低活化鐵素體/馬氏體耐熱（RAFM）鋼在強輻照條件下仍具有良好的力學性能、導熱性及抗熱膨脹性，被認為是目前應用于核聚變反應堆的首選結構材料。然而，RAFM鋼較低的室溫和高溫強度極大限制了核聚變反應堆的最高服役溫度，從而限制了核聚變反應堆的發電效率。長期以來，對RAFM鋼力學性能的提高往往是通過亞晶強化和析出強化，但是亞晶界和析出相在提高鋼強度的同時也會導致應力的局部集中，從而降低材料的塑性。

目前，可以同時提高材料強塑性的工藝有TRIP效應，TWIP效應和細晶強化。其中TRIP效應和TWIP效應可以通過應力誘導相變和孿晶吸收外加能量，抑制應力局部集中，從而提升材料的強塑性。不過TRIP效應和TWIP效應通常發生在奧氏體鋼中，奧氏體中較少的界面則會導致材料抗輻照性能的降低。而細晶強化則只適用于室溫條件，高溫條件下晶界之間的相對滑動會顯著降低材料的強度。

另一種可以同時提高材料強塑性的工藝是層狀結構，2020年和2023年香港大學和東北大學的科研人員分別制備了一種具有超高強度和延伸率的層狀結構TRIP鋼。然而其對層狀結構對材料強塑性的影響并沒有進行深入的分析。我們分析認為這可能是因為TRIP鋼中復雜的相變使得層狀結構對材料強塑性的提升機制難以直接觀察。

在本研究中，沈陽工程學院周金華博士、美國加州大學伯克利分校Robert O. Ritchie教授和上海交通大學、深圳務實研究院、大連理工大學等研究機構的學者研究了層狀結構對一種BCC鋼強塑性的影響。首次從應力和裂紋擴展角度分析了層狀結構對鋼強度和塑性的影響。相關研究結果以題為“Ductile ultrastrong China low activation martensitic steel with lamellar grain structure”發表在國際頂級期刊International Journal of Plasticity上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2023.103813

圖1a為軋制方向（RD）和垂直軋制方向（ND）CLAM鋼的室溫和600℃拉伸性能，RD方向，鋼的室溫和600℃屈服強度及最大延伸率分別為900±10 MPa和18±1%以及480±10 MPa 和 20±1%。ND方向，鋼的屈服強度和最大延伸率則分別為900±10 MPa和8±1%以及460±10 MPa 和 12±1%。顯然RD方向和ND方向的屈服強度類似，最大伸長率則顯著增加。對拉伸后斷口形貌觀察如圖1b所示，RD方向室溫拉伸斷裂后材料發生了明顯的頸縮，并且斷口附近發現了明顯的縱向撕裂裂紋，長度約2mm。600℃拉伸斷裂后頸縮仍然明顯，不過縱向撕裂消失。ND方向室溫和600℃拉伸斷裂后，材料均沒有出現明顯的頸縮和縱向撕裂。對層狀CLAM鋼的室溫和高溫力學性能與傳統等軸RAFM鋼和ODS鋼對比表明，在同等最大延伸率下，鋼的室溫和600℃屈服強度均提升了約25%（圖1c，d）。

圖1. 層狀CLAM鋼拉伸性能。(a) 鋼室溫和600℃條件下應力應變曲線；(b)鋼室溫和600℃下拉伸斷裂后的宏觀形貌；(c，d)層狀CLAM鋼和ODS鋼及傳統等軸RAFM鋼在室溫和600℃下的拉伸性能對比。

圖2為室溫條件下RD方向層狀CLAM鋼的塑化機理，圖2a為層狀CLAM鋼斷后截面處的形貌，顯然斷口截面處存在長達1mm的層狀撕裂。圖2 (b, c) 為鋼拉伸過程中的裂紋萌生和擴展形貌，顯然由于鐵素體和M₂₃C₆碳化物較大的錯配程度，裂紋優先自碳化物附近萌生，之后沿層狀晶界擴展。圖2 (d,e)為鋼拉伸斷裂后的EBSD大小交晶界圖和KAM圖，表明在拉伸條件下，應力優先在晶界和亞晶界處聚集，之后由于晶界和晶內具有更大的錯配程度，裂紋自碳化物附近萌生后優先沿層狀晶界擴展。

