低活化铁素体/马氏体耐热（RAFM）钢在强辐照条件下仍具有良好的力学性能、导热性及抗热膨胀性，被认为是目前应用于核聚变反应堆的首选结构材料。然而，RAFM钢较低的室温和高温强度极大限制了核聚变反应堆的最高服役温度，从而限制了核聚变反应堆的发电效率。长期以来，对RAFM钢力学性能的提高往往是通过亚晶强化和析出强化，但是亚晶界和析出相在提高钢强度的同时也会导致应力的局部集中，从而降低材料的塑性。

目前，可以同时提高材料强塑性的工艺有TRIP效应，TWIP效应和细晶强化。其中TRIP效应和TWIP效应可以通过应力诱导相变和孪晶吸收外加能量，抑制应力局部集中，从而提升材料的强塑性。不过TRIP效应和TWIP效应通常发生在奥氏体钢中，奥氏体中较少的界面则会导致材料抗辐照性能的降低。而细晶强化则只适用于室温条件，高温条件下晶界之间的相对滑动会显著降低材料的强度。

另一种可以同时提高材料强塑性的工艺是层状结构，2020年和2023年香港大学和东北大学的科研人员分别制备了一种具有超高强度和延伸率的层状结构TRIP钢。然而其对层状结构对材料强塑性的影响并没有进行深入的分析。我们分析认为这可能是因为TRIP钢中复杂的相变使得层状结构对材料强塑性的提升机制难以直接观察。

在本研究中，沈阳工程学院周金华博士、美国加州大学伯克利分校Robert O. Ritchie教授和上海交通大学、深圳务实研究院、大连理工大学等研究机构的学者研究了层状结构对一种BCC钢强塑性的影响。首次从应力和裂纹扩展角度分析了层状结构对钢强度和塑性的影响。相关研究结果以题为“Ductile ultrastrong China low activation martensitic steel with lamellar grain structure”发表在国际顶级期刊International Journal of Plasticity上。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2023.103813

图1a为轧制方向（RD）和垂直轧制方向（ND）CLAM钢的室温和600℃拉伸性能，RD方向，钢的室温和600℃屈服强度及最大延伸率分别为900±10 MPa和18±1%以及480±10 MPa 和 20±1%。ND方向，钢的屈服强度和最大延伸率则分别为900±10 MPa和8±1%以及460±10 MPa 和 12±1%。显然RD方向和ND方向的屈服强度类似，最大伸长率则显著增加。对拉伸后断口形貌观察如图1b所示，RD方向室温拉伸断裂后材料发生了明显的颈缩，并且断口附近发现了明显的纵向撕裂裂纹，长度约2mm。600℃拉伸断裂后颈缩仍然明显，不过纵向撕裂消失。ND方向室温和600℃拉伸断裂后，材料均没有出现明显的颈缩和纵向撕裂。对层状CLAM钢的室温和高温力学性能与传统等轴RAFM钢和ODS钢对比表明，在同等最大延伸率下，钢的室温和600℃屈服强度均提升了约25%（图1c，d）。

图1. 层状CLAM钢拉伸性能。(a) 钢室温和600℃条件下应力应变曲线；(b)钢室温和600℃下拉伸断裂后的宏观形貌；(c，d)层状CLAM钢和ODS钢及传统等轴RAFM钢在室温和600℃下的拉伸性能对比。

图2为室温条件下RD方向层状CLAM钢的塑化机理，图2a为层状CLAM钢断后截面处的形貌，显然断口截面处存在长达1mm的层状撕裂。图2 (b, c) 为钢拉伸过程中的裂纹萌生和扩展形貌，显然由于铁素体和M₂₃C₆碳化物较大的错配程度，裂纹优先自碳化物附近萌生，之后沿层状晶界扩展。图2 (d,e)为钢拉伸断裂后的EBSD大小交晶界图和KAM图，表明在拉伸条件下，应力优先在晶界和亚晶界处聚集，之后由于晶界和晶内具有更大的错配程度，裂纹自碳化物附近萌生后优先沿层状晶界扩展。

