
5. Conclusion and perspectives
5. 结论与展望
基于对在 PWR 环境下测试的 304L 质子辐照样品的三维微观结构(通过逐级抛光和二维 EBSD 重建)的分析,提出了一种辐照奥氏体不锈钢的 IGSCC 微观力学分析。这种分析超越了文献中通常仅基于二维观察的分析,特别是在晶界法向和滑移传递标准方面。此外,所考虑的大体积(因此裂纹数量多)使得对数据进行统计分析成为可能。观察到沿晶裂纹与晶界相对于 IGSCC 测试期间施加的机械载荷的优取向之间存在相关性。此外,对几种滑移传递标准的评估显示,Luster-Morris 参数(仅涉及晶界两侧的晶体学取向)与裂纹之间存在相关性。有趣的是,最近的研究中,这种滑移传递标准已被提出用于其他 FCC 材料,并显示出预测滑移(不)连续性的能力。 基于重建的 3D 微观结构和考虑晶界滑移传递的晶体塑性本构方程修改的微观力学模拟已被执行。这些模拟的两个主要结果是:首先,裂纹晶界的局部应力更高;其次,证明考虑晶界强度差异对裂纹预测有显著影响。此外,文献[33]中描述的晶界建模在数值上高效且有效,能够增加滑移传递不太可能发生的局部应力,并是一种有前景的中尺度方法,用于解释裂纹与滑移不连续性依赖关系,而无需明确描述位错通道。这些模拟指出了主要的研究差距,即在于寻找晶界强度与晶界类型和氧化的依赖关系,为未来的研究指明了方向。
CRediT authorship contribution statement
CRediT 作者贡献声明
D. Liang:研究、软件、形式分析、写作 - 审稿与编辑。J. Hure:研究、软件、形式分析、写作 - 初稿、指导、概念化。A. Courcelle:研究、写作 - 审稿与编辑。S. El Shawish:研究、软件、写作 - 审稿与编辑。B. Tanguy:概念化、写作 - 审稿与编辑。
Declaration of Competing Interest
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本论文中报告的工作。
Acknowledgements 致谢
作者们由衷感谢斯洛文尼亚研究机构(项目 P2-0026)和法国原子能委员会提供的资金支持。
Appendix A. 3D EBSD reconstruction
附录 A. 3D EBSD 重建
本节提供了有关 EBSD 数据校正和 3D EBSD 重建的技术细节。对于每个 EBSD 图像,晶体学相和取向是在图 19a 中显示的框架 中获得的。欧拉角 定义在以下位置:(11)

Fig. 19. (a) SEM image of the area identified by the indents in the EBSD configuration (70° tilt angle) (b) Correction of the SEM image.
图 19. (a) EBSD 配置中由压痕确定的区域的 SEM 图像(70°倾斜角) (b) SEM 图像的校正。
需要对坐标进行校正以消除图像畸变,例如压痕的位置:(12)go back to their initial positions and forming a square of size 1 (Fig. 19b):
使其回到初始位置并形成边长为 1 的正方形(图 19b):(13) which allows to define piecewise linear transformations in the triangles (ACD) and (ABD) and to determine the real position of the Euler angles measurements:
这允许在三角形(ACD)和(ABD)中定义分段线性变换,并确定欧拉角测量的实际位置:(14)
在 SEM 图像上测量与维氏压痕位置对应的系数 。然而,如图 20a 所示,对每个 2D EBSD 图分别应用校正并不能防止 3D 重建伪影。因此允许对每个维氏压痕的位置 进行校正,并通过最大化当前 EBSD 图与前一图之间的第一欧拉角 的互相关来确定:(15) where denotes the convolution product. Derivative-free Nelder-Mead algorithm is used to compute Eq. 15, allowing to successfully align successive EBSD maps, as shown in Fig. 20b. All computations have been performed using Matlab software.
其中 表示卷积积。使用无导数的 Nelder-Mead 算法计算公式 15,成功地对连续的 EBSD 图进行对齐,如图 20b 所示。所有计算均使用 Matlab 软件完成。

