Nature Communications: 通过自适应马氏体相变提高金属的抗辐射性能

2026-02-12 15:15:21 作者：中子科学与技术来源：中子科学与技术分享至：

Nature Communications 16, 10995 (2025)

Published: 11 December 2025

过去几十年来，核能因其高能量密度与低碳排放特征，被认为是缓解全球能源与环境压力的重要选项之一。为了安全使用核能，结构材料必须在核反应堆服役期间保持可靠性。与此同时，延长现有核电站寿命的需求，使材料在未来极端辐照环境中的服役时间显著拉长，因此开发更高抗辐照能力的结构材料成为近年的研究重点。

晶界（GB）对增加抗辐射性的作用已经由实验和模拟揭示。受这些工作的启发，纳米晶（NC）材料也因此受到关注。但纳米晶体系在较低剂量下可能发生晶粒长大，因此在NC材料中通过GB捕获缺陷的改善是有限的。此外，另一类方法利用纳米颗粒与基体界面捕获缺陷，代表为氧化物弥散强化钢，但受制于制备效率与批次稳定性。此外，高熵合金等单相浓缩固溶体体系被认为具备抗辐照潜力，但仍面临成本与高温高剂量稳定性方面的约束。

更重要的是，抗辐照不仅要降低缺陷密度，还要避免缺陷吸收与微结构演化对力学性能造成显著削弱，因此兼顾缺陷抑制与性能保持的协同策略尤为关键。在此背景下，中国科学院金属研究所与山东大学、中国科学院近代物理研究所、辽宁材料实验室团队合作，结合实验与分子动力学模拟发现，梯度纳米结构奥氏体不锈钢在极高剂量与高温辐照下仍表现出优异抗辐照能力，并提出由大尺度相变主导的缺陷持续耗散机制，为先进核结构材料设计提供了新的思路。该工作以《Improved radiation resistance in metals via adaptive martensitic transformation》为题，发表《Nature Communications》上。

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梯度纳米结构制备与

辐射诱导缺陷的形成

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本文以核级304奥氏体不锈钢304NG为研究对象，先给出粗晶（CG）对照样品的初始组织特征，主体为奥氏体并含少量马氏体，晶内仅有少量位错与层错。在此基础上，作者采用表面机械滚压处理在表层构筑梯度纳米结构层。该梯度层并非简单细晶化，而是形成以Σ3(111)低能界面为骨架、并伴随高密度层错和位错网络的缺陷网络结构，为后续辐照过程中的缺陷调控提供结构底座。

辐照实验采用粗晶与梯度纳米结构样品(GNS 304NG)在相同框架下对比。室温工况重点观察位错环这一典型低温辐照缺陷，并将最大剂量提高到155 dpa以检验极限耐受能力；同时设置450 ℃约80 dpa的高温工况用于评估空洞等重组缺陷，以对应更接近工程场景的风险。缺陷的形貌与密度主要通过TEM成像与统计获得，并结合衍射与相分析手段跟踪辐照后的结构演化。

图 1 GNS 304NG样品的微观结构

图 2 CG和GNS 304NG样品在室温下的耐辐射性

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抗辐射机制解析

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室温155 dpa后，粗晶样品形成高密度位错环，而梯度纳米结构样品中位错环显著受抑。定量统计显示，梯度纳米结构样品在155 dpa时位错环密度仅约为粗晶对照的3.8%。在高温450 ℃约80 dpa条件下，粗晶样品出现大量空洞，而梯度纳米结构样品中空洞几乎难以观察到，说明优势不仅体现在位错环，也延伸到相关的空洞缺陷。

在机制层面，作者指出仅靠晶界吸收缺陷不足以解释早期阶段位错环密度随剂量上升反而下降的反常趋势，并将核心归因于梯度纳米结构中更易触发且可扩展的辐照诱导马氏体转变。文中给出证据表明马氏体转变在低剂量阶段就被明显激活，并呈现从峰损伤区域向周围区域扩展的行为，因此提出大尺度自适应马氏体转变这一概念。高分辨观察显示相变倾向于在层错附近起始，指向层错与辐照缺陷耦合降低相变门槛；作者进一步强调，相变推进伴随晶格重排过程本身可能消耗大量辐照缺陷，从而显著增强抗辐照能力，并结合分子动力学模拟对这一过程进行支撑。

图 3 辐照下GNS 304NG样品中的马氏体相变过程

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机械性能验证

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除了缺陷密度的降低，文章还指出，提升抗辐照性能不仅要压低缺陷，也要避免因微结构演化而牺牲服役力学性能。为此，文中通过纳米压痕与原位微柱压缩对辐照后的力学响应进行评估，并记录变形过程以判断塑性稳定性。微柱压缩实验中，辐照后的微柱仍可压缩至约22%工程应变，用于对比辐照前后的应力应变响应与变形形貌。论文指出，这类由低能界面、高密度层错与位错网络构成的结构底座，有望在降低辐照缺陷的同时维持并改善反应堆服役钢的综合力学表现。