沈同德在高强度、高热稳定性、抗辐照的块体纳米晶钢研究中取得重要进展

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近日，我校亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室清洁纳米能源中心沈同德教授团队与国内外科学家合作，针对奥氏体钢强度偏低、辐照后易肿胀以及纳米晶金属高温下晶粒易长大等问题，创新性的通过界面元素偏聚及纳米析出钉扎，制备出超强且具有优异的热与辐照稳定性的块体304L纳米晶奥氏体钢，相关研究成果以《超强、热稳定、抗辐照的纳米晶钢》(“Ultrastrong nanocrystalline steel with exceptional thermal stability and radiation tolerance”)为题于2018年12月19日在线发表于《自然·通讯》(Nature Communications, DOI:10.1038/s41467-018-07712-x)。

与普通的粗晶粒金属相比，纳米晶金属更强、更抗辐照。但是，纳米晶金属的热稳定性通常较差，致使其高温加工成型及应用受到很大的限制。沈同德教授课题组及其国内外合作团队综合利用稀土镧元素的掺杂以及高温高压合成技术，开发出块体纳米晶/纳米析出304L奥氏体钢，纳米晶粒尺寸约40纳米，纳米析出尺寸约5纳米，纳米析出密度高达5′1023m-3。该纳米晶奥氏体钢屈服强度高达2500 MPa，远超粗晶304L奥氏体钢数百MPa的屈服强度。该纳米钢具有极高的热及辐照稳定性：800度/180小时保温，无显著晶粒长大；600度/108 dpa强辐照既无显著晶粒长大，亦无任何辐照肿胀。实验观察表明，该纳米钢的超高热稳定性可归因于晶界上镧元素偏聚在热力学方面、大量细小的纳米析出钉扎在动力学方面分别稳定化纳米晶粒两种因素。团簇动力学模拟表明，该纳米钢的超高抗辐照肿胀阻力来源于纳米钢中大量的晶粒边界，可作为缺陷捕获陷阱大幅度降低稳态空位浓度，进而抑制空位的团聚及肿胀的发生。

a,b: 纳米钢的压缩、拉伸力学行为

b: 纳米钢(NC-SS)与其它钢种的屈服强度对比

c,d,e: 纳米钢退火前后的晶粒尺寸

f,g: 粗晶钢、纳米钢辐照后的微结构对比

该项研究工作由燕山大学沈同德教授团队、北京大学王宇钢教授团队、南京理工大学沙钢教授团队、美国普渡大学张星航教授团队和美国西北太平洋国家实验室胡深洋研究员合作完成。燕山大学为论文第一单位，燕山大学博士生杜聪聪和合作单位的靳慎豹、方苑、李瑨为共同第一作者，通讯作者为沈同德、王宇钢和沙刚。研究工作得到了国家自然科学基金、国家磁约束聚变能研究项目、燕山大学高层次人才项目的资助。