西安交大：突破！实现超细层状Fe-Al合金室温脆性-韧性转变！

导读：Fe-Al化合物由于具有重量轻、强度高、耐磨和耐腐蚀的优点而备受关注，但广泛使用还需要其具有高延展性。开发轻质且易延展的Fe-Al复合材料的挑战在于Al浓度与脆性至延性转变温度之间的内在平衡。本文实现了FeAl / FeAl2层状复合材料中室温延性的响应。发现在临界层厚度1μm以下，FeAl2层与FeAl层均匀地发生共变形。FeAl2层经历了从多峰滑移到单峰滑移的基本变化，单峰滑移在FeAl / FeAl 2界面上对齐并完全传输。

随着能源和燃料效率变得至关重要，许多需要轻质材料的材料结构应用正在迅速发展。轻质材料可以承受大变形而不开裂。Fe-Al合金具有重量轻，强度高，耐磨损性和耐腐蚀性的完美结合，这使它们成为在极端环境下使用的大块结构和保护涂层的主要候选材料。例如，人们希望将Fe-Al合金用作有效的过渡层，以减少氚存储中不锈钢基材和Al2O3涂层之间的热失配。然而，Fe-Al合金中重量较轻(富铝)的成分在室温下脆性大，易发生过早破坏。

使用Fe-Al合金的障碍在于增加Al的浓度和增加脆性至延性转变（BDT）温度之间的固有折衷。对于位于二元Fe-Al相图的贫Al部分（远低于Al的50％原子）的较重的Fe-Al合金，BDT温度约为200°C。随着Al浓度的进一步增加，BDT温度逐渐升高，直到Al浓度为40%时急剧上升，达到800℃这一温度远远超过了实际使用的温度。

富铝的Fe-Al相（如FeAl 2，Fe2Al5和FeAl3）是在室温下固有脆性的金属间化合物，硬度和力学测试发现，它们各自的断裂韧性值与陶瓷和玻璃相似。这些相具有低对称性的晶体结构，使其具有高度的各向异性，并且缺乏足够数量的优选的，易滑动的模式来在所有晶体学方向上均匀地发生塑性响应。

提高Fe-Al合金力学性能的一种方法是通过引入高密度的双相界面来使其内部组织“复杂化”。一些研究表明，纳米层状金属中的双相界面可以作为位错的来源，通过与其他位错和缺陷(如孪晶和空位)的特定相互作用，从本质上改善材料的力学和辐射性能。纳米层使得室温强度提高了5- 10倍，特别是当间距减小到纳米级(< 200nm)时。然而，这些强度的提高往往伴随着延性和韧性的降低。

基于此，西安交通大学微纳中心韩卫忠教授课题组制备了室温下具备良好塑性变形能力交替FeAl / FeAl 2层且每层厚度范围从2.5μm至259 nm 的轻质共析Fe-Al合金。富铝、轻质FeAl为这些合金作为极端环境中的承重结构开辟了新的应用领域。相关研究结果以题“Achieving room-temperature brittle-to-ductile transition in ultrafine layered Fe-Al alloys”发表在ScienceAdvances上。

论文链接：https://advances.sciencemag.org/content/6/39/eabb6658

研究表明，低于1μm的临界双层厚度，FeAl2相的机械响应会从典型的局部、不稳定的裂纹急剧变化为均匀且稳定的流动。纳米相FeAl 2采用的传导滑移系统被认为是异常坚硬的系统，与在较粗的FeAl 2中活化的系统不同。

图1 的FeAl和FeAl2金属的形态和结构。

（A）Fe-Al相图。红色虚线表示这项工作中的合金成分。（B）具有FeAl和FeAl 2相的FeAl合金的典型扫描电子显微镜（SEM）显微照片。（C）具有层状形态的FeAl合金的典型SEM图像，其中亮相为FeAl 2，暗相为FeAl。（D）FeAl和FeAl 2的晶体结构。（E）层状FeAl2 / FeAl的典型TEM显微照片。（F）层状FeAl / FeAl2合金的选择区域电子衍射图

图2 压痕比较。

（A）单相FeAl2中压痕部位的典型SEM显微照片。（B至F）具有平均相厚为2.5μm，1.5μm，1μm，500nm和259nm的层状FeAl / FeAl 2中的压痕的典型的SEM显微照片。硬度也标记在图中。

图3 ：层状FeAl / FeAl 2的变形（t = 2μm）。

（A）在平均厚度为2μm的层状FeAl / FeAl 2上的压痕的SEM显微照片。（B到D）典型的TEM显微照片，显示了FeAl 2相中滑移带的特征。（E）应力集中在FeAl层的界面处引起对比。（F）穿过FeAl / FeAl 2界面的滑动传输路径。

图4层状FeAl/FeAl2的变形(t = 1.5 ym, 500 nm, 259 nm)。(A至C)在平均厚度为1.5 um的分层FeAl/FeAlz上显示压痕下变形微观结构的TEM显微图。(D至F)在平均层厚为500 nm的分层FeAl/FeAlz上压痕下形成的微观结构的TEM显微图;确定了界面的滑移、局部化和剪切。(G to I)透射电镜显示了平均厚度为259纳米的分层FeAl/FeAl2上压痕下的变形微观结构。滑带已经在许多交替的FeAl/FeAly层上发展起来

图5 层状FeAl / FeAl2柱的变形。

压缩之前（A，C和E）以及压缩之后（B，D和F）的层状FeAl / FeAl 2柱的典型SEM显微照片。（A），（C）和（E）中的三个支柱相对于加载轴具有不同的层方向。（G）层状FeAl / FeAl 2柱的典型压缩应力-应变曲线。

图6 为FeAl和FeAl 2的 GSFE曲线。

（A）在此计算的B2阶FeAl中的非松弛（UR）和松弛（R）广义堆垛层错能（GSFE）曲线。（B）FeAl 2中的 UR和R GSFE曲线。

综上所述，本文制造了具有不同的单层厚度（从微米到纳米）的层状共析FeAl / FeAl 2合金，并研究了它们在室温下的破坏行为。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。纳米级约束在不常见的滑动平面上加强了滑移传输，使原本脆弱的FeAl2和已经具有延展性的FeAl层之间实现了协同变形。其结果是从形成强带和裂纹的应变局部化转变为室温下的均匀变形和韧性变形。这些发现为界面工程提供了有价值和有前途的方法来显著降低轻量金属间化合物的BDT温度。