松山湖材料實驗室Scripta：超低溫高周疲勞載荷下核聚變磁體結構材料的顯微組織演變

【導讀】

為了保護超導線圈服役情況下抵制復雜強電磁力的作用，國際熱核聚變實驗堆（ITER）超導磁體系統中的縱場和校正場線圈需要在線圈外部采用適用于液氦溫度下（4.2K）的高強度、高韌性316LN奧氏體不銹鋼制造的鎧甲和線圈盒結構件進行支撐和保護。由于316LN奧氏體不銹鋼中的γ相為亞穩相，低溫條件下在應變作用下會產生γ→α'的應變誘導馬氏體轉變，這種轉變勢必對其低溫下的應用帶來很多問題。一方面，馬氏體較基體奧氏體相會發生體積膨脹，從而造成產品服役過程中零件形態的改變，影響其低溫服役性能。此外，馬氏體為鐵磁性相，運行過程中對磁場也會產生影響。因此，低溫下馬氏體相變的產生，對結構的安全服役性能勢必造成一定的風險，必須對316LN奧氏體不銹鋼服役條件下的微觀組織演變進行系統性的研究。

【成果掠影】

近日，松山湖材料實驗室實用超導薄膜研究團隊研究了核聚變超導磁體用316LN奧氏體不銹鋼在4.2 K條件下疲勞循環（＞30000次）后的組織演變。發現4.2 K下的疲勞循環的微觀結構與大應變速率下的變形微觀結構演變機理截然不同。他們認為這種合金服役條件下的微觀結構演變主要通過位錯滑動和堆積層錯形成協同作用來抗低溫疲勞斷裂，進而避免了馬氏體相變的產生，保障了核聚變超導磁體用結構材料極端溫度條件下的服役穩定性。相關成果以“Microstructure evolution of austenitic stainless steels under high-cycle-fatigue loading at deep cryogenic temperature”發表在金屬材料領域國際一區頂級期刊《材料快報》（Scripta Materialia）上。松山湖材料實驗室為第一通訊單位，信紀軍副研究員為第一作者，王維研究員為通訊作者。

【數據概況】

圖 1. 316LN奧氏體不銹鋼原始母材的顯微組織及4.2 K溫度下疲勞循環后的取樣位置圖。這種合金的微觀結構僅為簡單的單相固溶體，固溶處理后得到等軸晶粒結構，平均晶粒尺寸為~60微米，未見明顯的織構存在且晶界處僅存在位錯。

圖 2. 316LN奧氏體不銹鋼原始母材及4.2 K溫度下疲勞循環后的不同磁場強度下的磁性能測試。材料的磁化率對磁場的方向不敏感，對磁場強度有較大的依賴性，4.5T背場下從反鐵磁性性轉變為鐵磁性。材料經歷低溫疲勞循環前后，不同磁場強度和方向下磁化率并未發生明顯的變化，材料經歷低溫疲勞循環后展現了優異的組織穩定性。

圖 3. 4.2 K溫度下疲勞循環后 316LN奧氏體不銹鋼的EBSD（電子背散射衍射）及XRD圖。經歷低溫疲勞循環后，材料始終呈現單相的奧氏體組織，組織取向并未明顯改變，晶界及其附近的呈現高密度的應變分布。

圖 4.HRTEM表征了4.2 K溫度下疲勞循環后316LN奧氏體不銹鋼晶界附近的微觀結構。本研究用聚焦離子束（FIB）方法將應變集中的晶界區域制成TEM箔片，用于HRTEM檢測。4.2 K溫度下疲勞循環后晶界處分布著大量的位錯和堆積層錯，有別于大應變速率下馬氏體相變的產生，證實了材料服役條件下組織的穩定性。

【成果啟示】

該研究結果說明，單相fcc 316LN奧氏體不銹鋼作為超導磁體用低溫結構材料，在滿足強度和韌性的前提下，在4.2 K高周疲勞循環后仍保持著組織穩定性。其4.2 K下的疲勞循環的微觀結構演變與大應變速率下的變形微觀結構演變機理完全不同。相關結果也得到了期刊審稿人的強烈認可“the quality of the observations is fairly high and the obtained results will contribute to the application of the material to fusion reactors.”。

參考文獻：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