Fig. 20. Stacking of successive 2D EBSD maps to reconstruct the 3D microstructure, (a) without and (b) with the use of Eq. 15.
图 20. 堆叠连续的 2D EBSD 图以重建 3D 微观结构,(a)不使用和(b)使用公式 15。
重建算法允许校正连续 EBSD 扫描的平面内错位,但未对潜在的平面外错位进行校正。图 21a 显示了在 mm 正方形的四个维氏压痕处测量的去除厚度随抛光步骤的变化。最大绝对差约为 m,这对应于相对于初始平面的 角度。因此,抛光程序引起的平面外错位可以忽略不计。

Fig. 21. (a) Evolutions of the thickness removed measured at the four Vickers indents locations as a function of the polishing step (b) Evolutions of the Euler angle along the three axis, starting from points located at the surface of the reconstructed microstructure in the middle of large grains.
图 21. (a) 维氏压痕位置处去除厚度随抛光步骤的变化 (b) 沿三个轴的欧拉角 的变化,从重建微观结构中大型晶粒中间表面上的点开始
然而,SEM 样品台上样品安装不正确导致的错位需要量化。在重构的微观结构表面(图 20b)的大晶粒中心选择点,沿三个轴的欧拉角变化如图 21b 所示。沿厚度(z 轴)的变化与平面内的变化属于同一数量级,表明面外错位可以忽略不计。
Appendix B. Detection of grain boundaries
附录 B. 晶界检测
本节提供了本研究中用于重建多晶样品自由表面晶界的更详细技术描述。重点在于根据在两个最初堆叠在样品中的平行表面上获得的两个 EBSD 图像,计算平面内和面外晶界斜率。第一步包括在顶平面网格上识别所有晶界体素。如果体素在其由上、下、左、右四个体素组成的直接邻域中(在规定的容差范围内)恰好识别出一种额外的颜色,则该体素被定义为晶界体素。通过这种方式,每个识别出的晶界体素都由相应的颜色对表征。然而,如果在邻域中发现两种或更多种额外颜色,则该体素被定义为三重点体素。
在第二步中,每个晶界体素被分配一个平面晶界斜率,这是通过考虑其周围具有相同颜色对的同类晶界体素邻域来实现的。这些相邻同类体素的中心组成一个二维离散对象,该对象进一步用于计算(平面)惯性矩最小的轴。这样的轴被视为围绕相应晶界体素的(复杂)对象的主方向,因此在此处也用于表示平面晶界斜率(用 表示)。上述步骤在图 22 中针对三个不同的邻域范围进行了演示。在这里,范围由参数 表征,该参数计算围绕一个晶界体素周围的体素层数。

Fig. 22. Enlarged section of the top plane sketching the calculation of the in-plane GB slope (red line) in a selected GB voxel (thick white square) using same-like GB voxels (thick black squares) within the prescribed nearest-neighbor voxel region of size (thin white square) for (a) (b) and (c) . The slope is calculated from the moment of inertia of the 2D discrete object composed of black square centers: the slope corresponds to the eigenaxis with the smallest eigenvalue. (For interpretation of the references to colour in this figure legend, the reader is referred to the web version of this article.)
图 22. 选中晶界体素(粗白方框)中平面晶界斜率(红线)的计算放大截面图,使用指定最近邻体素区域(大小为 ,细白方框)内的类似晶界体素(粗黑方框)进行计算,分别为(a) (b) 和 (c) 。斜率通过由黑方框中心组成的二维离散对象的转动惯量计算得出:斜率对应于具有最小特征值的特征轴。(对于本图例中颜色引用的解释,读者请参阅本文的网络版本。)
图 23 显示了所有晶界体素平面晶界斜率,再次使用了三种不同的考虑邻域范围( )。根据晶粒尺寸,该方法在给定 时局部性能有所不同。通常,较大的 会产生更平滑的斜率,而较小的 能更好地识别小晶粒。在此, 或 3 似乎是最佳选择。

