松山湖材料实验室JMST：下一代核聚变超导磁体用高强低温结构材料变形机制研究

【全文速览】

文章研究了一种新型N强化Fe-Cr-Ni-Mn奥氏体不锈钢，系统分析了不同温度下不锈钢的力学性能及性能-显微组织关联机理。不锈钢液氦温度（4.2 K）下屈服强度高达1.5 GPa，抗拉强度1.85 GPa，且能保留36 %的断后伸长率。随着温度的降低，不锈钢的变形机制从室温下的位错滑移和层错变形演变为以孪晶和少量ε-马氏体为主的变形机制。这种协同变形机制使不锈钢展现了卓越的室温和低温强塑性综合力学性能。研究成果为下一代磁约束核聚变用低温结构材料提供了数据和基础理论支撑。

【背景介绍】

316LN奥氏体不锈钢已被选为国际热核聚变实验堆（ITER）超导磁体低温结构材料。然而，下一代磁约束核聚变装置的超导磁体不断升级，例如我国下一代磁约束核聚变超导磁体 纵场（TF）线圈运行电流将超过80 kA，最高场超过15T，CICC超导导体需承受的电磁力将超过120吨/米，这远高于ITER TF超导导体所受的80吨/米的电磁力。这需要具有比316LN更高强塑性的低温结构材料。中科院理化所李来风研究员团队与河钢集团宣钢公司联合开发了一种N强化的Fe-Ni-Cr-Mn奥氏体不锈钢，通过对材料中的合金元素Ni和微量元素Nb、V、C、N的精确调控，对固溶热处理制度调整，制备出高低温屈服强度且兼顾低温塑性和韧性钢材。由于对N强化Fe-Cr-Ni-Mn奥氏体不锈钢低温下的变形机理尚缺乏深入研究，本文通过断口显微组织实验表征和分析，阐明不锈钢低温变形机制，为我国下一代磁约束核聚变用高场超导磁体用高强高韧结构材料研发提供支撑。

【研究出发点】

松山湖材料实验室王维研究员与中科院理化所李来风研究员团队合作，通过研究Fe-Cr-Ni-M-N奥氏体不锈钢在塑性变形过程中的组织演变，发现室温条件下材料的变形组织主要由位错、层错和变形孪晶组成。当变形温度降低至液氮温度（77 K）和4.2K时，变形孪晶的体积分数逐渐增大，位错滑移显著受到抑制，变形孪晶主导了塑性变形过程。此外，还发现低温下仍存在纳米尺寸的ε-马氏体转变。不同温度下的内部位错、层错和变形孪晶以及少量ε-马氏体组织之间的相互竞争、相互促进，共同实现不锈钢宽温区优异的综合强塑性。相关研究成果以“Mechanical performance and deformation mechanisms of ultrastrong yield strength Fe-Cr-Ni-Mn-N austenitic stainless steel at 4.2 Kelvin”为题，发表在《Journal of Materials Science & Technology》上。

【图文解析】

图1 Fe-Cr-Ni-M-N奥氏体不锈钢EBSD图：（a）BC图，（b）IPF图，（c）KAM图，（d）相图，为单一FCC相。

图2 Fe-Cr-Ni-M-N奥氏体不锈钢不同温度下的拉伸性能：（a）应力-应变曲线，（b）真应力-真应变曲线，（c）加工硬化曲线。4.2 K条件下屈服强度高达1.5 GPa，抗拉强度达1.85 GPa，断后伸长率达36 %。

图3 77 K温度下变形机制：（a）HRTEM图，（b）SAED图，表明高密度的纳米孪晶和FCC→HCP马氏体相变的形成，（c）TEM图显示FCC-HCP片层双相结构，（d）变形孪晶(γ_tw)，层错(SFs)和马氏体相变(ε)的放大图，(e, f)高分辨率HAADF-STEM图。

图4 4.2 K温度下变形机制：（a）HRTEM图，（b）SAED图，（c）HRTEM图显示L-C lock，（d-f）HRTEM图显示变形孪晶(γ_tw)，层错(SFs)和马氏体相变(ε)，以及对应的FFT图。

图5 Fe-Cr-Ni-M-N奥氏体不锈钢不同温度下的变形机制。

8、课题组介绍

王维，松山湖材料实验室实用超导研究团队研究员，博士生导师，广东省重大人才工程青年拔尖人才，中国船舶军民融合发展研究中心智库专家，广东省高层次人才评审专家，东莞市特色人才，材料人网2023年度优秀青年科学家。长期致力于实用超导相关低温材料与系统研发。主持了科技部重点研发计划课题、国家自然科学基金面上、粤莞联合基金重点项目、广东省JMRH专项资金等国家、省部级横纵向项目20余项。Microstructures，金属学报期刊青年编委，在Adv. Mater.，J. Mater. Sci. Technol., Scripta Mater. 和Mater. Des.等学术期刊上发表论文58篇，受理/授权专利14项。

黄传军，中国科学院理化所技术研究所研究员，博导。主要从事低温用树脂基复合材料和金属材料研发、低温力学性能表征方法、技术标准及材料低温物性数据库建设等工作。主持了科技部重点研发计划课题、国家自然科学基金面上项目、中国科学院重点部署课题等多项项目。已发表学术论文50余篇，主持或参加制定国家、行业和团体标准多项。

信纪军，松山湖材料实验室副研究员，在中科院等离子体物理研究所工作期间，主要从事聚变堆超导磁体设计及制造相关方面的工程应用基础研究，参与ITER PF6极向场线圈采购包、ITER CC校正场线圈采购包以及中国聚变工程试验堆（CFETR）的测试平台相关部件的关键制造工艺及技术研发。2020年7月加入松山湖材料实验室实用超导薄膜研究团队，主要开展低温结构材料、低温测试技术以及超导磁体技术研发等工作。目前发表学术论文 50余篇，申请发明专利 20余项。

课题组长期招聘金属材料，高熵合金等方向的博士后，欢迎加盟团队开展合作。

课题组网站链接：

http://scmaterials.sslab.org.cn/