松山湖材料實驗室JMST：下一代核聚變超導磁體用高強低溫結構材料變形機制研究
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文章研究了一種新型N強化Fe-Cr-Ni-Mn奧氏體不銹鋼，系統分析了不同溫度下不銹鋼的力學性能及性能-顯微組織關聯機理。不銹鋼液氦溫度（4.2 K）下屈服強度高達1.5 GPa，抗拉強度1.85 GPa，且能保留36 %的斷后伸長率。隨著溫度的降低，不銹鋼的變形機制從室溫下的位錯滑移和層錯變形演變為以孿晶和少量ε-馬氏體為主的變形機制。這種協同變形機制使不銹鋼展現了卓越的室溫和低溫強塑性綜合力學性能。研究成果為下一代磁約束核聚變用低溫結構材料提供了數據和基礎理論支撐。
【背景介紹】
316LN奧氏體不銹鋼已被選為國際熱核聚變實驗堆（ITER）超導磁體低溫結構材料。然而，下一代磁約束核聚變裝置的超導磁體不斷升級，例如我國下一代磁約束核聚變超導磁體?縱場（TF）線圈運行電流將超過80 kA，最高場超過15T，CICC超導導體需承受的電磁力將超過120噸/米，這遠高于ITER TF超導導體所受的80噸/米的電磁力。這需要具有比316LN更高強塑性的低溫結構材料。中科院理化所李來風研究員團隊與河鋼集團宣鋼公司聯合開發了一種N強化的Fe-Ni-Cr-Mn奧氏體不銹鋼，通過對材料中的合金元素Ni和微量元素Nb、V、C、N的精確調控，對固溶熱處理制度調整，制備出高低溫屈服強度且兼顧低溫塑性和韌性鋼材。由于對N強化Fe-Cr-Ni-Mn奧氏體不銹鋼低溫下的變形機理尚缺乏深入研究，本文通過斷口顯微組織實驗表征和分析，闡明不銹鋼低溫變形機制，為我國下一代磁約束核聚變用高場超導磁體用高強高韌結構材料研發提供支撐。
【研究出發點】
松山湖材料實驗室王維研究員與中科院理化所李來風研究員團隊合作，通過研究Fe-Cr-Ni-M-N奧氏體不銹鋼在塑性變形過程中的組織演變，發現室溫條件下材料的變形組織主要由位錯、層錯和變形孿晶組成。當變形溫度降低至液氮溫度（77 K）和4.2K時，變形孿晶的體積分數逐漸增大，位錯滑移顯著受到抑制，變形孿晶主導了塑性變形過程。此外，還發現低溫下仍存在納米尺寸的ε-馬氏體轉變。不同溫度下的內部位錯、層錯和變形孿晶以及少量ε-馬氏體組織之間的相互競爭、相互促進，共同實現不銹鋼寬溫區優異的綜合強塑性。相關研究成果以“Mechanical performance and deformation mechanisms of ultrastrong yield strength Fe-Cr-Ni-Mn-N austenitic stainless steel at 4.2 Kelvin”為題，發表在《Journal of Materials Science & Technology》上。
【圖文解析】
圖1 Fe-Cr-Ni-M-N奧氏體不銹鋼EBSD圖：（a）BC圖，（b）IPF圖，（c）KAM圖，（d）相圖，為單一FCC相。
圖2 Fe-Cr-Ni-M-N奧氏體不銹鋼不同溫度下的拉伸性能：（a）應力-應變曲線，（b）真應力-真應變曲線，（c）加工硬化曲線。4.2 K條件下屈服強度高達1.5 GPa，抗拉強度達1.85 GPa，斷后伸長率達36 %。
圖3 77 K溫度下變形機制：（a）HRTEM圖，（b）SAED圖，表明高密度的納米孿晶和FCC→HCP馬氏體相變的形成，（c）TEM圖顯示FCC-HCP片層雙相結構，（d）變形孿晶(γtw)，層錯(SFs)和馬氏體相變(ε)的放大圖，(e, f)高分辨率HAADF-STEM圖。
圖4 4.2 K溫度下變形機制：（a）HRTEM圖，（b）SAED圖，（c）HRTEM圖顯示L-C lock，（d-f）HRTEM圖顯示變形孿晶(γtw)，層錯(SFs)和馬氏體相變(ε)，以及對應的FFT圖。
圖5 Fe-Cr-Ni-M-N奧氏體不銹鋼不同溫度下的變形機制。
8、課題組介紹
王維，松山湖材料實驗室實用超導研究團隊研究員，博士生導師，廣東省重大人才工程青年拔尖人才，中國船舶軍民融合發展研究中心智庫專家，廣東省高層次人才評審專家，東莞市特色人才，材料人網2023年度優秀青年科學家。長期致力于實用超導相關低溫材料與系統研發。主持了科技部重點研發計劃課題、國家自然科學基金面上、粵莞聯合基金重點項目、廣東省JMRH專項資金等國家、省部級橫縱向項目20余項。Microstructures，金屬學報期刊青年編委，在Adv. Mater.，J. Mater. Sci. Technol.,?Scripta Mater. 和Mater. Des.等學術期刊上發表論文58篇，受理/授權專利14項。
黃傳軍，中國科學院理化所技術研究所研究員，博導。主要從事低溫用樹脂基復合材料和金屬材料研發、低溫力學性能表征方法、技術標準及材料低溫物性數據庫建設等工作。主持了科技部重點研發計劃課題、國家自然科學基金面上項目、中國科學院重點部署課題等多項項目。已發表學術論文50余篇，主持或參加制定國家、行業和團體標準多項。
信紀軍，松山湖材料實驗室副研究員，在中科院等離子體物理研究所工作期間，主要從事聚變堆超導磁體設計及制造相關方面的工程應用基礎研究，參與ITER PF6極向場線圈采購包、ITER CC校正場線圈采購包以及中國聚變工程試驗堆（CFETR）的測試平臺相關部件的關鍵制造工藝及技術研發。2020年7月加入松山湖材料實驗室實用超導薄膜研究團隊，主要開展低溫結構材料、低溫測試技術以及超導磁體技術研發等工作。目前發表學術論文 50余篇，申請發明專利 20余項。
課題組長期招聘金屬材料，高熵合金等方向的博士后，歡迎加盟團隊開展合作。
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