湖南工學院首篇頂刊《IJP》！多相結構賦予增材制造的Fe-Mn-Cu合金強度-延展性-硬化協同作用

【研究背景】

隨著人口老齡化加劇和骨創傷發病率上升，臨床對骨缺損修復材料的需求日益增長。傳統的鈦合金、不銹鋼、鈷鉻合金等承重金屬材料雖然力學性能優異，但需要在愈合后進行二次手術取出，增加了醫療成本和患者負擔。而鎂、鋅等可生物降解金屬材料，雖然具有良好的生物相容性，但其降解速度過快（>0.5 mm/年），在骨愈合周期內容易喪失力學穩定性，難以滿足臨床要求。

鐵（Fe）作為人體必需元素，具有良好的生物相容性，且在力學性能和成本方面具有優勢。然而，純鐵在體內降解過慢，且其體心立方（BCC）結構的α-鐵素體相具有磁性，會干擾磁共振成像（MRI）檢查。研究表明，向鐵中添加錳（Mn）可以穩定非磁性的面心立方（FCC）γ-奧氏體相，同時調控層錯能（SFE），從而影響變形機制和力學性能。特別是通過激光粉末床熔融（LPBF）增材制造技術，可以實現Fe-Mn合金的快速冷卻（10?–10? K/s），形成細晶結構和高密度位錯，顯著提升強度。

然而，LPBF制備的Fe-Mn合金仍存在兩大關鍵問題：一是快速冷卻導致大量ε-馬氏體相形成，雖然提高了硬化能力，但塑性較差（僅7%–11%）；二是Mn在LPBF過程中易蒸發，導致實際Mn含量低于設計值，形成磁性α-鐵素體相，影響MRI兼容性。因此，亟需引入第三組元來穩定γ相、優化變形機制并提升綜合力學性能。

銅（Cu）作為一種生物相容性元素，不僅具有抗菌功能，還能通過形成納米/微米級析出相調控Fe-Mn-Cu合金的降解速率。更重要的是，Cu可以顯著提高γ相的穩定性，即使在快速冷卻條件下也能保持較高的奧氏體含量，從而改善塑性。此外，Cu的加入可提高SFE，誘導變形機制從TRIP（相變誘導塑性）+TWIP（孿生誘導塑性）向位錯滑移主導轉變，形成胞狀位錯結構，有助于實現強度-塑性與加工硬化能力的協同提升。目前關于Cu對LPBF制備Fe-Mn合金變形行為影響的研究仍非常有限。

近日，湖南工學院劉佩峰博士聯合中南大學吳宏教授、香港理工大學焦增寶教授、RMIT Cuie Wen教授等團隊系統研究了不同Cu含量對Fe-18Mn合金微觀結構、元素偏析、SFE變化及力學性能的影響，結合多尺度實驗與模擬（DFT、FEM、MD），揭示了Cu合金化在增材制造Fe基可降解骨植入材料中的強化機制。成果于2026年4月17日正式發表在國際力學頂刊International Journal of Plasticity。

【成果簡介及創新點】

1.通過適量Cu合金化構建多相結構，激活TRIP/TWIP協同變形與界面強化

在Fe-18Mn合金中添加1 wt.% Cu，成功構建出由γ-奧氏體、ε-馬氏體、α-鐵素體和富Cu納米析出相組成的多相結構。該合金的SFE與Fe-18Mn相近，變形過程中同時觸發TRIP和TWIP效應，持續形成硬質馬氏體和變形孿晶。軟/硬相之間的應變梯度驅動位錯在相界面堆積，產生“應力/應變分配誘導強化”，顯著提升位錯增殖與加工硬化能力。1Cu合金的抗拉強度達837 MPa，延伸率16%，加工硬化率高達9000 MPa，優于3Cu合金及多數已報道的可生物降解Fe-Mn、Zn、Mg合金。

