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西安交大:突破!实现超细层状Fe-Al合金室温脆性-韧性转变!

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2020-10-12 17:09:00
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  现阶段能源节约和燃料效率越来越重要,因此轻质材料的应用迅速增长,要求轻质材料承受较大的变形而不断裂。Fe-Al合金具有质量轻、强度高、耐磨耐蚀等优良性能,使结构件的主体和保护涂层能够在极端环境下服役。例如,人们使用Fe-Al合金作为有效的过渡层,以减少不锈钢基材和Al2O3涂层之间的热失配,但是Fe-Al系列中质量更轻(富铝)的合金在室温下表现出脆性并且性能较低。Fe-Al合金广泛应用的主要障碍在于增加Al的含量和增加脆性-延性转变(BDT)温度之间的矛盾。

  西安交通大学韩卫忠团队的最新研究中,制造了具有交替FeAl/FeAl2层且每层厚度范围从2.5μm至259nm的轻质共析Fe-Al合金。在亚微米层厚度下可以达到室温呈延性,为富铝Fe-Al合金在极端环境中作为承重结构开辟了新的应用领域。相关论文于以题为“Achieving room-temperature brittle-to-ductile transition in ultrafine layered Fe-Al alloys”发表在Science Advances。

  论文链接:

  https://advances.sciencemag.org/content/6/39/eabb6658

  本研究通过在管式炉中电弧熔炼纯Al和Fe生产出具有交替FeAl/FeAl2层的共析Fe-Al合金。该共析合金的原子比为Fe:Al=39:61,层状结构中单层厚度通过冷却速率(空冷与水淬)进行调控。最终制备出6种双层厚度的FeAl/FeAl2层状材料,双层厚度t=2.5μm,2μm,1.5μm,1μm,500nm和259nm。

  研究发现随着 t 降低至1μm以下,层状材料的响应会从脆性变为延性,259nm的最细层在室温下表现出完全的延展性响应。随着t的降低,层状共析FeAl/FeAl2的硬度首先降低,但随后增加。在测试的基础上,这种材料已经显示出同时具有高强度和韧性的特征。位错主要在FeAl中的{110}平面中滑移,但是当双层厚度t变得足够细时,它们仅在FeAl2中的该平面上滑移。除了259nm的层状材料,在单相FeAl2和层状FeAl/FeAl2材料的变形中还有其他几种滑移系统。分析表明,将存在一个临界层厚度,低于该临界层厚度的话,则倾向于通过{110}⟨111⟩滑移系统传播,这取决于晶体中多个易滑移系统与包含一个滑移系统的滑移传输之间的微妙竞争。

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图1 FeAl和FeAl2的形态和结构

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图2 不同Fe-Al合金的压痕比较

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图3 层状FeAl/FeAl2的变形(t=2μm)

  FeAl/FeAl2界面在Fe-Al合金的BDT中具有重要作用。FeAl2相单独在室温下呈脆性,易于出现应变局部化,然后破裂。通过引入FeAl/FeAl2界面,FeAl2相仍具有应变局部化和开裂的趋势,但是FeAl/FeAl2界面能够抑制它们的传播。随着层厚度减小,FeAl/FeAl2界面的层厚度更细,可以抑制裂纹,并阻止在FeAl2层中形成的强滑移带的传播。

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图4 层状FeAl/FeAl2的变形(t=1.5μm,500nm和259nm)

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图5 层状FeAl/FeAl2柱的变形

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图6 FeAl和FeAl2的广义堆垛层错能(GSFE)曲线

  总而言之,本研究制造了具有不同单层厚度(从微米到纳米)的层状共析FeAl/FeAl2合金,并研究了它们在室温下的失效行为。在共析层状结构中实现了从脆性到延性的过渡,该共析层状结构的层厚度小于1μm。这些发现有益于界面工程,是显著降低轻质合金BDT温度的有价值且有前途的方法。(文:破风)


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