中南大学：多种变形机制实现增材制造Fe-Mn合金优异的加工硬化能力

导语： 近日， 中南大学粉末冶金国家重点实验室吴宏教授 团队联合 昆明理工大学 等高校，利用选区激光熔化（ SLM ）工艺的高冷却速率和高温度梯度特点，开发了一种含有高密度非平衡 ε- 马氏体相的细晶粒 Fe-18Mn （ wt.% ）合金。与传统工艺如烧结、冷轧和锻造制造的大多数 Fe-30Mn 和 Fe-35Mn 合金相比，该合金具有更高的降解速率和更高的抗拉强度。另外，使用 Fe-18Mn 预合金粉末制备了无裂纹的 SLMed Fe-18Mn 合金。除 ε- 马氏体和 α- 铁素体外，还存在面心立方 γ- 奥氏体。由于 SLM 工艺的高冷却速率导致的晶粒细化（几百纳米尺度）将导致 Fe-18Mn 合金的 SFE 略有增加。研究了热处理对 SLMed Fe-18Mn 合金组织和力学性能的影响，重点研究了变形机理。 650℃ 退火后（表示为 HT650 试样）， γ 相在 α 相附近出现更均匀的回复，屈服强度得到提高，满足了承载骨科材料的基本力学支撑要求。此外， HT650 的晶粒尺寸与建造样品相比变化不明显，这提供了过量的吉布斯自由能，导致 SFE 增加，从而导致多种顺序激活的变形机制。更重要的是， TRIP 、 TWIP 和多相效应使热处理后的 Fe-18Mn 合金具有较高的加工硬化率和较高的抗拉强度和塑性。通过多种变形机制，证明了 SLM 制备的多相 Fe-Mn 合金具有优异的加工硬化能力，保证了其在使用过程中的力学稳定性。研究成果可促进稳定植入的铁基可生物降解合金在骨科中的应用。

主要实验成果

图 1b 中的加工硬化速率（ WHR ） - 真应变曲线显示了建造和热处理样品的加工硬化能力。 HT850 和 HT1050 样品的加工硬化能力非常有限。相比之下，建造和 HT650 样品在宽的应变范围内表现出明显的加工硬化。 HT650 样品卓越的加工硬化能力保证了植入时的承载稳定性。经热处理的 SLM 成形 Fe-18Mn 合金适用于生物可降解的骨科植入物。作者揭示了变形过程中的微观组织变化，量化了其相变组织对力学强化的影响。在初始变形阶段（屈服后不久），高加工硬化率是由固有的 SFs 、退火孪晶和多相复合效应引起的。在应变为 1% 左右马氏体转变开始时，加工硬化是由转变的 ε 相和 α′- 马氏体相的硬化共同引起的。随着变形的继续，加工硬化速率的提高主要是由于相变硬相的不断形成、 DTs 的形成以及 DT 与 SFs 的相互作用。在变形的最后阶段，加工硬化速率保持较宽的应变窗口，这是由于： 1 ）高密度的 SFs 和 DTs 的形成； 2 ）纳米 DTs 的细化； 3 ）持续的 TRIP 效应（ γ→ε→α′ ）； 4 ）软、硬相之间的协同变形； 5 ）相干界面处高密度错配位错的积累。最终， HT650 试样通过多种顺序变形机制实现了 ~1GPa 的高 UTS 。

图 1 (a)(c) 建造和热处理样品的工程应力应变曲线； (b) 建造样品、 HT650 、 HT850 、 HT1050 试样的加工硬化曲线； (d) HT650 试样与同类合金、 Mg 基合金和 Zn 基合金的力学性能比较

图 2 HT650 试样在拉伸变形过程中的变形机理示意图

图 3 HT650 三个相不同应变阶段的优化的 Williamson-Hall 线性关系

图 4 (a) HT650 试样不同相微应力与真应变的关系； (b) 不同晶格平面微应变与真应变的关系

主要结论及创新点

利用预合金粉末成功制备了无裂纹 Fe-18Mn 合金。对建造样品进行了各种简单退火处理，包括消除应力退火和固溶退火，以进一步提高拉伸性能。最终获得了具有优异加工硬化性能的 Fe-Mn 合金。主要结论如下：

（ 1 ）随着退火温度的升高， YS 从 223 MPa 增加到 305 MPa, UTS 从 911 MPa 增加到 998 MPa 。而在 650℃ 以上的退火温度， HT850 和 HT1050 中板条马氏体的形成和粗化导致合金的 UTS 从 998 MPa 急剧下降到 599 MPa ，延伸率从 16.1% 急剧下降到 7.2% 。

（ 2 ） HT650 的晶粒尺寸相比建造样品没有发生很大变化，但软 α 相分布更加均匀， YS 从 176 MPa 增加到 305 MPa 。

（ 3 ）适度的 SFE （ ~23.9 mJ/m ² ）使 HT650 试样呈现出多种顺序激活的变形机制（即 SFs 、纳米 DTs 和马氏体相变）。 HT650 样品的拉伸强度高达 ~1GPa ，伸长率高达 16.1% 。

因此，研究结果表明， SLM 和适当的热处理相结合可以引入各种非平衡缺陷，晶粒细化可以略微提高低 Mn 含量 Fe-Mn 合金的 SFE 。多相复合效应和多种变形机制诱导了优异的加工硬化能力，这为开发稳定植入的可生物降解铁基合金提供了有利条件。

相关研究成果以 “ Achieving exceptional work-hardening capability of additively-manufactured multiphase Fe-Mn alloys via multiple deformation mechanisms ” 为题发表在 International Journal of Plasticity 上（ Volume 173 ， February 2024 ， Article number 103871 ），论文第一作者来自 中南大学粉末冶金国家重点实验室 的博士生 刘佩峰 ，通讯作者为 吴宏教授 。