圖2. 室溫條件下層狀CLAM鋼塑化機理。(a) 鋼斷后截面處宏觀形貌；(b，c)鋼拉伸條件下裂紋萌生和擴展；(d, e)鋼拉伸條件下EBSD大小角度晶界和KAM圖。

圖3為室溫條件下RD方向層狀CLAM鋼的塑化機理示意圖，在外加應力條下由于M₂₃C₆碳化物及晶界與鐵素體之間交大的錯配程度，裂紋會優先自碳化物處萌生之后沿晶界擴展(圖2b，e)。圖3a Ⅰ為對萌生后裂紋進行的受力分析，由于裂紋本質上為空洞，外加應力無法作用在空洞上，其只能作用在裂紋邊界處。外加應力對裂紋邊界的作用可分解為σ₁和σ₂，之后對σ₁和σ₂進一步分解可得到縱向拉應力σ_1y，σ_2y和橫向拉應力σ_1x，σ_2x。其中縱向拉應力可以使裂紋橫向擴展(圖3b)橫向壓應力則可以使裂紋縱向擴展并產生頸縮(圖3c)。由于層狀CLAM鋼中晶界呈縱向分布，晶界處交大的錯配程度會顯著促進裂紋的縱向擴展，使得裂紋的縱向擴展速率明顯大于橫向(圖3a Ⅱ)。最后，隨著縱向撕裂的不斷增加，頸縮不斷加劇，當材料受到的實際應力超越鐵素體基體的承受極限后，其便會發生斷裂(圖3a Ⅲ)。由于裂紋的縱向擴展會顯著增加材料頸縮區域，使得更多區域加入到變形中來，所以層狀裂紋會顯著增加材料塑性。

圖3. 室溫條件下層狀CLAM鋼塑化機理示意圖。(a) 裂紋萌生及擴展；(b，c)不同應力條件下裂紋的擴展機理

圖4為600℃條件下RD方向層狀CLAM鋼的塑化機理，圖4a為層狀CLAM鋼斷后截面處的形貌，顯然斷口截面處層狀撕裂消失。圖2 b 為鋼拉伸過程中的裂紋萌生和擴展形貌，此時裂紋主要自晶界附近萌生，之后沿層狀晶界擴展。圖2 (c,d)為鋼拉伸斷裂后的EBSD大小交晶界圖和KAM圖，此時在拉伸條件下，應力同樣優先在晶界和亞晶界處聚集之后沿晶界擴展。不過與室溫條件下不同的是，裂紋的萌生擴展位置大幅增加，如圖3d中紅色箭頭所示，表明在高溫條件下，晶界附近發生了劇烈的變形。

圖4. 600℃條件下層狀CLAM鋼塑化機理。(a) 鋼斷后截面處宏觀形貌；(b)鋼拉伸條件下裂紋萌生；(d, e)鋼拉伸條件下EBSD大小角度晶界和KAM圖。

圖5為600℃條件下RD方向層狀CLAM鋼的塑化機理示意圖。在高溫條件下晶界會產生明顯的弱化，從而使晶界在外加應力條件下會產生相對滑移，晶界的相對滑移會促使晶界處萌生大量的微裂紋(圖3a Ⅰ)。之后在外加應力的作用下，由于晶界處具有更高的應力狀態，裂紋還是會優先沿晶界縱向擴展(圖3a Ⅱ)。最后，隨著縱向撕裂的不斷增加，頸縮不斷加劇，當材料受到的實際應力超越鐵素體基體的承受極限后，其便會發生斷裂(圖3a Ⅲ)。與室溫類似，高溫條件下裂紋的縱向擴展同樣增加了鋼的頸縮區域，使得鋼的塑性增加（圖3b）。 

圖5. 600℃條件下層狀CLAM鋼塑化機理示意圖。(a) 裂紋萌生及擴展；(b，c)外加應力條件下裂紋的擴展機理

本研究采用熱軋+低溫回火工藝制備了一種具有層狀結構的CLAM鋼，與傳統的等軸RAFM鋼和ODS鋼相比該鋼表現出了更加優異的強塑性。其良好的塑性來自于拉伸條件下應力和裂紋自層狀晶界的縱向擴展，應力和晶界的縱向擴展顯著增加了鋼的頸縮區域，使得更多區域參與到變形中來。層狀組織與界面強化和沉淀強化的結合可以使材料在不損失塑性的情況下提升強度，從而使材料具備優異的強塑性匹配。該機理的提出可以為進一步提升金屬材料的強塑性提供新的途徑。