2.多尺度模擬揭示Cu調控SFE、元素偏析及位錯演化的微觀機制

結合DFT、FEM和MD模擬及EBSD、TEM、XRD等表征，系統闡明了Cu含量對SFE、元素偏析和位錯行為的影響。DFT表明，Cu提高SFE使位錯從分解滑移轉向完美位錯滑移，形成更廣泛的位錯胞網絡。FEM熱模擬顯示，Cu增加導致熱積累升高、冷卻速率降低，促進γ相恢復和位錯胞發展。HAADF-STEM證實Mn/Cu在胞壁富集，Cu偏析增加界面能，驅動位錯胞形成。定量應力-應變分析表明，1Cu合金中馬氏體相承受高微觀應力，激活TRIP/TWIP；而3Cu合金中ε相被消耗，硬化能力下降。該研究首次系統揭示了Cu在LPBF制備Fe-Mn合金中調控多相結構與變形機制的作用，為設計高性能可生物降解Fe基骨植入材料提供了理論依據。

【圖文導讀】

基于有限元的熔池溫度演化和冷卻速率熱模擬。（a, b） 1Cu和3Cu合金垂直于激光掃描方向的截面圖；(c)面板（a, b）中1Cu和3Cu合金PI的熱歷史，插圖(d)是熔池最高溫度的放大圖；(e) 1Cu和3Cu合金PI的冷卻速率變化

1Cu 合金的透射電子顯微鏡（TEM）分析：（a，b）胞狀亞結構、位錯和 SF 的明場和暗場形貌；（c）高倍率 TEM 及其對應的選區電子衍射（SAED）圖像；（d）高角度環形暗場（HAADF）圖像和能譜（EDS）結果

3Cu 合金的透射電子顯微鏡（TEM）分析：（a、b）胞狀亞結構、位錯和 SF 的明場形貌以及對應的選區電子衍射（SAED）圖像；（c、d）位錯胞和析出相的高角度環形暗場（HAADF）圖像以及對應的能譜（EDS）結果

（a）1Cu 和 3Cu 合金的堆垛層錯板模型的密度泛函理論計算以及（b）1Cu 和 3Cu 合金的廣義層錯能與位移關系圖

（a-b）快速冷卻多晶結構模型以及（c-d）在晶界處元素的聚集情況進行了分子動力學模擬，其中（a、c）為 1Cu 合金，（b、d）為 3Cu 合金

對1Cu 合金中均勻變形區域的TEM分析：（a-c）相變后的α′-馬氏體相（體心立方結構）的明場形態、高分辨率透射電子顯微鏡圖像以及相應的逆傅里葉變換圖像；（d、e）γ→ε→α′的明場形態以及相應的掃描電子衍射圖像；（f）變形孿晶（DTs）的明場形態以及相應的掃描電子衍射圖像。

（a-h）在分子動力學模擬下的拉伸變形過程中位錯線的變化情況：（a-d）1Cu 合金和（e-h）3Cu 合金；（i）隨著拉伸應變的增加，不同位錯長度的模擬變化結果；（j）不同合金的總位錯長度的模擬變化結果

【總結】

本研究通過向Fe-18Mn合金中添加1 wt.% Cu，利用LPBF增材制造技術構建出多相結構，成功激活了TRIP/TWIP協同變形與界面應力/應變分配強化機制，實現了強度（837 MPa）、塑性（16%）與加工硬化（~9000 MPa）的優異協同。多尺度模擬與實驗揭示了Cu調控SFE、元素偏析及位錯演化的微觀機制，為開發高性能可生物降解Fe基骨植入材料提供了新思路。

【第一作者簡介】

劉佩峰，湖南工學院專任教師，2024屆中南大學材料學博士，衡陽市C類高層次人才，主要研究方向為高強韌醫用可降解金屬支架設計及優化。以第一作者發表在International journal of plasticity（2）、Acta biomaterialia（1）、MSEA（1）等國際材料頂刊論文7篇，發明專利4項。作為主要參與人參與國家自然科學基金、國際間合作、省重點研發等國家級、省級項目4項，主持省級研究生創新項目1項，衡陽市科技創新計劃項目1項，校級創新啟動項目1項。歡迎各位老師交流討論。

【文獻信息】

Multiphase structure enables strength-ductility-hardening synergy in additively-manufactured Fe-Mn-Cu Alloys. https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2026.104701

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

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