現階段能源節約和燃料效率越來越重要,因此輕質材料的應用迅速增長,要求輕質材料承受較大的變形而不斷裂。Fe-Al合金具有質量輕、強度高、耐磨耐蝕等優良性能,使結構件的主體和保護涂層能夠在極端環境下服役。例如,人們使用Fe-Al合金作為有效的過渡層,以減少不銹鋼基材和Al2O3涂層之間的熱失配,但是Fe-Al系列中質量更輕(富鋁)的合金在室溫下表現出脆性并且性能較低。Fe-Al合金廣泛應用的主要障礙在于增加Al的含量和增加脆性-延性轉變(BDT)溫度之間的矛盾。
西安交通大學韓衛忠團隊的最新研究中,制造了具有交替FeAl/FeAl2層且每層厚度范圍從2.5μm至259nm的輕質共析Fe-Al合金。在亞微米層厚度下可以達到室溫呈延性,為富鋁Fe-Al合金在極端環境中作為承重結構開辟了新的應用領域。相關論文于以題為“Achieving room-temperature brittle-to-ductile transition in ultrafine layered Fe-Al alloys”發表在Science Advances。
論文鏈接:
https://advances.sciencemag.org/content/6/39/eabb6658
本研究通過在管式爐中電弧熔煉純Al和Fe生產出具有交替FeAl/FeAl2層的共析Fe-Al合金。該共析合金的原子比為Fe:Al=39:61,層狀結構中單層厚度通過冷卻速率(空冷與水淬)進行調控。最終制備出6種雙層厚度的FeAl/FeAl2層狀材料,雙層厚度t=2.5μm,2μm,1.5μm,1μm,500nm和259nm。
研究發現隨著 t 降低至1μm以下,層狀材料的響應會從脆性變為延性,259nm的最細層在室溫下表現出完全的延展性響應。隨著t的降低,層狀共析FeAl/FeAl2的硬度首先降低,但隨后增加。在測試的基礎上,這種材料已經顯示出同時具有高強度和韌性的特征。位錯主要在FeAl中的{110}平面中滑移,但是當雙層厚度t變得足夠細時,它們僅在FeAl2中的該平面上滑移。除了259nm的層狀材料,在單相FeAl2和層狀FeAl/FeAl2材料的變形中還有其他幾種滑移系統。分析表明,將存在一個臨界層厚度,低于該臨界層厚度的話,則傾向于通過{110}?111?滑移系統傳播,這取決于晶體中多個易滑移系統與包含一個滑移系統的滑移傳輸之間的微妙競爭。
圖1 FeAl和FeAl2的形態和結構
圖2 不同Fe-Al合金的壓痕比較
圖3 層狀FeAl/FeAl2的變形(t=2μm)
FeAl/FeAl2界面在Fe-Al合金的BDT中具有重要作用。FeAl2相單獨在室溫下呈脆性,易于出現應變局部化,然后破裂。通過引入FeAl/FeAl2界面,FeAl2相仍具有應變局部化和開裂的趨勢,但是FeAl/FeAl2界面能夠抑制它們的傳播。隨著層厚度減小,FeAl/FeAl2界面的層厚度更細,可以抑制裂紋,并阻止在FeAl2層中形成的強滑移帶的傳播。
圖4 層狀FeAl/FeAl2的變形(t=1.5μm,500nm和259nm)
圖5 層狀FeAl/FeAl2柱的變形
圖6 FeAl和FeAl2的廣義堆垛層錯能(GSFE)曲線
總而言之,本研究制造了具有不同單層厚度(從微米到納米)的層狀共析FeAl/FeAl2合金,并研究了它們在室溫下的失效行為。在共析層狀結構中實現了從脆性到延性的過渡,該共析層狀結構的層厚度小于1μm。這些發現有益于界面工程,是顯著降低輕質合金BDT溫度的有價值且有前途的方法。(文:破風)
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