低活化铁素体-马氏体（RAFM）钢是传统铁素体-马氏体钢的变种，主要作为未来聚变反应堆和第四代核裂变反应堆的结构材料。EUROFER97是一种欧洲RAFM钢，可用于ITER反应堆的实验包层和DEMO中受高辐射能量影响的结构部件，如第一壁、分流器、包层和压力容器。

在反应堆被拆除后，为了简化放射性废物储存，EUROFER97钢的化学成分已被适当修改。一些通常存在于Cr-Mo钢中的合金元素被替换为具有更快的、诱导辐射衰变的等效元素。此外，Ni、Nb、Mo、Cu和N等其他元素被保持在尽可能低的水平。

当钢材被暴露于中子辐照时，就会发生级联原子位移，并通过嬗变反应产生He。原子位移产生的晶格缺陷会导致显微组织和显微成分的变化，进而造成尺寸不稳定和力学性能下降。一直以来，EUROFER97钢是通过热轧工艺和随后的热处理来进行生产：在980℃奥氏体化30min，空冷，在760℃回火90min，从而产生回火马氏体，随后的状态被称为标准EUROFER97。

根据目前进行的辐照实验，EUROFER97在350-550℃的温度范围内表现出良好的性能。为了扩大该钢种的运行温度范围，已经进行了一些研究。550℃的上限是由肿胀和辐照蠕变所造成的。到目前为止，提高最高运行温度的一个可能解决方案就是采用EUROFER97钢的氧化物弥散强化（ODS）变体。

EUROFER97-ODS是通过氧化钇粉末（Y2O3含量为0.3wt.%）的机械合金化工艺制造而成的。50℃以上的温度下，细微晶粒尺寸的、纳米级的氧化物颗粒使得力学性能提升。与之相反，关于较低的温度极限主要归咎于延性的损失。由中子辐照产生的晶格缺陷，在低于350℃和高达350℃的温度下，导致韧脆转变温度（DBTT）升高。因此，在辐照前降低DBTT可以降低最低运行温度。众所周知，降低DBTT的唯一过程是细化晶粒尺寸。此外，显微组织细化将在核应用中显示出许多优势。相关文献显示，通过热或冷的机械加工和退火获得的细微组织，可以提供较高的机械强度（晶界限制了位错运动），并提供高的抗辐照能力。更大的晶界表面保证了更多的点缺陷复合中心，以及对He的低敏感性。在文献中，对于EUROFER97钢在奥氏体化阶段（减少原奥氏体晶粒）和回火阶段的晶粒尺寸，前人已经研究过各种策略。本研究考察了热机械工艺对EUROFER97钢显微组织的影响，目的是改善拉伸性能，同时评价在聚变核反应堆中的可能应用。值得一提的是，研究了冷轧过程后的加工硬化行为，并与常规EUROFER97钢进行了比较，并通过硬度测试、金相学和X射线衍射来进行表征。

01 材料和方法

EUROFER97钢的名义化学成分如表1所示。标准状态下的EUROFER97钢经过冷轧，然后进行再结晶热处理。重点研究了三种不同的冷轧压下率（30%、40%、50%）。

使用高分辨率电子扫描显微镜（FE-SEM Zeiss,Gemini Supra25）分析和比较了标准EUROFER97和冷轧工艺后的显微组织。此外，还进行了维氏硬度（HV5）测试和X射线衍射分析，从而估计位错密度。位错密度（ρ）是利用威廉姆斯-斯莫尔曼关系从局部微应变（ε）中计算而来，微应变ε是通过X射线衍射峰的半最大值全宽度（FWHM）估算而来。

ρ=14.4×ε 2 ×b -2 （1）

X射线衍射光谱是借助Mo-Kα辐射（λ=0.703A）获得的，精密光谱的角度步长为2θ=0.005，计数时间为4s。对于ε的估计，使用了光谱中{100}线的k α1 分量。

02 结果与讨论

冷塑性变形对EUROFER97显微组织的影响在SEM图像中清晰可见。除了原奥氏体晶粒和碳化物板条，还清楚地检测到回火马氏体。冷轧对回火马氏体的影响如图1（b）-图1（d）所示，相关数据显示出晶粒形状的变化：事实上，晶粒随着冷轧压下率（CR）的增加而拉长。

图2显示了EUROFER97在标准条件下和冷轧工艺后通过X射线衍射测量得到的{100}线的kα1成分。在图2中，所有衍射峰的强度都被归一化，结果显示，随着压下率的增加，衍射峰会变宽。衍射峰的变宽是微应变增加（从而导致位错密度）的一个指标。根据公式（1）计算出位错密度的变化与塑性变形量的关系。位错密度和硬度值作为冷轧压下率的函数，如图3所示。结果证实，冷轧压下率从0%增加到50%，意味着位错密度从7×10 10 cm -2 增加到大约3×10 11 cm -2 。维氏硬度变化显著（在50%的情况下，从200HV增加到280HV）。在对随即的热处理效果的影响是非常有益的。值得一提的是，在冷轧钢材上进行的初步实验结果显示，在经过适当的热处理之后，有可能获得非常细微组织（晶粒尺寸约为200nm）。

本研究考察了冷轧对EUROFER97钢加工硬化的影响。对三种不同的冷轧压下率（30%、40%、50%）进行了调查，在每种情况下进行了显微组织分析、维氏硬度和位错密度测定。冷轧钢材与标准状态下的EUROFER97钢进行了比较，结果显示，压下率从0%增大到50%，导致位错密度从7×10 10 cm -2 增加到约3×10 11 cm -2 。在硬度变化方面，这种增加似乎是相当强大的；在压下率50%的情况下，硬度从200HV增大到280HV。对核聚变应用而言，这些结果令人满意，有助于了解热机械加工工艺对EUROFER97钢力学性能和抗辐照性能的真正影响。

《世界金属导报》

2023年第14期 B11