近日，我校机械工程学院文玉华教授领衔的“金属智能材料及其结构设计和制造技术”特色团队骨干成员彭华备副教授等在相变诱导晶粒异常生长方面连续取得重要进展，相关研究成果以“Effect of cyclic heat treatment on abnormal grain growth in Fe-Mn-Al-based shape memory alloys with different Ni contents”和“Abnormal grain growth induced by δ → γ phase transformation in Fe-based shape memory alloys”为题发表在《Journal of Materials Science ＆ Technology》期刊上。

Fe-Mn-Al-Ni基形状记忆合金在超宽温域内展现出超弹性且超弹性临界应力对温度变化不敏感。这种特性赋予了Fe-Mn-Al-Ni基合金在航空航天等领域广阔的应用前景。然而，多晶Fe-Mn-Al-Ni基合金的超弹性往往比单晶差。为了获得优良的超弹性，Fe-Mn-Al-Ni基合金往往被制作成单晶。值得指出的是，传统制备金属单晶的方法（例如Czochralski或Bridgman法）存在效率较低，成本较高，还需专用设备等缺点。因此，如何降低成本，突破设备限制以及高效率大批量制备单晶成为目前亟待解决的问题。近年来，利用BCC⇌FCC相变诱导晶粒异常生长，通过循环热处理成功制备出金属单晶。与传统技术相比，循环热处理仅需热处理炉即可完成单晶制备，降低了单晶制备难度和成本，非常适合工业化大规模生产。因此，循环热处理成为制备单晶Fe-Mn-Al-Ni基合金的首选。然而，目前针对循环热处理工艺影响单晶Fe-Mn-Al-Ni基合金制备的研究工作较少，亟待明确循环热处理关键工艺参数。为此，彭华备副教授等系统研究了循环热处理工艺对Fe-Mn-Al-Ni基合金晶粒异常生长的影响，明确了循环热处理关键工艺参数，优化了循环热处理工艺，提出了工艺制定准则。上述工作对推动Fe-Mn-Al-Ni基合金的工程化应用奠定了单晶制备的技术基础。

图1.“Effect of cyclic heat treatment on abnormal grain growth in Fe-Mn-Al-based shape memory alloys with different Ni contents”论文的图片摘要

Fe-Mn-Si基形状记忆合金具有成本低廉、加工容易和力学性能好等优点，因此自发现以来便吸引了国内外学者的关注。然而，不经特殊处理的变形加工（热轧、冷轧或冷拉）的多晶Fe-Mn-Si基合金的形状记忆效应差，可恢复应变仅2％左右，达不到工程应用的要求。训练（室温变形加650℃附近退火的反复过程），700℃奥氏体高温形变热处理、热机械处理和析出第二相，均能将其可恢复应变提高至4~5%。但这些处理都存在变形过程，不仅增加了制备成本，而且对形状复杂的构件难以实施。所以，为推动Fe-Mn-Si基合金的广泛应用，制备免训练（无变形过程）的Fe-Mn-Si基合金成为亟待解决的问题。虽然通过铸造后退火处理的方法可获得可恢复应变达到7.6%的免训练铸造Fe-Mn-Si基合金，但是铸造合金存在力学性能不佳和恢复应力低的问题。因此，如何在免训练的条件下，在力学性能优良的变形加工合金中获得高可恢复应变仍是目前Fe-Mn-Si基合金亟待解决的问题。值得指出的是，粗大奥氏体晶粒是获得大于6%可恢复应变的必备条件。然而，由于Fe-Mn-Si基合金的层错能低，经过变形加工处理后易形成大量退火孪晶。而退火孪晶的形成将细化奥氏体晶粒，所以升高热处理温度和延长处理时间均无法获得粗大奥氏体晶粒的变形加工Fe-Mn-Si基合金。这也是变形加工Fe-Mn-Si基合金的可恢复应变均低于6%的主要原因。据此，获得粗大奥氏体晶粒是制备高可恢复应变的免训练变形加工Fe-Mn-Si基合金亟待解决的首要问题。

彭华备副教授等受前面“BCC⇌FCC相变诱导晶粒异常生长”的启发，系统研究了Fe-Mn-Si基合金发生δ(BCC)→γ(FCC)相变时冷却速度对微观组织的影响规律，发现了δ→γ相变前δ铁素体会发生异常长大，揭示了δ→γ相变时γ奥氏体发生异常生长的微观机制。最终，通过控制δ→γ相变前后的冷却速度，利用δ→γ相变前δ铁素体的异常长大以及δ→γ相变时奥氏体的异常生长，成功获得了毫米级γ奥氏体晶粒，首次获得了可恢复应变大于6%的变形加工Fe-Mn-Si基合金。上述工作为制备高可恢复应变的变形加工Fe-Mn-Si基合金提供了一种新方法。

图2. “Abnormal grain growth induced by δ → γ phase transformation in Fe-based shape memory alloys”论文的图片摘要

上述工作得到了国家自然科学基金和四川省应用基础重点项目等项目资助。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S100503022300155X；https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030223006448。