Fig. 23. Detection of GB on the top plane. Black lines denote the calculated in-plane GB slopes of GB voxels using (a) (b) or (c) surrounding voxel layers. Red points denote triple points and white points a neighborhood of each triple point where GB detection is avoided.
图 23. 顶平面上的晶界检测。黑线表示使用(a) (b) 或 (c) 周围体素层计算得出的晶界体素的面内晶界斜率。红点表示三重点,白点表示每个三重点周围的 邻域,在此邻域中避免晶界检测。
在方法的第三步中,对顶平面上的每个晶界体素生成四个垂直横截面,见图 24。通过识别底平面上的相同晶界类型(颜色对),可以在每个横截面上计算面外晶界斜率 ( )。此外,很明显, 的精度随着两个平面之间距离的增加而提高。

Fig. 24. (a) Top plane and (b) bottom plane with black lines denoting in-plane GB slopes of the top plane (for ) and red lines denoting four vertical planes A, B, C, D used to make four vertical cross sections shown in (c)-(f). Same GB type (color pair) is detected on the bottom plane in cross sections (c) A and (d) B, which allows to define the out-of-plane GB slopes and respectively. (For interpretation of the references to colour in this figure legend, the reader is referred to the web version of this article.)
图 24. (a)顶面和(b)底面,其中黑线表示顶面的平面晶界斜率(对于 ),红线表示用于制作(c)-(f)中所示四个垂直截面的四个垂直平面 A、B、C、D。在(c)A 和(d)B 的截面上检测到相同的晶界类型(颜色对),这允许分别定义平面外的晶界斜率 和 。(对于本图例中颜色引用的解释,读者请参阅本文的网络版本。)
在最后一步,根据所有晶界体素的平面外和平面内斜率,最终计算晶界法线。分配给某个特定晶界体素的晶界法线 ,根据图 25 中的定义,由平面内斜率 和平面外斜率 计算得出(省略归一化)(16)In principle, one and are enough to determine a GB normal unambiguously. However, if more than one is available, an average out-of-plane slope is calculated first to reduce the error employed in the estimation of . In this respect, all available are first transformed to one common cross section (labeled D) to obtain
原则上,一个 和一个 就足够明确地确定晶界法线 。然而,如果有多个 可用,则首先计算平均平面外斜率 ,以减少在 估计中使用的误差。在这方面,所有可用的 首先被转换到一个共同的截面(标记为 D)以获得(17)using Eq. (16). The average slope is then calculated as
使用公式(16)计算平均斜率 。(18)using the rule for calculating the mean of angles. Finally, a GB normal is calculated as
使用计算角度平均值的规则。最后,计算出一个 GB 法线。(19)followed by a proper normalization.
随后进行适当的归一化处理。

Fig. 25. Four 3D sketches showing different vertical cross sections (red planes) crossing the assumed GB plane (gray plane). These plots are used to derive the expressions for GB normal as a function of the in-plane slope at the top plane and one of the out-of-plane slopes (), see Eq. (16). (For interpretation of the references to colour in this figure legend, the reader is referred to the web version of this article.)
图 25. 四个 3D 草图展示了不同的垂直截面(红色平面)穿过假设的晶界平面(灰色平面)。这些图用于推导晶界法向 作为顶平面平面内斜率 和其中一个平面外斜率 ( )的函数的表达式,见公式(16)。(对于本图例中颜色引用的解释,读者请参阅本文的网络版本。)
图 26、27 展示了顶底平面 之间距离和平滑参数 变化对晶界法向分量的影响。参数 主要影响 分量(图 26c),而对其他分量的影响较弱(图 26a,b)。由于 EBSD 数据的离散性,晶界平面外分量的确定精度随 值增大而提高,而评估表面附近晶界法向时需要较低值。在下文中,选择 m 作为折衷值,同时考虑到计算出的晶界法向对应于厚度 的平均值。

