1. 简介
核聚变堆第一壁及包层材料需具备高强度、耐辐射及低活化（使用后低放射性）特性，低活化铁素体/马氏体（RAFM）钢因此成为关键候选材料。然而现有RAFM钢存在辐照诱导硬化和脆化问题，难以满足商业聚变堆需求。提升强度、延展性和韧性的核心矛盾在于：抑制变形以增强强度的同时会削弱加工硬化能力，从而降低延展性。
本研究通过改进热机械加工工艺，成功制备出兼具高强度与高延展性的RAFM钢。其独特的多尺度微观结构包含：纳米/微米级铁素体、含细亚晶粒的回火马氏体，以及高密度纳米析出相。高强度源于细晶/亚晶结构及高比例金属碳化物；高延展性则归因于铁素体中高密度可动位错、回火马氏体中亚晶粒形成，以及双峰微观结构在不损害强度的前提下提升延展性。
2. 文章亮点
1. 多尺度微观结构协同设计
通过改进热机械工艺（三期轧制），构建了包含纳米/微米铁素体、细亚晶回火马氏体及高密度(Ti,V)C纳米析出相（体积分数0.16%）的异质结构。细晶/亚晶强化提升了强度（位错密度达72.3 MPa），铁素体中的可动位错与双峰晶粒分布则显著增强延展性，突破传统强度-延展性权衡。
2. 三阶段轧制工艺创新
开发了分阶段轧制路径：阶段1（1150-1100℃）形成变形未再结晶奥氏体核（Y₁）与细晶粒（Y₂）；阶段2（950-900℃）诱导形变铁素体相变（DIFT），生成α₁铁素体；阶段3（850-800℃）温轧实现α₁、α₂与新铁素体共变形。结合980℃正火淬火+750℃时效，大幅减少有害(Fe,Cr)₂₃C₆碳化物，促进高温稳定MC析出相。
3. 力学性能突破性提升
阶段3钢屈服强度达587 MPa（+48% vs Eurofer97），总延伸率高达49%（远超现有RAFM钢极限）。机制包括：铁素体持续软化、双峰晶粒协同（细晶强化强度、粗晶促进加工硬化）、高密度可动位错流动性（即使被纳米碳化物钉扎），以及拉伸中应变诱导亚晶粒伸长与位错胞强化共存。
3. 研究背景
核聚变反应堆第一壁及包层材料需具备高强度、耐辐射和低活化（使用后低放射性）特性，这促使低活化铁素体/马氏体（RAFM）钢成为关键候选材料。然而，现有RAFM钢存在辐照诱导硬化和脆化问题，难以满足商业聚变堆需求。提升强度、延展性和韧性的核心矛盾在于：抑制变形以增强强度的同时会削弱加工硬化能力，从而降低延展性。
核聚变能源因其燃料（氢及其同位素）储量丰富且放射性废料寿命短而被视为重要的非间歇性低碳电力来源。但反应堆服役条件极端，部件需承受辐照、中子轰击、氦/氢暴露及高温（>600℃）等严苛环境，这对结构材料的长寿命服役提出巨大挑战。此外，材料需满足规模化量产需求（如欧盟DEMO或英国STEP项目），传统生产工艺因供应链成熟而更具吸引力。
目前，RAFM钢因优异导热性、低热膨胀系数及抗辐照肿胀/氦脆性能成为包层首选材料。然而，尽管全球自20世纪80年代起持续研发（近年中国、俄罗斯、印度和韩国的进展显著），现有RAFM钢的应用仍受限：低温服役（250–350℃）时辐照引发硬化脆化，高温（550–650℃）下则出现蠕变强度下降和脆化。现有改进方案聚焦于两种路径：一是构建全马氏体结构以避免相界和铁素体晶粒异常长大；二是引入高密度纳米析出相（如ODS-RAFM钢）以强化高温性能并吸收辐照缺陷。但全马氏体结构会降低延展性，且辐照效应将适用温度限制在450–500℃；而ODS钢量产困难且加剧低温硬化问题。
与汽车钢不同，RAFM钢服役时不发生塑性变形，其设计核心在于抵抗（微）裂纹与损伤，并具备优异高温抗蠕变性。改善室温断裂延伸率可延长高温服役寿命并增强抗辐照脆化能力。因此，过度应变/辐照硬化不可取，需兼顾延展性、韧化能力及抗裂纹扩展性（如缺口处）。
在单相多晶材料中，位错滑移始于施密特因子最高的晶粒，导致载荷转移至周围晶粒，最终引发整体屈服。后续加工硬化能力有限，一旦加工硬化率低于屈服应力，材料将在几何缺陷处颈缩。因此，屈服强度提升通常伴随拉伸延展性和裂纹钝化能力下降，形成著名的强度-延展性权衡。单一强化机制（如加工硬化）无法同时提升强度与延展性，需在多尺度协同部署多种强化机制。
