松山湖材料实验室Scripta：超低温高周疲劳载荷下核聚变磁体结构材料的显微组织演变

【导读】

为了保护超导线圈服役情况下抵制复杂强电磁力的作用，国际热核聚变实验堆（ITER）超导磁体系统中的纵场和校正场线圈需要在线圈外部采用适用于液氦温度下（4.2K）的高强度、高韧性316LN奥氏体不锈钢制造的铠甲和线圈盒结构件进行支撑和保护。由于316LN奥氏体不锈钢中的γ相为亚稳相，低温条件下在应变作用下会产生γ→α'的应变诱导马氏体转变，这种转变势必对其低温下的应用带来很多问题。一方面，马氏体较基体奥氏体相会发生体积膨胀，从而造成产品服役过程中零件形态的改变，影响其低温服役性能。此外，马氏体为铁磁性相，运行过程中对磁场也会产生影响。因此，低温下马氏体相变的产生，对结构的安全服役性能势必造成一定的风险，必须对316LN奥氏体不锈钢服役条件下的微观组织演变进行系统性的研究。

【成果掠影】

近日，松山湖材料实验室实用超导薄膜研究团队研究了核聚变超导磁体用316LN奥氏体不锈钢在4.2 K条件下疲劳循环（＞30000次）后的组织演变。发现4.2 K下的疲劳循环的微观结构与大应变速率下的变形微观结构演变机理截然不同。他们认为这种合金服役条件下的微观结构演变主要通过位错滑动和堆积层错形成协同作用来抗低温疲劳断裂，进而避免了马氏体相变的产生，保障了核聚变超导磁体用结构材料极端温度条件下的服役稳定性。相关成果以“Microstructure evolution of austenitic stainless steels under high-cycle-fatigue loading at deep cryogenic temperature”发表在金属材料领域国际一区顶级期刊《材料快报》（Scripta Materialia）上。松山湖材料实验室为第一通讯单位，信纪军副研究员为第一作者，王维研究员为通讯作者。

【数据概况】

图 1. 316LN奥氏体不锈钢原始母材的显微组织及4.2 K温度下疲劳循环后的取样位置图。这种合金的微观结构仅为简单的单相固溶体，固溶处理后得到等轴晶粒结构，平均晶粒尺寸为~60微米，未见明显的织构存在且晶界处仅存在位错。

图 2. 316LN奥氏体不锈钢原始母材及4.2 K温度下疲劳循环后的不同磁场强度下的磁性能测试。材料的磁化率对磁场的方向不敏感，对磁场强度有较大的依赖性，4.5T背场下从反铁磁性性转变为铁磁性。材料经历低温疲劳循环前后，不同磁场强度和方向下磁化率并未发生明显的变化，材料经历低温疲劳循环后展现了优异的组织稳定性。

图 3. 4.2 K温度下疲劳循环后 316LN奥氏体不锈钢的EBSD（电子背散射衍射）及XRD图。经历低温疲劳循环后，材料始终呈现单相的奥氏体组织，组织取向并未明显改变，晶界及其附近的呈现高密度的应变分布。

图 4.HRTEM表征了4.2 K温度下疲劳循环后316LN奥氏体不锈钢晶界附近的微观结构。本研究用聚焦离子束（FIB）方法将应变集中的晶界区域制成TEM箔片，用于HRTEM检测。4.2 K温度下疲劳循环后晶界处分布着大量的位错和堆积层错，有别于大应变速率下马氏体相变的产生，证实了材料服役条件下组织的稳定性。

【成果启示】

该研究结果说明，单相fcc 316LN奥氏体不锈钢作为超导磁体用低温结构材料，在满足强度和韧性的前提下，在4.2 K高周疲劳循环后仍保持着组织稳定性。其4.2 K下的疲劳循环的微观结构演变与大应变速率下的变形微观结构演变机理完全不同。相关结果也得到了期刊审稿人的强烈认可“the quality of the observations is fairly high and the obtained results will contribute to the application of the material to fusion reactors.”。

参考文献：Jijun Xin, Hengcheng Zhang, WenjunSun, Wei Wang, Dong Wu, Bingkun Lyu, Fuzhi Shen, Zhichun Fang, Chuanjun Huang, Laifeng Li: Microstructure evolution of austenitic stainless steels under high-cycle-fatigue loading at deep cryogenic temperature. 2023, 226:115223.

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2022.115223