发展核电是改善能源结构，实现“双碳”目标的重要举措，而核电结构材料的安全服役是核电站安全可靠运行的根本保障。应力腐蚀开裂是核电结构材料的主要环境失效形式之一，而晶间氧化引起的晶界脆化是高温水中应力腐蚀开裂发生的重要前驱过程。同时，因为不同类型晶界的氧化敏感性差异显著，所以研究晶界结构对晶界氧化行为的影响对于材料寿命评估和应力腐蚀开裂抗力的提高具有重要意义。前期结果表明，600合金在高温水中腐蚀后，除共格孪晶表现出抗氧化性外，其他大角度晶界都会发生不同程度的氧化。然而，小角度晶界的氧化行为鲜有报道，是否存在临界取向差使得晶界在小于该取向差时表现出抗氧化性尚不清楚。

近日，西安交通大学材料学院微纳中心匡文军教授课题组利用扫描透射电子显微镜（STEM）和透射菊池花样衍射分析（TKD）技术首次系统研究了模拟压水堆主回路水环境下600合金小角晶界的氧化行为。结果显示，所有的小角度晶界（取向差范围为5.7°~14.0°）都发生了晶间氧化，如图1所示。研究发现，当取向差小于8.8°时，铬元素基本不沿晶界向外发生扩散，此时的氧化过程由氧沿晶界的内扩散控制且氧化深度保持稳定。随着取向差增加到8.8°以上，铬开始沿晶界向外扩散并诱发晶界迁移，此时晶界氧化深度和晶界迁移区的深度呈正相关，而与取向差的大小没有明确关系，如图2所示。对这些晶界的晶界面进行标定之后发现晶界氧化深度与晶界原子密排程度密切相关，密排程度越小，氧化越深，如图3所示。

与传统认知不同，取向差大于8.8°的小角度晶界的氧化行为与随机大角度晶界基本相似，并无特殊之处，晶界面的原子密排程度而非取向差对溶质原子的扩散和晶界氧化动力学起主导作用。8.8°似乎比传统的15°更适合作为小角度晶界的临界取向差。本工作将有助于加深我们对压水堆环境下Ni-Cr-Fe合金晶界结构与晶界氧化敏感性之间关联的理解。

图1. 600合金小角度晶界在模拟压水堆主回路水环境下氧化结果

图2.（a）600合金晶界氧化深度和晶界迁移区深度随取向差的变化趋势，（b）晶界氧化深度随晶界迁移区深度的变化趋势

图3.晶界氧化深度与晶界面原子密排程度之间的关系

相关工作以“The intergranular oxidation behavior of low-angle grain boundary of alloy 600 in simulated pressurized water reactor primary water”为题发表在金属材料领域权威学术期刊Acta Materialia上。西安交通大学材料学院在读博士生冯兴宇为上述论文第一作者，匡文军教授为论文通讯作者，材料学院谢家瑜、黄明政硕士研究生参与上述工作。该工作得到了国家自然科学基金、西安交通大学青年拔尖人才计划等项目的共同资助。

（文章链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117533）