图2. 室温条件下层状CLAM钢塑化机理。(a) 钢断后截面处宏观形貌；(b，c)钢拉伸条件下裂纹萌生和扩展；(d, e)钢拉伸条件下EBSD大小角度晶界和KAM图。

图3为室温条件下RD方向层状CLAM钢的塑化机理示意图，在外加应力条下由于M₂₃C₆碳化物及晶界与铁素体之间交大的错配程度，裂纹会优先自碳化物处萌生之后沿晶界扩展(图2b，e)。图3a Ⅰ为对萌生后裂纹进行的受力分析，由于裂纹本质上为空洞，外加应力无法作用在空洞上，其只能作用在裂纹边界处。外加应力对裂纹边界的作用可分解为σ₁和σ₂，之后对σ₁和σ₂进一步分解可得到纵向拉应力σ_1y，σ_2y和横向拉应力σ_1x，σ_2x。其中纵向拉应力可以使裂纹横向扩展(图3b)横向压应力则可以使裂纹纵向扩展并产生颈缩(图3c)。由于层状CLAM钢中晶界呈纵向分布，晶界处交大的错配程度会显著促进裂纹的纵向扩展，使得裂纹的纵向扩展速率明显大于横向(图3a Ⅱ)。最后，随着纵向撕裂的不断增加，颈缩不断加剧，当材料受到的实际应力超越铁素体基体的承受极限后，其便会发生断裂(图3a Ⅲ)。由于裂纹的纵向扩展会显著增加材料颈缩区域，使得更多区域加入到变形中来，所以层状裂纹会显著增加材料塑性。

图3. 室温条件下层状CLAM钢塑化机理示意图。(a) 裂纹萌生及扩展；(b，c)不同应力条件下裂纹的扩展机理

图4为600℃条件下RD方向层状CLAM钢的塑化机理，图4a为层状CLAM钢断后截面处的形貌，显然断口截面处层状撕裂消失。图2 b 为钢拉伸过程中的裂纹萌生和扩展形貌，此时裂纹主要自晶界附近萌生，之后沿层状晶界扩展。图2 (c,d)为钢拉伸断裂后的EBSD大小交晶界图和KAM图，此时在拉伸条件下，应力同样优先在晶界和亚晶界处聚集之后沿晶界扩展。不过与室温条件下不同的是，裂纹的萌生扩展位置大幅增加，如图3d中红色箭头所示，表明在高温条件下，晶界附近发生了剧烈的变形。

图4. 600℃条件下层状CLAM钢塑化机理。(a) 钢断后截面处宏观形貌；(b)钢拉伸条件下裂纹萌生；(d, e)钢拉伸条件下EBSD大小角度晶界和KAM图。

图5为600℃条件下RD方向层状CLAM钢的塑化机理示意图。在高温条件下晶界会产生明显的弱化，从而使晶界在外加应力条件下会产生相对滑移，晶界的相对滑移会促使晶界处萌生大量的微裂纹(图3a Ⅰ)。之后在外加应力的作用下，由于晶界处具有更高的应力状态，裂纹还是会优先沿晶界纵向扩展(图3a Ⅱ)。最后，随着纵向撕裂的不断增加，颈缩不断加剧，当材料受到的实际应力超越铁素体基体的承受极限后，其便会发生断裂(图3a Ⅲ)。与室温类似，高温条件下裂纹的纵向扩展同样增加了钢的颈缩区域，使得钢的塑性增加（图3b）。 

图5. 600℃条件下层状CLAM钢塑化机理示意图。(a) 裂纹萌生及扩展；(b，c)外加应力条件下裂纹的扩展机理

本研究采用热轧+低温回火工艺制备了一种具有层状结构的CLAM钢，与传统的等轴RAFM钢和ODS钢相比该钢表现出了更加优异的强塑性。其良好的塑性来自于拉伸条件下应力和裂纹自层状晶界的纵向扩展，应力和晶界的纵向扩展显著增加了钢的颈缩区域，使得更多区域参与到变形中来。层状组织与界面强化和沉淀强化的结合可以使材料在不损失塑性的情况下提升强度，从而使材料具备优异的强塑性匹配。该机理的提出可以为进一步提升金属材料的强塑性提供新的途径。