導(dǎo)語：近日，中南大學(xué)粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室吳宏教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合昆明理工大學(xué)等高校，利用選區(qū)激光熔化（SLM）工藝的高冷卻速率和高溫度梯度特點(diǎn)，開發(fā)了一種含有高密度非平衡ε-馬氏體相的細(xì)晶粒Fe-18Mn（wt.%）合金。與傳統(tǒng)工藝如燒結(jié)、冷軋和鍛造制造的大多數(shù)Fe-30Mn和Fe-35Mn合金相比，該合金具有更高的降解速率和更高的抗拉強(qiáng)度。另外，使用Fe-18Mn預(yù)合金粉末制備了無裂紋的SLMed Fe-18Mn合金。除ε-馬氏體和α-鐵素體外，還存在面心立方γ-奧氏體。由于SLM工藝的高冷卻速率導(dǎo)致的晶粒細(xì)化（幾百納米尺度）將導(dǎo)致Fe-18Mn合金的SFE略有增加。研究了熱處理對(duì)SLMed Fe-18Mn合金組織和力學(xué)性能的影響，重點(diǎn)研究了變形機(jī)理。650℃退火后（表示為HT650試樣），γ相在α相附近出現(xiàn)更均勻的回復(fù)，屈服強(qiáng)度得到提高，滿足了承載骨科材料的基本力學(xué)支撐要求。此外，HT650的晶粒尺寸與建造樣品相比變化不明顯，這提供了過量的吉布斯自由能，導(dǎo)致SFE增加，從而導(dǎo)致多種順序激活的變形機(jī)制。更重要的是，TRIP、TWIP和多相效應(yīng)使熱處理后的Fe-18Mn合金具有較高的加工硬化率和較高的抗拉強(qiáng)度和塑性。通過多種變形機(jī)制，證明了SLM制備的多相Fe-Mn合金具有優(yōu)異的加工硬化能力，保證了其在使用過程中的力學(xué)穩(wěn)定性。研究成果可促進(jìn)穩(wěn)定植入的鐵基可生物降解合金在骨科中的應(yīng)用。

主要實(shí)驗(yàn)成果

圖1b中的加工硬化速率（WHR）-真應(yīng)變曲線顯示了建造和熱處理樣品的加工硬化能力。HT850和HT1050樣品的加工硬化能力非常有限。相比之下，建造和HT650樣品在寬的應(yīng)變范圍內(nèi)表現(xiàn)出明顯的加工硬化。HT650樣品卓越的加工硬化能力保證了植入時(shí)的承載穩(wěn)定性。經(jīng)熱處理的SLM成形Fe-18Mn合金適用于生物可降解的骨科植入物。作者揭示了變形過程中的微觀組織變化，量化了其相變組織對(duì)力學(xué)強(qiáng)化的影響。在初始變形階段（屈服后不久），高加工硬化率是由固有的SFs、退火孿晶和多相復(fù)合效應(yīng)引起的。在應(yīng)變?yōu)?%左右馬氏體轉(zhuǎn)變開始時(shí)，加工硬化是由轉(zhuǎn)變的ε相和α′-馬氏體相的硬化共同引起的。隨著變形的繼續(xù)，加工硬化速率的提高主要是由于相變硬相的不斷形成、DTs的形成以及DT與SFs的相互作用。在變形的最后階段，加工硬化速率保持較寬的應(yīng)變窗口，這是由于：1）高密度的SFs和DTs的形成；2）納米DTs的細(xì)化；3）持續(xù)的TRIP效應(yīng)（γ→ε→α′）；4）軟、硬相之間的協(xié)同變形；5）相干界面處高密度錯(cuò)配位錯(cuò)的積累。最終，HT650試樣通過多種順序變形機(jī)制實(shí)現(xiàn)了~1GPa的高UTS。

圖1 (a)(c)建造和熱處理樣品的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線；(b)建造樣品、HT650、HT850、HT1050試樣的加工硬化曲線；(d) HT650試樣與同類合金、Mg基合金和Zn基合金的力學(xué)性能比較

圖2 HT650試樣在拉伸變形過程中的變形機(jī)理示意圖

圖3 HT650三個(gè)相不同應(yīng)變階段的優(yōu)化的Williamson-Hall線性關(guān)系

圖4 (a) HT650試樣不同相微應(yīng)力與真應(yīng)變的關(guān)系；(b)不同晶格平面微應(yīng)變與真應(yīng)變的關(guān)系

主要結(jié)論及創(chuàng)新點(diǎn)

利用預(yù)合金粉末成功制備了無裂紋Fe-18Mn合金。對(duì)建造樣品進(jìn)行了各種簡單退火處理，包括消除應(yīng)力退火和固溶退火，以進(jìn)一步提高拉伸性能。最終獲得了具有優(yōu)異加工硬化性能的Fe-Mn合金。主要結(jié)論如下：

（1）隨著退火溫度的升高，YS從223 MPa增加到305 MPa, UTS從911 MPa增加到998 MPa。而在650℃以上的退火溫度，HT850和HT1050中板條馬氏體的形成和粗化導(dǎo)致合金的UTS從998 MPa急劇下降到599 MPa，延伸率從16.1%急劇下降到7.2%。

（2）HT650的晶粒尺寸相比建造樣品沒有發(fā)生很大變化，但軟α相分布更加均勻，YS從176 MPa增加到305 MPa。

（3）適度的SFE（~23.9 mJ/m2）使HT650試樣呈現(xiàn)出多種順序激活的變形機(jī)制（即SFs、納米DTs和馬氏體相變）。HT650樣品的拉伸強(qiáng)度高達(dá)~1GPa，伸長率高達(dá)16.1%。

因此，研究結(jié)果表明，SLM和適當(dāng)?shù)臒崽幚硐嘟Y(jié)合可以引入各種非平衡缺陷，晶粒細(xì)化可以略微提高低Mn含量Fe-Mn合金的SFE。多相復(fù)合效應(yīng)和多種變形機(jī)制誘導(dǎo)了優(yōu)異的加工硬化能力，這為開發(fā)穩(wěn)定植入的可生物降解鐵基合金提供了有利條件。

相關(guān)研究成果以“Achieving exceptionalwork-hardening capability of additively-manufactured multiphase Fe-Mn alloys via multiple deformation mechanisms”為題發(fā)表在International Journal of Plasticity上（Volume 173， February 2024，Article number 103871），論文第一作者來自中南大學(xué)粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的博士生劉佩峰，通訊作者為吳宏教授。