韩国研究团队在《Materials & Design》发表突破性研究：Fe-Cu合金中首次观测到50纳米以上BCC结构铜析出相及其双功能力学性能

一、研究团队与发表信息
本研究由韩国工业技术研究院（Korea Institute of Industrial Technology）的Jeong Rae Kim、Hyun-Su Kang等领衔，联合汉阳大学（Hanyang University）、MTA株式会社及成均馆大学（Sungkyunkwan University）共同完成，发表于2025年4月的《Materials & Design》期刊（Volume 254, 113963）。论文标题为《Transforming Fe-Cu alloys with unprecedented BCC Cu precipitates toward dual mechanical functionalities》。

二、学术背景与研究目标
Fe-Cu合金因兼具铁的高强度与铜的优异导热/导电性，被广泛应用于模具和电极材料。然而，Fe与Cu的热力学不混溶性导致传统铸造工艺中易形成粗大Cu析出相，使力学和热学性能显著低于理论预测值。过去研究认为，Fe-Cu合金中的Cu析出相通常为面心立方（FCC）结构，而体心立方（BCC）结构的Cu纳米颗粒（ nm）仅存在于理论模拟中。

本研究旨在通过粉末冶金-热等静压（PM-HIP, Powder Metallurgy-Hot Isostatic Pressing）技术，在高压（200 MPa）和不同烧结温度（973 K、1173 K、1273 K）下制备无内部缺陷的Fe-10Cu合金，探究其微观结构演变与物理性能的关系，重点验证低于Fe相变温度（1123 K）时Cu析出行为的特殊性。

三、研究方法与实验流程
1. 材料制备
- 粉末处理：采用气雾化法制备平均粒径30 μm的球形Fe-10Cu合金粉末（MTA Inc. Korea），XRD显示为单一α-Fe相（完全过饱和Cu）。
- PM-HIP工艺：将粉末填充至不锈钢模具（Φ50 mm×160 mm，成型密度70%），在200 MPa压力下以10°C/min升温至目标温度（973 K、1173 K、1273 K），保温2小时后炉冷。

1. 表征与测试

   • 微观结构分析：
     
     • SEM/EBSD：观察析出相形貌与晶粒尺寸，973 K试样中Cu析出相呈不规则状（<100 nm），而高温（≥1173 K）试样中析出相粗化为球形（~200 nm）。
       
     • TEM/HRTEM：通过透射电镜（JEOL JEM-2100F）和聚焦离子束（FIB）制备样品，首次发现973 K试样中存在>50 nm的BCC-Cu析出相，且与α-Fe基体完全共格（图5-6）。
       
   • 力学性能测试：
     
     • 拉伸试验（Instron UTM-5982）：973 K试样的抗拉强度达698 MPa（较铸态样品提升96%），但表现为脆性断裂（几乎无延伸率）；高温试样（1173 K/1273 K）强度降至443-428 MPa，延伸率恢复至21-25%。
       
   • 热导率测试（Netzsch LFA457）：973 K试样的热导率为106.8 W/m·K，较铸态样品（74.6 W/m·K）提升43%，归因于BCC-Cu与基体的完全共格界面减少电子/声子散射。
     

2. 理论计算

   • Gibbs自由能分析：通过热力学模型证实BCC-Cu在低温（973 K）和高Cu含量下更稳定。
     
   • Birch-Murnaghan状态方程：计算高压下α-Fe晶格收缩（2.866 Å→2.860 Å），使BCC-Cu与基体的晶格失配近乎消失，抑制了向FCC结构的相变。
     

四、主要研究结果
1. BCC-Cu析出相的发现：
- 首次实验观测到>50 nm的BCC-Cu析出相（传统理论认为临界尺寸为6 nm），其与α-Fe基体的共格关系通过FFT和EDS映射（图5-6）证实。
- 高压（200 MPa）下α-Fe晶格收缩使BCC-Cu可稳定存在，冷却后基体恢复原晶格常数，在析出相界面形成强应变场（阻碍位错运动，提升强度）。

1. 力学性能的双功能性：

   • 973 K试样：高强度（698 MPa）与脆性断裂源于BCC-Cu共格界面的强应变场；
     
   • 高温试样：FCC-Cu析出导致强度降低但延展性恢复，表现为典型的位错-析出相相互作用。
     

2. 热导率提升机制：BCC-Cu与基体的完全共格界面显著降低热阻，使973 K试样的热导率优于高温试样（99.7-102.2 W/m·K）。

五、研究结论与价值
1. 科学价值：
- 挑战了传统认知，证实BCC-Cu可通过高压-低温协同作用突破尺寸限制；
- 为Fe-Cu合金的“强度-导热”协同优化提供了新思路，即通过调控析出相晶体结构实现性能定制。

1. 应用前景：
   
   • PM-HIP工艺可低成本制备高性能Fe-Cu合金，适用于需要高强度和热管理的工业场景（如模具、电子封装）；
     
   • 研究结果为多相合金设计提供了高压-温度协同调控的新范式。
     

六、研究亮点
1. 突破性发现：首次实验验证大尺寸BCC-Cu析出相的存在及其完全共格关系。
2. 方法创新：结合PM-HIP工艺与高压热力学计算，揭示了BCC-Cu稳定的关键机制。
3. 性能突破：通过单一工艺实现Fe-Cu合金的“高强度-高导热”双功能特性。

七、其他贡献
研究团队公开了数据获取途径（Data availability on request），并声明无利益冲突（Credit authorship contribution statement）。实验得到韩国工业技术研究院“多产品柔性生产根技术开发”项目（KITECH EO-25-0008）支持。