Kink bands（扭结带）在Fe-Cr-Al合金中起到了缓解强度-延展性矛盾的作用，并提升了材料的蠕变抗力

《Journal of Materials Science & Technology》：Kink bands-mediated overcoming of strength-ductility trade-off and enhancement of creep resistance in a Fe-Cr-Al alloy

本研究通过引入kink bands（KBs）到Fe-Cr-Al合金中，实现了室温下强度与塑性的协同优化（屈服强度950 MPa，抗拉强度1.06 GPa，均匀延伸率9.5%），并显著提升了400°C/500 MPa下的蠕变性能（蠕变速率4.3651×10^-9 s^-1）。高温下KBs通过持续的Hall-Petch强化和异质变形诱导硬化维持功能效应，同时晶界裂纹偏转和分离效应抑制了脆性断裂，其机制涉及晶粒簇间应变硬化差异的降低。

　　本研究聚焦于一种特殊的微观结构——扭折带（kink bands，KBs）在Fe-Cr-Al合金中的应用，旨在解决传统材料中强度与延展性之间的矛盾，同时提升其蠕变性能。Fe-Cr-Al合金因其在高温环境下出色的蒸汽氧化抵抗性，长期以来被视为事故容错燃料材料的候选之一。然而，这类合金在常温下通常面临强度与延展性难以兼得的问题，而高温下的蠕变性能又受到多种因素的制约。通过引入扭折带结构，研究团队成功地在保持良好延展性的同时，显著提高了材料的强度，并进一步增强了其在高温下的抗蠕变能力。

扭折带是一种由晶格旋转形成的特殊倾斜边界，能够在变形过程中有效适应应变。与传统的晶界（GBs）不同，扭折带的形成依赖于塑性变形而非随机的晶界迁移，这使得其在材料内部形成一种非均匀的结构。这种结构不仅有助于提高材料的强度，还能够通过异变形诱导（HDI）强化机制增强其韧性。在本研究中，通过调控合金成分和加工工艺，成功在Fe-Cr-Al合金中引入了高密度的扭折带，从而实现了材料性能的显著提升。

研究结果表明，在常温条件下，含有扭折带的Fe-Cr-Al合金表现出优异的机械协同效应。其屈服强度达到了950 MPa，抗拉强度为1.06 GPa，均匀延伸率为9.5%，总延伸率为11.6%。这些性能指标远高于传统均匀结构的Fe-Cr-Al合金，显示出扭折带结构在提升材料综合性能方面的潜力。进一步分析发现，这种性能的提升来源于扭折带诱导的异晶粒细化和异变形诱导强化的协同作用。扭折带的形成使得晶粒之间产生微小的晶格偏转，从而在材料内部形成一种多级异质结构，这种结构能够有效抑制晶界滑移，增强材料的强度。

在高温条件下，如400°C，扭折带结构依然表现出良好的功能效果。尽管高温会导致晶界弱化，但扭折带结构通过持续的Hall-Petch强化效应和异变形诱导强化机制，仍然能够维持较高的强度。此外，扭折带结构还能够通过抑制晶界剥离效应来保持材料的延展性。在高温下，晶界处的应变不兼容性是导致裂纹萌生和扩展的主要因素，而扭折带结构的引入能够有效减少晶界处的应变差异，从而降低裂纹扩展的可能性。

在蠕变性能方面，研究团队发现含有扭折带的Fe-Cr-Al合金在400°C和500 MPa条件下表现出优于传统均匀结构的抗蠕变能力。蠕变变形主要由螺位错滑移主导，这种机制导致了非常低的蠕变率（4.3651×10?? s?1）和可忽略的蠕变应变。这一结果表明，扭折带结构能够有效抑制高温下的蠕变行为，使其在核反应堆等高温高压环境中具有更高的应用价值。

