【研究背景】
随着人口老龄化加剧和骨创伤发病率上升，临床对骨缺损修复材料的需求日益增长。传统的钛合金、不锈钢、钴铬合金等承重金属材料虽然力学性能优异，但需要在愈合后进行二次手术取出，增加了医疗成本和患者负担。而镁、锌等可生物降解金属材料，虽然具有良好的生物相容性，但其降解速度过快（>0.5 mm/年），在骨愈合周期内容易丧失力学稳定性，难以满足临床要求。
铁（Fe）作为人体必需元素，具有良好的生物相容性，且在力学性能和成本方面具有优势。然而，纯铁在体内降解过慢，且其体心立方（BCC）结构的α-铁素体相具有磁性，会干扰磁共振成像（MRI）检查。研究表明，向铁中添加锰（Mn）可以稳定非磁性的面心立方（FCC）γ-奥氏体相，同时调控层错能（SFE），从而影响变形机制和力学性能。特别是通过激光粉末床熔融（LPBF）增材制造技术，可以实现Fe-Mn合金的快速冷却（10⁶–10⁸ K/s），形成细晶结构和高密度位错，显著提升强度。
然而，LPBF制备的Fe-Mn合金仍存在两大关键问题：一是快速冷却导致大量ε-马氏体相形成，虽然提高了硬化能力，但塑性较差（仅7%–11%）；二是Mn在LPBF过程中易蒸发，导致实际Mn含量低于设计值，形成磁性α-铁素体相，影响MRI兼容性。因此，亟需引入第三组元来稳定γ相、优化变形机制并提升综合力学性能。
铜（Cu）作为一种生物相容性元素，不仅具有抗菌功能，还能通过形成纳米/微米级析出相调控Fe-Mn-Cu合金的降解速率。更重要的是，Cu可以显著提高γ相的稳定性，即使在快速冷却条件下也能保持较高的奥氏体含量，从而改善塑性。此外，Cu的加入可提高SFE，诱导变形机制从TRIP（相变诱导塑性）+TWIP（孪生诱导塑性）向位错滑移主导转变，形成胞状位错结构，有助于实现强度-塑性与加工硬化能力的协同提升。目前关于Cu对LPBF制备Fe-Mn合金变形行为影响的研究仍非常有限。
近日，湖南工学院刘佩峰博士联合中南大学吴宏教授、香港理工大学焦增宝教授、RMIT Cuie Wen教授等团队系统研究了不同Cu含量对Fe-18Mn合金微观结构、元素偏析、SFE变化及力学性能的影响，结合多尺度实验与模拟（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强化机制。成果于2026年4月17日正式发表在国际力学顶刊International Journal of Plasticity。
【成果简介及创新点】
1.通过适量Cu合金化构建多相结构，激活TRIP/TWIP协同变形与界面强化
在Fe-18Mn合金中添加1 wt.% Cu，成功构建出由γ-奥氏体、ε-马氏体、α-铁素体和富Cu纳米析出相组成的多相结构。该合金的SFE与Fe-18Mn相近，变形过程中同时触发TRIP和TWIP效应，持续形成硬质马氏体和变形孪晶。软/硬相之间的应变梯度驱动位错在相界面堆积，产生“应力/应变分配诱导强化”，显著提升位错增殖与加工硬化能力。1Cu合金的抗拉强度达837 MPa，延伸率16%，加工硬化率高达9000 MPa，优于3Cu合金及多数已报道的可生物降解Fe-Mn、Zn、Mg合金。
2.多尺度模拟揭示Cu调控SFE、元素偏析及位错演化的微观机制
结合DFT、FEM和MD模拟及EBSD、TEM、XRD等表征，系统阐明了Cu含量对SFE、元素偏析和位错行为的影响。DFT表明，Cu提高SFE使位错从分解滑移转向完美位错滑移，形成更广泛的位错胞网络。FEM热模拟显示，Cu增加导致热积累升高、冷却速率降低，促进γ相恢复和位错胞发展。HAADF-STEM证实Mn/Cu在胞壁富集，Cu偏析增加界面能，驱动位错胞形成。定量应力-应变分析表明，1Cu合金中马氏体相承受高微观应力，激活TRIP/TWIP；而3Cu合金中ε相被消耗，硬化能力下降。该研究首次系统揭示了Cu在LPBF制备Fe-Mn合金中调控多相结构与变形机制的作用，为设计高性能可生物降解Fe基骨植入材料提供了理论依据。
【图文导读】
基于有限元的熔池温度演化和冷却速率热模拟。（a, b） 1Cu和3Cu合金垂直于激光扫描方向的截面图；(c)面板（a, b）中1Cu和3Cu合金PI的热历史，插图(d)是熔池最高温度的放大图；(e) 1Cu和3Cu合金PI的冷却速率变化
1Cu 合金的透射电子显微镜（TEM）分析：（a，b）胞状亚结构、位错和 SF 的明场和暗场形貌；（c）高倍率 TEM 及其对应的选区电子衍射（SAED）图像；（d）高角度环形暗场（HAADF）图像和能谱（EDS）结果
3Cu 合金的透射电子显微镜（TEM）分析：（a、b）胞状亚结构、位错和 SF 的明场形貌以及对应的选区电子衍射（SAED）图像；（c、d）位错胞和析出相的高角度环形暗场（HAADF）图像以及对应的能谱（EDS）结果
（a）1Cu 和 3Cu 合金的堆垛层错板模型的密度泛函理论计算以及（b）1Cu 和 3Cu 合金的广义层错能与位移关系图
（a-b）快速冷却多晶结构模型以及（c-d）在晶界处元素的聚集情况进行了分子动力学模拟，其中（a、c）为 1Cu 合金，（b、d）为 3Cu 合金
对1Cu 合金中均匀变形区域的TEM分析：（a-c）相变后的α′-马氏体相（体心立方结构）的明场形态、高分辨率透射电子显微镜图像以及相应的逆傅里叶变换图像；（d、e）γ→ε→α′的明场形态以及相应的扫描电子衍射图像；（f）变形孪晶（DTs）的明场形态以及相应的扫描电子衍射图像。
（a-h）在分子动力学模拟下的拉伸变形过程中位错线的变化情况：（a-d）1Cu 合金和（e-h）3Cu 合金；（i）随着拉伸应变的增加，不同位错长度的模拟变化结果；（j）不同合金的总位错长度的模拟变化结果
【总结】
本研究通过向Fe-18Mn合金中添加1 wt.% Cu，利用LPBF增材制造技术构建出多相结构，成功激活了TRIP/TWIP协同变形与界面应力/应变分配强化机制，实现了强度（837 MPa）、塑性（16%）与加工硬化（~9000 MPa）的优异协同。多尺度模拟与实验揭示了Cu调控SFE、元素偏析及位错演化的微观机制，为开发高性能可生物降解Fe基骨植入材料提供了新思路。
【第一作者简介】
刘佩峰，湖南工学院专任教师，2024届中南大学材料学博士，衡阳市C类高层次人才，主要研究方向为高强韧医用可降解金属支架设计及优化。以第一作者发表在International journal of plasticity（2）、Acta biomaterialia（1）、MSEA（1）等国际材料顶刊论文7篇，发明专利4项。作为主要参与人参与国家自然科学基金、国际间合作、省重点研发等国家级、省级项目4项，主持省级研究生创新项目1项，衡阳市科技创新计划项目1项，校级创新启动项目1项。欢迎各位老师交流讨论。
【文献信息】
Multiphase structure enables strength-ductility-hardening synergy in additively-manufactured Fe-Mn-Cu Alloys. https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2026.104701
本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文作者团队支持。
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