Fig. 26. Cumulative distribution functions of GB normal components as a function of the distance between the top and bottom planes .
图 26. GB 法向分量累积分布函数随上下平面 之间距离的变化

Fig. 27. Cumulative distribution functions of GB normal components as a function of the value of the smoothing parameter .
图 27. GB 法向分量累积分布函数随平滑参数 值的变化
平滑参数 的影响更为有限,如图 27 所示。为了在小晶粒检测和平滑二维 GB 之间取得平衡,论文中报告的分布选择了 作为平滑参数。
最后,图 28 评估了裂纹投影对晶界的影响。如 2.2.2 节所述,如果 EBSD 图中位置 的体素满足条件 ,则认为其对应裂纹,其中 为 SEM 观察确定的裂纹位置, 为 EBSD 分析所用的步长, 为控制投影过程的参数。图 28 展示了 对累积分布函数的影响。由于裂纹数量相对较少,未开裂晶界的分布不受参数 选择的影响。对于开裂晶界, 的更高值导致分布更接近未开裂晶界的分布,这与考虑更多假开裂晶界的事实一致。开裂晶界的比例取决于参数 的选择,对于 分别等于 。为了最小化假开裂晶界的数量,在论文主体部分呈现的所有 CDF 中,均采用参数 的最小值。这导致开裂晶界的比例较小,因此通过计算 CDF 的 95%置信区间评估不确定性。

Fig. 28. Cumulative distribution functions of (a) (b) (c) Luster-Morris parameter and (d) minimal Schmid factor for uncracked and cracked GB as a function of the parameter used to project cracks on GB.
图 28. 未开裂和开裂晶界的累积分布函数,包括(a) (b) (c) Luster-Morris 参数和(d)最小 Schmid 因子,作为用于在晶界上投影裂纹的参数 的函数。
Appendix C. Convergence analysis of numerical simulations
附录 C. 数值模拟的收敛性分析
第 3 节中数值结果的收敛性被评估了,评估依据是总体尺寸和体素尺寸。图 29a,b 展示了在自由表面上计算的宏观应力-应变曲线和晶间法向应力分布,针对所考虑的各种参数。对于平面体素尺寸为 m,比第 3 节中所有模拟结果所使用的 m 的值大 ,数值结果的收敛性已经实现。然而,对于 有轻微的影响。在厚度为 m 和 m 的聚集体之间的应力-应变曲线(图 29a)上观察到更显著的影响,这是由自由表面的影响引起的。关键点在于,聚集体厚度(和平面体素尺寸)对表面晶间法向应力的影响很弱,如图 29b 所示,这证明了第 3 节中报告的结果的收敛性。

Fig. 29. (a) Aggregate stress-strain curves and (b) cumulative distribution functions of intergranular normal stresses: Effect of the aggregate size ( vs. ) and in-plane voxel size ( vs. ). The out-of-plane voxel size is set to .
图 29. (a) 粒度应力-应变曲线和 (b) 间晶界法向应力的累积分布函数:粒度大小( 对比 )和平面体素尺寸( 对比 )的影响。平面外体素尺寸设置为 。
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- 1
- As the depth of the initial Vickers indents is smaller than the total thickness removed, new indents are regularly performed at the same locations than the previous ones.
由于初始维氏压痕的深度小于去除的总厚度,因此会在与先前相同的位置定期进行新的压痕。
- 2
- as implemented in the Matlab built-in function ecdf
如 Matlab 内置函数 ecdf 中实现的那样
- 3
- The averaging is performed using the first neighbors, thus on a disk of 2 radius.
平均处理使用的是最近邻,因此是在半径为 2 的圆盘上进行。
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- Analysis of the numerical data at other timesteps does not change the results reported hereafter.
对其他时间步的数值数据的分析不会改变此处报告的结果。
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