本研究将变形尺度谱系概念拓展至RAFM钢。改进的热机械工艺形成三类异质铁素体/马氏体晶粒群，并促进MC型碳化物（如(Ti,V)C）的精细分布。尽管铁素体易粗化，但非均匀晶粒尺寸可提升钢的损伤容限。改良工艺诱导全微观结构产生极高位错密度，热处理中进一步促使高密度纳米析出相形成，并将部分M₂₃C₆碳化物替换为立方晶系(Ti,V)C（高温稳定性更优），从而显著提升均匀延伸率。
4. 图文解析
a) 改进的热机械加工工艺示意图及微观结构演变过程。注：双峰微观结构无需温轧步骤，经相同热处理即可获得；蓝色阴影区代表全奥氏体区轧制，黄色阴影区代表奥氏体+铁素体区轧制。
（铁素体）与 （奥氏体）表示各相形态的形成节点（详见正文）；RX表示再结晶，unRX表示未再结晶。
b) 参考材料Eurofer97与本研究中阶段2、阶段3 RAFM钢的拉伸行为曲线（图示为3次重复测试的代表性结果）。
a-d) 阶段2 RAFM钢的微观结构；e-l) 阶段3加工路径RAFM钢的微观结构。
a) 阶段2钢的电子背散射衍射（EBSD）晶界图；b) 明场（BF）-TEM显微图（整体结构）；c) 回火马氏体晶粒；d) 晶粒内相对较低的位错与析出相密度。
e) 阶段3钢的EBSD晶界图（黑线：>5°的大角度晶界（HAGBs）；红线：项链状晶粒的BF-TEM显微结构；g) 回火马氏体晶粒（显示亚晶结构）；h) 晶粒内被细析出相钉扎的位错。
i-l) 阶段3钢中铁素体+回火马氏体区域的BF-TEM与EDS图谱：（i）BF-TEM；（j）Cr分布；（k）Ti分布；（l）V分布（显示Cr₂₃C₆与(Ti,V)C碳化物位置；V图中可见更细尺度(V,Ti)C）。
a) Eurofer97、本研究阶段3 RAFM钢及纯铁（参考）的一维核散射强度随散射矢量变化曲线（误差棒为标准误差）；Porod定律（由Günther Porod发现）描述大散射波数q下散射强度I(q)的渐近行为；q = 4πsinθ/λ。
b) 入射中子束穿过含纳米析出相的块体试样示意图；c) 水平磁场下产生的SANS二维散射图案（2θ为散射角，q为散射矢量）。
a) 阶段3 RAFM钢的工程应力-应变曲线（标记点为中断拉伸测试的应变值）；b-d) 应变至9%的样品：（b）晶界图（黑线：HAGBs；红线：LAGBs）；（c）马氏体的STEM-BF显微图；（d）铁素体中析出相与位错的STEM-BF显微图。
e-i) 应变至16%的样品：（e）晶界图；（k）透射菊池衍射（TKD）边界图及其对应（l）核平均取向差（KAM）图；（h）马氏体STEM-BF显微图；（i）铁素体中位错胞结构形成。
j-n) 应变至38%的样品：（j）晶界图；（k）TKD边界图（红箭头指示沿铁素体/马氏体边界形成的低取向梯度铁素体晶粒）及对应（l）KAM图；（m）马氏体STEM-BF显微图；（n）铁素体中拉长的位错胞结构。
o-s) 应变至49%（失效）的样品：（o）晶界图；（p）TKD边界图（显示无应变铁素体晶粒的周期性形成）及对应（q）KAM图；（r）铁素体/马氏体边界处新形成的无应变晶粒；（s）铁素体中拉长的亚胞结构。
a) 透射菊池衍射（TKD）图像质量图；b) 对应相与边界图（显示沿晶界的多个微孔洞；黑线：HAGBs；红线：LAGBs；红色区域为BCC铁素体）；c) 另一区域的TKD图像质量图（显示类似的晶界微孔洞）。
5. 文章结论
本研究通过改进热机械工艺路线，成功制备出一种兼具高强度与高延展性的低活化铁素体/马氏体（RAFM）钢，为解决核聚变反应堆结构材料的强度-延展性权衡难题提供了新方案。其独特的多尺度微观结构包含纳米/微米级铁素体、含细亚晶粒的回火马氏体以及高密度纳米析出相。这种设计显著提升了材料性能：阶段3钢的屈服强度达587 MPa（较Eurofer97提高48%），总延伸率高达49%，突破了现有RAFM钢和传统双相钢的强度-延展性极限
全文链接
https://www.nature.com/articles/s41467-025-58042-8
本文源自微信公众号：科学拾光
原文标题：《谢菲尔德大学Nat. Commun.：纳米析出+异质晶粒，RAFM钢突破强度-延展性极限》
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/DNErqJqyYu57dTcNCnvnNw
