监测核反应堆部件健康状况的破坏性技术在核电站正常服役期间只能少数使用几次，因为它们很耗时，而且常常需要预先安装一系列设备。非破坏性评价（NDE）技术可以弥合这一差距，通过非破坏性评价可测量的材料特性和那些最终感兴趣的特性（如延展性和韧性）之间的推断，快速确定任务关键型反应堆部件的状态。

来自麻省理工学院的学者展示了一个关于热老化铸造奥氏体不锈钢状况的此类推断。表面声波峰（SAW）分裂的观察与旋光分解诱发的脆性相关，这是由Charpy冲击能量测量的破坏性。弹性动力学计算和分子动力学模拟了尖晶石分解对弹性模量的影响，支持新声学模式的出现是由于δ-铁氧体域的僵化。这一发现使人们能够以大大加快的方式探测材料的结构-性能关系，这表明类似的推断方法可用于确定材料的服役时间，或快速发现新的结构-性能关系。相关文章以“Detecting Thermally-Induced Spinodal Decomposition with Picosecond Ultrasonics in Cast Austenitic Stainless Steels”标题发表在Acta Materialia。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118552

图1. (顶部)TGS实验装置的示意图。(底部）由于泵浦脉冲干扰而产生SAW的示意图。

图2. 带注释的未老化 304 型不锈钢（核级 CF8）样品信号，显示热英尺（蓝色）、声衰减（红色）和振荡频率（虚线）。测量是在真空中进行的，以避免由于空气中产生的波而振荡。。（中）来自未老化的CASS 304的代表性TGS信号，显示一个SAW峰值。（下）来自老化的CASS 304的代表性TGS信号，显示两个SAW峰。

图3. (a-b)未老化的CF8的扫描电镜显示出更典型的韧性特征，而(c-d)在400℃下老化10 kh的CF8的扫描电镜显示出更多的脆性裂隙平面。在400℃、10kh老化的CF8的暗场TEM分析中，δ-铁素体区域有5nm的小析出物（e）；奥氏体区域有规则的位错微结构（f）。使用STEM-EDX（g）验证了合金中的δ-铁氧体已经发生了尖晶石分解，其中均匀的铁和铬分离是明显的。(e)中的沉淀物被证明是富含镍的(h)，是典型的G-相。

图4. 未时效和热时效的CF8和CF8M的机械性能摘要。(a)发现老化温度对奥氏体的维氏显微硬度没有影响，(b)而δ-铁氧体随着所有试样的老化温度而明显变硬。通过BIC相位分析，自动识别了（c）400℃、30 kh老化的CF8的纳米硬度图和（d）400℃、10kh老化的CF8的纳米刚度图（红色方块：δ铁素体，绿色方块：γ奥氏体，蓝色方块：δ-γ边界）。这些图中可见的特征，红色、黑色和蓝色的点分别对应奥氏体、δ-铁素体和两相界面（c-d），与本研究中材料的光学显微照片中观察到的δ-铁素体区域明显相关（f）。

图5. 本研究中所有材料的SAW峰分裂的观察发生率，表明老化的304型不锈钢（CASS核级CF8）和316型不锈钢（CASS核级CF8M）显示SAW峰分裂的频率明显高于未老化状态。黑线清晰的圆圈表示CF8老化30000小时，黑色填充的圆圈表示304型不锈钢（核级CF8）老化10000小时。黑色划线的透明方块表示CF8M老化30000小时，黑色方块表示CF8M老化10000小时。显示的标准误差是为了估计标准偏差，因为计数率是受泊松误差影响的。

图6. 根据文献常数，CF8在6.4μm的TGS激励光栅间距下的弹性动力学计算所预期的（P）SAW频率分布。

图7. 在MD中创建的旋光结构和分析，研究旋光分解百分比对刚度的影响。从左到右：（a）全色FeCr结构，（b）黑白二值化结构，（c）二值化结构的FFT，（d）二值化结构的三维FFT，（e）径向强度图显示每个结构的旋光波段。

图8. MD模拟的二元铁铬合金的力学性能。(a)自旋体波长与自旋体转换分数，(b)C₁₁弹性常数与自旋体转换分数，(c)C₁₁弹性常数与自旋体波长，（d）平均弹性模量与自旋体转换分数，（e）平均弹性模量与自旋体波长。

图9. 在理论的弹性动力波频率预测之上叠加未老化和热老化的CF8和CF8M中观测到的（P）SAW频率

本研究证明了在热老化的铸造奥氏体不锈钢(CASS)中，尖晶石分解会引起僵化，可通过非接触、非破坏性的皮秒超声技术检测。当非破坏性地评估CASS因旋光分解而产生的脆性时，在TGS时域信号的傅里叶变换中，SAW峰分裂的统计学意义上的增加是δ-铁氧体僵化和硬化的标志，是热和辐照老化导致的整个微结构演变和退化。综上所述，已经证明尖晶石分解导致反应堆压力容器中的304型不锈钢（核级CF8）老化后硬度增加。这种关键的结构-性能关系是使无损检测核反应堆部件继续使用的原因。TGS或类似的弹性性能测量可用于检查核反应堆中的关键部件，以及许多其他应用，根据其关键机械性能的间接测量来确定它们是否可以使用，从中可以推断出潜在的微观结构状态。（文：SSC）