現(xiàn)階段能源節(jié)約和燃料效率越來(lái)越重要，因此輕質(zhì)材料的應(yīng)用迅速增長(zhǎng)，要求輕質(zhì)材料承受較大的變形而不斷裂。Fe-Al合金具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐磨耐蝕等優(yōu)良性能，使結(jié)構(gòu)件的主體和保護(hù)涂層能夠在極端環(huán)境下服役。例如，人們使用Fe-Al合金作為有效的過(guò)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(zhì)量更輕（富鋁）的合金在室溫下表現(xiàn)出脆性并且性能較低。Fe-Al合金廣泛應(yīng)用的主要障礙在于增加Al的含量和增加脆性-延性轉(zhuǎn)變（BDT）溫度之間的矛盾。

西安交通大學(xué)韓衛(wèi)忠團(tuán)隊(duì)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(zhì)共析Fe-Al合金。在亞微米層厚度下可以達(dá)到室溫呈延性，為富鋁Fe-Al合金在極端環(huán)境中作為承重結(jié)構(gòu)開(kāi)辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域。相關(guān)論文于以題為“Achieving room-temperature brittle-to-ductile transition in ultrafine layered Fe-Al alloys”發(fā)表在Science Advances。

論文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/6/39/eabb6658

本研究通過(guò)在管式爐中電弧熔煉純Al和Fe生產(chǎn)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(jié)構(gòu)中單層厚度通過(guò)冷卻速率（空冷與水淬）進(jìn)行調(diào)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(fā)現(xiàn)隨著 t 降低至1μm以下，層狀材料的響應(yīng)會(huì)從脆性變?yōu)檠有裕?59nm的最細(xì)層在室溫下表現(xiàn)出完全的延展性響應(yīng)。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(cè)試的基礎(chǔ)上，這種材料已經(jīng)顯示出同時(shí)具有高強(qiáng)度和韌性的特征。位錯(cuò)主要在FeAl中的{110}平面中滑移，但是當(dāng)雙層厚度t變得足夠細(xì)時(shí)，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(tǒng)。分析表明，將存在一個(gè)臨界層厚度，低于該臨界層厚度的話(huà)，則傾向于通過(guò){110}?111?滑移系統(tǒng)傳播，這取決于晶體中多個(gè)易滑移系統(tǒng)與包含一個(gè)滑移系統(tǒng)的滑移傳輸之間的微妙競(jìng)爭(zhēng)。

圖1 FeAl和FeAl₂的形態(tài)和結(jié)構(gòu)

圖2 不同F(xiàn)e-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(dú)在室溫下呈脆性，易于出現(xiàn)應(yīng)變局部化，然后破裂。通過(guò)引入FeAl/FeAl₂界面，F(xiàn)eAl₂相仍具有應(yīng)變局部化和開(kāi)裂的趨勢(shì)，但是FeAl/FeAl₂界面能夠抑制它們的傳播。隨著層厚度減小，F(xiàn)eAl/FeAl₂界面的層厚度更細(xì)，可以抑制裂紋，并阻止在FeAl₂層中形成的強(qiáng)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(cuò)能（GSFE）曲線(xiàn)

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?cè)谑覝叵碌氖袨椤Ｔ诠参鰧訝罱Y(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了從脆性到延性的過(guò)渡，該共析層狀結(jié)構(gòu)的層厚度小于1μm。這些發(fā)現(xiàn)有益于界面工程，是顯著降低輕質(zhì)合金B(yǎng)DT溫度的有價(jià)值且有前途的方法。