在材料制备方面，研究团队采用了一种特定的合金成分，包括13.51%的Cr、4.73%的Al、2.08%的Mo、0.64%的Nb、0.65%的Ta以及Fe作为基体。通过真空电弧炉熔炼铸造，并随后进行锻造和热轧，获得了20 mm的板材。为了消除在凝固和热轧过程中形成的粗大Laves相（Fe?(Mo, Nb, Ta)），研究团队进行了1150°C下的溶液处理，持续6小时。根据实验结果，这种处理能够有效细化晶粒，提高合金的综合性能。

在微观结构特征方面，研究团队通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对不同处理条件下的样品进行了观察。结果显示，经过退火处理后，晶粒呈现等轴形状，大小约为140 μm。然而，在引入扭折带结构的样品中，晶粒沿轧制方向（RD）发生拉长，并转变为饼状结构，同时在基体中形成了显著的带状结构（BSs）。根据之前的文献定义，这些带状结构可能属于扭折带或变形带（DBs）。扭折带的分布和排列方式在材料内部形成了非均匀的结构，这种结构不仅增强了材料的强度，还通过应变硬化机制提升了其韧性。

在评估强度-延展性协同效应时，研究团队发现含有扭折带的样品在常温下表现出优于其他Fe-Cr-Al合金的综合性能。然而，由于其多尺度异质结构，需要与均匀结构进行对比，以明确其增强和保持韧性的机制。研究团队引用了Li等人提出的新模型公式，用于计算均匀结构的强度和延展性。尽管模型公式涉及复杂的数学表达，但其核心思想在于揭示晶粒尺寸和应变硬化能力之间的关系。通过对比实验，研究团队发现扭折带结构能够有效改变晶粒尺寸和应变分布，从而实现强度与延展性的协同提升。

在高温下的机械性能方面，研究团队发现扭折带结构能够维持较高的强度，即使在晶界弱化的情况下。这主要归功于扭折带结构的持续Hall-Petch强化效应和异变形诱导强化机制。此外，扭折带结构还能够通过抑制晶界剥离效应来保持材料的延展性。在高温下，晶界处的应变不兼容性是导致裂纹萌生和扩展的主要因素，而扭折带结构的引入能够有效减少晶界处的应变差异，从而降低裂纹扩展的可能性。

研究团队还对含有扭折带的Fe-Cr-Al合金在高温下的蠕变行为进行了系统研究。结果显示，这些合金在400°C和500 MPa条件下表现出优异的抗蠕变能力。蠕变变形主要由螺位错滑移主导，这种机制导致了非常低的蠕变率和可忽略的蠕变应变。与传统均匀结构相比，含有扭折带的合金在高温下的蠕变性能显著提升，显示出其在核反应堆等高温高压环境的潜在应用价值。

研究团队还对不同处理条件下的样品进行了显微结构分析，以进一步理解扭折带结构对材料性能的影响。结果显示，扭折带结构的引入不仅改变了晶粒的尺寸和形状，还影响了晶粒之间的应变分布。这种非均匀的应变分布能够有效增强材料的强度，同时保持其良好的延展性。此外，扭折带结构还能够通过抑制晶界剥离效应来保持材料的韧性，从而在高温下维持较高的抗裂纹扩展能力。

在实际应用方面，研究团队发现含有扭折的Fe-Cr-Al合金在核反应堆等高温高压环境中具有更高的应用价值。这些合金不仅能够满足高强度的要求，还能够保持良好的延展性，从而在长期运行过程中表现出更高的稳定性和可靠性。此外，扭折带结构的引入还能够有效提升材料的抗蠕变能力，使其在高温下的服役寿命显著延长。

综上所述，本研究通过引入扭折带结构，成功解决了Fe-Cr-Al合金在常温下强度与延展性之间的矛盾，并显著提升了其在高温下的抗蠕变能力。扭折带结构的引入不仅改变了晶粒的尺寸和形状，还影响了晶粒之间的应变分布，从而实现材料性能的显著提升。研究团队通过系统地研究不同处理条件下的样品，揭示了扭折带结构对材料性能的影响机制，并为开发高性能、热稳定性优异的变形合金提供了理论依据和实践指导。这些成果对于推动核反应堆材料的发展具有重要意义，同时也为其他高温合金的性能优化提供了新的思路和方法。