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松山湖材料實驗室最新成果登上金屬材料頂刊

2022-12-07 13:53:52 作者：材料人來源：材料人分享至：

01 【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(tǒng)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(jié)構(gòu)件進行支撐和保護。由于316LN奧氏體不銹鋼中的γ相為亞穩(wěn)相，低溫條件下在應變作用下會產(chǎn)生γ→α'的應變誘導馬氏體轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)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(fā)生體積膨脹，從而造成產(chǎn)品服役過程中零件形態(tài)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(chǎn)生影響。因此，低溫下馬氏體相變的產(chǎn)生，對結(jié)構(gòu)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(tǒng)性的研究。

02 【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(huán)（＞30000次）后的組織演變。發(fā)現(xiàn)4.2 K下的疲勞循環(huán)的微觀結(jié)構(gòu)與大應變速率下的變形微觀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)演變主要通過位錯滑動和堆積層錯形成協(xié)同作用來抗低溫疲勞斷裂，進而避免了馬氏體相變的產(chǎn)生，保障了核聚變超導磁體用結(jié)構(gòu)材料極端溫度條件下的服役穩(wěn)定性。相關(guān)成果以“Microstructure evolution of austenitic stainless steels under high-cycle-fatigue loading at deep cryogenic temperature”發(fā)表在金屬材料領(lǐng)域國際一區(qū)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。

03 【數(shù)據(jù)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(huán)后的取樣位置圖。這種合金的微觀結(jié)構(gòu)僅為簡單的單相固溶體，固溶處理后得到等軸晶粒結(jié)構(gòu)，平均晶粒尺寸為~60微米，未見明顯的織構(gòu)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(huán)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(zhuǎn)變?yōu)殍F磁性。材料經(jīng)歷低溫疲勞循環(huán)前后，不同磁場強度和方向下磁化率并未發(fā)生明顯的變化，材料經(jīng)歷低溫疲勞循環(huán)后展現(xiàn)了優(yōu)異的組織穩(wěn)定性。

圖 3. 4.2 K溫度下疲勞循環(huán)后 316LN奧氏體不銹鋼的EBSD（電子背散射衍射）及XRD圖。經(jīng)歷低溫疲勞循環(huán)后，材料始終呈現(xiàn)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(xiàn)高密度的應變分布。

圖 4.HRTEM表征了4.2 K溫度下疲勞循環(huán)后316LN奧氏體不銹鋼晶界附近的微觀結(jié)構(gòu)。本研究用聚焦離子束（FIB）方法將應變集中的晶界區(qū)域制成TEM箔片，用于HRTEM檢測。4.2 K溫度下疲勞循環(huán)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(chǎn)生，證實了材料服役條件下組織的穩(wěn)定性。

04 【成果啟示】

該研究結(jié)果說明，單相fcc 316LN奧氏體不銹鋼作為超導磁體用低溫結(jié)構(gòu)材料，在滿足強度和韌性的前提下，在4.2 K高周疲勞循環(huán)后仍保持著組織穩(wěn)定性。其4.2 K下的疲勞循環(huán)的微觀結(jié)構(gòu)演變與大應變速率下的變形微觀結(jié)構(gòu)演變機理完全不同。相關(guān)結(jié)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.”。

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