燕山大学Nature Communications: 超高强度、热稳定、抗辐照纳米晶钢
【前言】
不锈钢在汽车、建筑、核能等领域大量使用。2017年，全球不锈钢及耐热钢总产量高达4808万吨。然而，不锈钢的强度偏低，通常为数百MPa。制备高强不锈钢可节约大量能源、资源，进一步可降低环境污染，具有重大的经济和社会效益。与普通的粗晶粒金属相比，纳米晶金属更强、更抗辐照。然而，纳米晶金属的热稳定性通常较差，致使其高温加工成型及应用受到很大的限制。为了解决上述问题，燕山大学的沈同德教授团队与北京大学王宇钢教授团队、南京理工大学沙钢教授团队、美国普渡大学张星航教授团队、美国西北太平洋国家实验室胡深洋研究员合作， 通过综合运用稀土镧元素的掺杂以及高温高压合成技术，开发出纳米晶/纳米析出304L奥氏体钢。该纳米晶奥氏体钢屈服强度高达2500 MPa, 远超粗晶304L奥氏体钢约数百MPa的屈服强度。该纳米钢具有极高的热稳定性，800 oC /180小时保温，无显著晶粒长大。600 oC /108 dpa强辐照既无显著晶粒长大，亦无任何肿胀。该纳米钢的超高热稳定性可归因于镧元素在晶界上的偏聚、高密度富镧纳米氧化物的析出，分别在热力学、动力学方面稳定化细小的纳米晶粒。团簇动力学模拟表明，纳米钢中大量的晶界作为缺陷捕获陷阱，可大幅度降低稳态空位浓度，进而抑制辐照肿胀的发生。相关研究论文发表在国际知名学术期刊Nature Communications上(影响因子12.353)。
【图文导读】
图1
（a）纳米晶钢的压缩、拉伸力学行为， (b) 纳米晶钢(NC-SS)与其它钢种的屈服强度对比, (c-e) 纳米钢退火前后的晶粒尺寸, (f,g) 粗晶钢、纳米钢辐照后的微结构。
图1给出了纳米钢的力学性能、热稳定性、辐照性能。图1(a)表明304L纳米晶钢在拉伸和压缩变形时，屈服强度均高达2500 MPa。图1(b)表明，304L纳米晶钢(NC-SS)屈服强度远超普通粗晶奥氏体钢(CG-SS)的屈服强度，且高于纳米结构合金(NFAs)、纳米析出马氏体钢(MS-NPs)、高位错密度锰钢(MS-HDDs)的屈服强度。图1(c,d)电镜照片(标尺200 nm)表明，制备态的纳米晶钢平均晶粒尺寸约45 nm。经1000 °C 退火1小时后，晶粒尺寸仅轻微长大到约60 nm。图1(f,g)电镜照片(标尺50 nm)表明，经600 °C下108 dpa剂量的金离子辐照后，粗晶奥氏体钢高度肿胀，而纳米晶奥氏体钢既无肿胀，亦无显著晶粒长大。
图2
(a) 元素分布图, (b) 原子探针、电子显微镜偶联技术表征, (c) 不同尺度纳米析出相的化学成分。
图2给出了纳米晶钢的原子探针、电子显微镜偶联技术表征。纳米晶钢中La、Si、O元素分布不均(图2a)。 La、Si、O元素偏聚在纳米晶钢晶粒边界(图2b)。图2c表明，在纳米晶钢晶粒边界上有大量的、较大的纳米析出相，在纳米晶钢晶粒内部有少量的、较小的纳米析出相以及纳米团簇。纳米析出及纳米团簇均富含La、Si、O元素。纳米析出平均尺度约为5 nm，数量密度高达5 ´ 1023 m-3.
图3
纳米晶钢晶粒尺寸分别为30 nm (a)、45 nm (b)、75 nm (c)时的稳态空位浓度分布，标尺50 nm。(d) 为晶粒尺寸对空位和间隙浓度变化的影响，(e)为纳米析出与基体之间的共格程度对空位和间隙浓度变化的影响。模拟温度500 °C，辐照剂量3.0 × 10−4 dpa s−1。
图3为利用团簇动力学模拟纳米晶钢中晶粒尺寸和纳米析出对辐照产生的空位及间隙浓度的影响。结果表明，(i) 晶粒尺寸越小，缺陷浓度越快达到稳态； (ii) 由于间隙比空位运动更快，因而更易被晶界及纳米析出/基体相界面捕获，平均间隙浓度远低于平均空位浓度; (iii) 晶粒尺寸越小，平均空位及间隙浓度越低。此外，图3a–c 还表明，空位浓度呈不均匀分布，靠近晶界处的空位浓度远低于晶粒中心处的空位浓度。靠近晶界处具有较低空位浓度的区域宽度约为6–7 nm, 且该区域宽度与晶粒尺寸无关。最高的稳态空位浓度为3.5 × 10−4, 无包含20个以上缺陷的空位和间隙团簇出现，含2个缺陷的空位和间隙团簇的浓度约为1024 m−3, 含6个缺陷的空位和间隙团簇的浓度约为1012 m−3, 如此低的空位及空位团簇浓度表明空洞形核难以发生。图 3e 表明，晶粒尺寸为30 nm的纳米晶钢中，随纳米析出与基体之间共格程度的下降，平均空位浓度下降。
【材料制备过程】
使用304-L不锈钢粉末及元素镧粉末作为原料，原料配比为99 at%不锈钢: 1 at% 镧。粉末在手套箱中首先机械合金化24小时，然后使用六面顶压机，在1000 °C、4 GPa压力下保温30分钟压制成型，获得直径约8-9 mm、高度10-12 mm的块体纳米晶钢圆柱体样品。
研究工作得到了国家自然科学基金（11575114, 51571120）、国家磁约束聚变能研究项目（2015GB113000）、燕山大学高层次人才项目(005000201)的资助。
文献链接：https://doi.org/10.1038/s41467-018-07712-x
Congcong Du, Shenbao Jin, Yuan Fang, Jin Li, Shenyang Hu, Tingting Yang, Ying Zhang, Jianyu Huang, Gang Sha, Yugang Wang, Zhongxia Shang, Xinghang Zhang, Baoru Sun, Shengwei Xin & Tongde Shen, Ultrastrong nanocrystalline steel with exceptional thermal stability and radiation tolerance, Nature Communications 9: 5389 (2018)
本文由材料人燕山大学沈同德教授团队供稿，编辑部编辑。
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