科研人员揭示层状金属间化合物室温韧性变形机制

Fe-Al合金兼具轻质、高强度、优良的耐磨性能和抗腐蚀性等优点,是极具潜力的极端环境轻质金属结构材料。然而,室温下的脆性极大地制约着Fe-Al合金的制备加工与大规模应用。Fe-Al合金的脆性通常随着铝含量的增加而增加,当铝含量增加到40 at.%以上时,其韧脆转变温度急剧升高至800℃,这使得Fe-Al合金中更为轻质的富铝合金的应用受到了很大制约。

近日,西安交通大学微纳中心韩卫忠教授课题组制备了在室温下具备良好塑性变形能力的层状FeAl/FeAl2合金,并深入研究了层厚与变形机理之间的关系。研究发现,层状双相Fe-Al合金中具有B2结构的FeAl相接近于体心立方金属,在室温下具有良好的变形能力;而具有复杂三斜结构的FeAl2相在室温下主要依靠随机滑移带承载塑形变形,因此极易形成裂纹,呈现出又硬又脆的变形特征。当形成层状结构后,界面的引入会限制脆性FeAl2相中强滑移带的扩展,同时界面处的滑移传递使得FeAl2相中的局域化应变得到分散,抑制裂纹的萌生。随着层厚的减小,界面对FeAl2相中强滑移带的限制效应进一步增强,相应地促进了界面处的滑移传递和协调变形能力。当层厚减小到1微米以下时,滑移易于穿过界面进一步扩展,较脆的FeAl2相与塑性较好的FeAl相通过取向接近的滑移系统协调变形,最终实现共同的均匀塑形变形,抑制了FeAl2相中强滑移带引起的应变局部化与裂纹萌生,使Fe-Al合金常规的脆性变形行为转变为室温下均匀的塑性共变形。这一发现不仅有利于拓展轻质Fe-Al合金在核反应堆发动机等极端环境下的应用,也启发了通过引入界面来设计兼具高强度与良好塑性变形能力的高性能金属间化合物合金的新思路。

科研人员揭示层状金属间化合物室温韧性变形机制

层状Fe-Al合金的变形机制

上述研究成果以“Achieving room-temperature brittle-to-ductile transition in ultra-fine layered Fe-Al alloys”为题,发表在国际权威期刊Science Advances上。西安交通大学硕士生李璐璐为论文的第一作者,西安交通大学韩卫忠教授为本文的第一通讯作者,合作者包括美国加州大学圣芭芭拉分校的Irene J. Beyerlein教授和苏彦青博士。该研究得到了国家重点研发计划材料基因组项目、国家自然科学基金优秀青年基金以及西安交通大学青年拔尖人才支持计划等的共同资助。

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