現(xiàn)階段能源節(jié)約和燃料效率越來越重要，因此輕質(zhì)材料的應用迅速增長，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、強度高、耐磨耐蝕等優(yōu)良性能，使結構件的主體和保護涂層能夠在極端環(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(wèi)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(zhì)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(huán)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(fā)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(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，層狀結構中單層厚度通過冷卻速率（空冷與水淬）進行調(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，層狀材料的響應會從脆性變?yōu)檠有裕?59nm的最細層在室溫下表現(xiàn)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(jīng)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(tǒng)。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(tǒng)傳播，這取決于晶體中多個易滑移系統(tǒng)與包含一個滑移系統(tǒng)的滑移傳輸之間的微妙競爭。

圖1 FeAl和FeAl₂的形態(tài)和結構

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相單獨在室溫下呈脆性，易于出現(xiàn)應變局部化，然后破裂。通過引入FeAl/FeAl₂界面，F(xiàn)eAl₂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，F(xiàn)eAl/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(xiàn)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(fā)現(xiàn)有益于界面工程，是顯著降低輕質(zhì)合金B(yǎng)DT溫度的有價值且有前途的方法。