核能——有人将其称之为人类未来最具希望的能源，截至2025年3月，全球在运核电机组417台，总装机容量377 GWe，另有在建核电机组62台。对于核能的应用，核物理的研究自然是其核心，但核能要从实验室走向真正的并网发电，同样对相关设施的材料提出了极高的要求。Fe-Cr-Al合金因其优异的高温抗氧化性，被认为是极具潜力的核电堆包壳材料体系之一，然而，传统合金在优化时的强塑平衡一直摆在众多研究人员面前的阻碍，同时，对于核电堆包壳材料而言，高温下的抗蠕变性能是必须纳入材料设计考量的关键特性之一。

2025年9月24日，中南大学联合中国核动力研究设计院，以“Kink bands-mediated overcoming of strength-ductility trade-off and enhancement of creep resistance in a Fe-Cr-Al alloy”为题在国际材料领域的权威期刊《Journal of Materials Science & Technology》上发表了一篇研究型论文，通讯作者为中南大学的刘会群教授，团队通过在Fe-Cr-Al合金中引入kink bands（扭折带，KBs），实现了合金在室温及400℃高温下优异的强塑组合，并显著提升了其在高温下的抗蠕变性能。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.09.018

【核心内容】

研究发现，KBs与多尺度异质结构在提升Fe-Cr-Al合金强度的同时还能有效延缓断裂过程，并且合金在400 ℃+500 MPa的条件下，稳态蠕变速率低至4.36×10^-9 s^-1，该水平远优于传统的Zr合金与钢材。

图形摘要

【研究方法】

团队将真空电弧熔炼的Fe-13.51Cr-4.73Al-2.08Mo-0.64Nb-0.65Ta合金铸锭经多道次温轧+固溶+时效处理等一系列处理，最终获得S-A7、S-R4-A7、S-R8-A7三种不同组织的样品。其中S-A7未进行轧制，再结晶后直接进行时效处理，而S-R4-A7和S-R8-A7样品的主要区别在于轧制变形量上，前者轧制累计变形量为40%，后者则为80%。随后，团队结合多尺度的微观表征手段对合金微观组织的演化进行表征，并分别在室温与400 ℃下进行拉伸实验，以及高温蠕变实验以评估合金的力学性能和高温抗蠕变性能。

【研究成果】

① KBs引导的组织调控与多尺度异质结构构建

轧制变形量的增加，最直观的变化便是平均晶粒尺寸的细化，其中包括了在基体内弥散析出的Laves相，其平均尺寸从121nm减小到22nm。其次，KBs在晶粒内形成低角度晶界并逐步向高角度晶界演化，提供了持续的Hall-Petch强化作用，并且能够同时观察到纳米级KBs、高密度位错强以及亚微米晶粒的多尺度异质结构。

SEM/TEM下三种样品的显微组织及Laves相尺寸统计

晶粒取向与扭折带演化

位错结构与亚晶特征

② 强度-延展性协同突破：打破传统“权衡”

传统Fe-Cr-Al合金在提升强度的同时往往伴随着塑性的下降，而KBs的引入改变了这一规律，室温拉伸实验显示，S-R8-A7合金的屈服强度达到887MPa，抗拉强度突破1.06GPa，同时保持11.6%的延展率。在400℃下，该合金依旧具有718MPa的屈服强度和880MPa的抗拉强度，表现出良好的热稳定性。

室温/高温拉伸强度-延展性协同及蠕变速率优势

其优异的强塑性协同来源于KBs诱导的异质变形强化（HDI hardening），提高了应变硬化能力，同时，KBs通过裂纹偏转和界面分层机制有效延缓了裂纹扩展，避免了早期脆性失效，使得合金能够在高强度下依旧保持一定的延展。

不同温度下拉伸断裂模式的SEM表征

裂纹扩展路径

③ 显著提升的高温蠕变抗力与机理解析

在400℃、500MPa条件下，S-R8-A7合金的稳态蠕变速率仅为4.36×10^-9 s^-1，远低于传统Zr合金和其他钢材包壳材料，且蠕变应变极小，展现出优异的长期服役稳定性，KBs与弥散分布的纳米级Laves相共同抑制了位错的运动，其中KBs界面与高密度位错墙不仅阻碍位错滑移，还提供了额外的应力场效应，显著提高了蠕变抗力。

高温蠕变后位错-析出相相互作用

多尺度结构抗蠕变机制

【总结与展望】

团队通过在Fe-Cr-Al合金中引入扭折带，构建了多尺度异质结构，实现了强度与延展性的协同提升，并显著增强了高温蠕变抗力。研究结果不仅突破了传统材料设计中的强塑权衡瓶颈，也为下一代核电安全包壳材料与高温服役合金的研发提供了新思路。