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松山湖材料實(shí)驗(yàn)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(lái)源：材料人分享至：

01 【導(dǎo)讀】

為了保護(hù)超導(dǎo)線圈服役情況下抵制復(fù)雜強(qiáng)電磁力的作用，國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）超導(dǎo)磁體系統(tǒng)中的縱場(chǎng)和校正場(chǎng)線圈需要在線圈外部采用適用于液氦溫度下（4.2K）的高強(qiáng)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(jìn)行支撐和保護(hù)。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(yīng)變作用下會(huì)產(chǎn)生γ→α'的應(yīng)變誘導(dǎo)馬氏體轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變勢(shì)必對(duì)其低溫下的應(yīng)用帶來(lái)很多問(wèn)題。一方面，馬氏體較基體奧氏體相會(huì)發(fā)生體積膨脹，從而造成產(chǎn)品服役過(guò)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(yùn)行過(guò)程中對(duì)磁場(chǎng)也會(huì)產(chǎn)生影響。因此，低溫下馬氏體相變的產(chǎn)生，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全服役性能勢(shì)必造成一定的風(fēng)險(xiǎn)，必須對(duì)316LN奧氏體不銹鋼服役條件下的微觀組織演變進(jìn)行系統(tǒng)性的研究。

02 【成果掠影】

近日，松山湖材料實(shí)驗(yàn)室實(shí)用超導(dǎo)薄膜研究團(tuán)隊(duì)研究了核聚變超導(dǎo)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(yīng)變速率下的變形微觀結(jié)構(gòu)演變機(jī)理截然不同。他們認(rèn)為這種合金服役條件下的微觀結(jié)構(gòu)演變主要通過(guò)位錯(cuò)滑動(dòng)和堆積層錯(cuò)形成協(xié)同作用來(lái)抗低溫疲勞斷裂，進(jìn)而避免了馬氏體相變的產(chǎn)生，保障了核聚變超導(dǎo)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(guó)際一區(qū)頂級(jí)期刊《材料快報(bào)》（Scripta Materialia）上。松山湖材料實(shí)驗(yàn)室為第一通訊單位，信紀(jì)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(jiǎn)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(jiàn)明顯的織構(gòu)存在且晶界處僅存在位錯(cuò)。

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(chǎng)強(qiáng)度下的磁性能測(cè)試。材料的磁化率對(duì)磁場(chǎng)的方向不敏感，對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度有較大的依賴(lài)性，4.5T背場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)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(yīng)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(yīng)變集中的晶界區(qū)域制成TEM箔片，用于HRTEM檢測(cè)。4.2 K溫度下疲勞循環(huán)后晶界處分布著大量的位錯(cuò)和堆積層錯(cuò)，有別于大應(yīng)變速率下馬氏體相變的產(chǎn)生，證實(shí)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(shuō)明，單相fcc 316LN奧氏體不銹鋼作為超導(dǎo)磁體用低溫結(jié)構(gòu)材料，在滿(mǎn)足強(qiáng)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(yīng)變速率下的變形微觀結(jié)構(gòu)演變機(jī)理完全不同。相關(guān)結(jié)果也得到了期刊審稿人的強(qiáng)烈認(rèn)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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