【引言】

    不銹鋼在汽車、建筑、核能等領(lǐng)域大量使用。2017年，全球不銹鋼及耐熱鋼總產(chǎn)量高達(dá)4808萬噸。然而，不銹鋼的強度偏低，通常為數(shù)百MPa。制備高強不銹鋼可節(jié)約大量能源、資源，進(jìn)一步可降低環(huán)境污染，具有重大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。與普通的粗晶粒金屬相比，納米晶金屬更強、更抗輻照。然而，納米晶金屬的熱穩(wěn)定性通常較差，致使其高溫加工成型及應(yīng)用受到很大的限制。為了解決上述問題，燕山大學(xué)的沈同德教授團(tuán)隊與北京大學(xué)王宇鋼教授團(tuán)隊、南京理工大學(xué)沙鋼教授團(tuán)隊、美國普渡大學(xué)張星航教授團(tuán)隊、美國西北太平洋國家實驗室胡深洋研究員合作， 通過綜合運用稀土鑭元素的摻雜以及高溫高壓合成技術(shù)，開發(fā)出納米晶/納米析出304L奧氏體鋼。該納米晶奧氏體鋼屈服強度高達(dá)2500 MPa, 遠(yuǎn)超粗晶304L奧氏體鋼約數(shù)百MPa的屈服強度。該納米鋼具有極高的熱穩(wěn)定性，800 oC /180小時保溫，無顯著晶粒長大。600 oC /108 dpa強輻照既無顯著晶粒長大，亦無任何腫脹。該納米鋼的超高熱穩(wěn)定性可歸因于鑭元素在晶界上的偏聚、高密度富鑭納米氧化物的析出，分別在熱力學(xué)、動力學(xué)方面穩(wěn)定化細(xì)小的納米晶粒。團(tuán)簇動力學(xué)模擬表明，納米鋼中大量的晶界作為缺陷捕獲陷阱，可大幅度降低穩(wěn)態(tài)空位濃度，進(jìn)而抑制輻照腫脹的發(fā)生。相關(guān)研究論文發(fā)表在國際知名學(xué)術(shù)期刊Nature Communications上（影響因子12.353）。

    【圖文導(dǎo)讀】

    圖1（a）納米晶鋼的壓縮、拉伸力學(xué)行為， （b） 納米晶鋼（NC-SS）與其它鋼種的屈服強度對比， （c-e） 納米鋼退火前后的晶粒尺寸， （f,g） 粗晶鋼、納米鋼輻照后的微結(jié)構(gòu)。

    圖1給出了納米鋼的力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性、輻照性能。圖1（a）表明304L納米晶鋼在拉伸和壓縮變形時，屈服強度均高達(dá)2500 MPa。圖1（b）表明，304L納米晶鋼（NC-SS）屈服強度遠(yuǎn)超普通粗晶奧氏體鋼（CG-SS）的屈服強度，且高于納米結(jié)構(gòu)合金（NFAs）、納米析出馬氏體鋼（MS-NPs）、高位錯密度錳鋼（MS-HDDs）的屈服強度。圖1（c,d）電鏡照片（標(biāo)尺200 nm）表明，制備態(tài)的納米晶鋼平均晶粒尺寸約45 nm。經(jīng)1000 °C 退火1小時后，晶粒尺寸僅輕微長大到約60 nm。圖1（f,g）電鏡照片（標(biāo)尺50 nm）表明，經(jīng)600 °C下108 dpa劑量的金離子輻照后，粗晶奧氏體鋼高度腫脹，而納米晶奧氏體鋼既無腫脹，亦無顯著晶粒長大。

    圖2（a） 元素分布圖，  （b） 原子探針、電子顯微鏡偶聯(lián)技術(shù)表征，  （c） 不同尺度納米析出相的化學(xué)成分。

    圖2給出了納米晶鋼的原子探針、電子顯微鏡偶聯(lián)技術(shù)表征。納米晶鋼中La、Si、O元素分布不均（圖2a）。 La、Si、O元素偏聚在納米晶鋼晶粒邊界（圖2b）。圖2c表明，在納米晶鋼晶粒邊界上有大量的、較大的納米析出相，在納米晶鋼晶粒內(nèi)部有少量的、較小的納米析出相以及納米團(tuán)簇。納米析出及納米團(tuán)簇均富含La、Si、O元素。納米析出平均尺度約為5 nm，數(shù)量密度高達(dá)5 × 1023 m-3.

    圖3納米晶鋼晶粒尺寸分別為30 nm （a）、45 nm （b）、75 nm （c）時的穩(wěn)態(tài)空位濃度分布，標(biāo)尺50 nm。（d） 為晶粒尺寸對空位和間隙濃度變化的影響，（e）為納米析出與基體之間的共格程度對空位和間隙濃度變化的影響。模擬溫度500 °C，輻照劑量3.0 × 10?4 dpa s?1。

    圖3為利用團(tuán)簇動力學(xué)模擬納米晶鋼中晶粒尺寸和納米析出對輻照產(chǎn)生的空位及間隙濃度的影響。結(jié)果表明，（i） 晶粒尺寸越小，缺陷濃度越快達(dá)到穩(wěn)態(tài)； （ii） 由于間隙比空位運動更快，因而更易被晶界及納米析出/基體相界面捕獲，平均間隙濃度遠(yuǎn)低于平均空位濃度； （iii） 晶粒尺寸越小，平均空位及間隙濃度越低。此外，圖3a–c 還表明，空位濃度呈不均勻分布，靠近晶界處的空位濃度遠(yuǎn)低于晶粒中心處的空位濃度?？拷Ы缣幘哂休^低空位濃度的區(qū)域?qū)挾燃s為6–7 nm, 且該區(qū)域?qū)挾扰c晶粒尺寸無關(guān)。最高的穩(wěn)態(tài)空位濃度為3.5 × 10?4, 無包含20個以上缺陷的空位和間隙團(tuán)簇出現(xiàn)，含2個缺陷的空位和間隙團(tuán)簇的濃度約為1024 m?3, 含6個缺陷的空位和間隙團(tuán)簇的濃度約為1012 m?3, 如此低的空位及空位團(tuán)簇濃度表明空洞形核難以發(fā)生。圖 3e 表明，晶粒尺寸為30 nm的納米晶鋼中，隨納米析出與基體之間共格程度的下降，平均空位濃度下降。

    【材料制備過程】

    使用304-L不銹鋼粉末及元素鑭粉末作為原料，原料配比為99 at%不銹鋼： 1 at% 鑭。粉末在手套箱中首先機械合金化24小時，然后使用六面頂壓機，在1000 °C、4 GPa壓力下保溫30分鐘壓制成型，獲得直徑約8-9 mm、高度10-12 mm的塊體納米晶鋼圓柱體樣品。

    研究工作得到了國家自然科學(xué)基金（11575114, 51571120）、國家磁約束聚變能研究項目（2015GB113000）、燕山大學(xué)高層次人才項目（005000201）的資助。

    文獻(xiàn)鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-018-07712-xCongcong Du, Shenbao Jin, Yuan Fang, Jin Li, Shenyang Hu, Tingting Yang, Ying Zhang, Jianyu Huang, Gang Sha, Yugang Wang, Zhongxia Shang, Xinghang Zhang, Baoru Sun, Shengwei Xin & Tongde Shen, Ultrastrong nanocrystalline steel with exceptional thermal stability and radiation tolerance, Nature Communications 9: 5389 （2018）

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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