Fe₃Si合金具有独特的电阻温度系数、出色的抗腐蚀性能及优异的软磁性能,是一种极具开发潜力的金属功能材料。机械合金化技术有望成为制备高性能Fe₃Si合金的有效途径。本文主要对Fe₇₅Si₂₅混合粉末机械合金化过程及其产物的稳定性进行了研究。 通过利用XRD、TEM、SEM、EPMA等多种测试手段,详细研究Fe₇₅Si₂₅混合粉末在高能球磨条件下不同球磨时间产物的结构、组织、形貌及元素分布变化。研究表明:高能球磨可以扩展Si在Fe中的固溶度,当Si的含量为25at.%时,合金化的产物为具有bcc结构的纳米晶α-Fe（Si）固溶体;在合金化过程中没有非晶相的生成;在Fe₇₅Si₂₅的高能球磨过程中,形成具有典型层状结构的复合粉末及具有Fe核的包覆型粉末;包覆型粉末由于其中心部分所需扩散的距离较大,其合金化进程较层状复合粉末落后;Fe₇₅Si₂₅混合粉末的机械合金化在球磨30h时基本完成。根据实验结果,我们建立了以Fe₇₅Si₂₅为代表的延性/脆性体系机械合金化过程的模型。 对合金化后的粉末进行热处理,在400℃时即发生α-Fe（Si）→Fe₃Si的转变;球磨30h粉末经500℃热处理后得到具有纳米级晶粒的Fe₃Si粉末。将Fe₃Si合金粉末进行机械碾磨,球磨80h后得到的产物为α-Fe（Si）固溶体。说明在常温下稳定的Fe₃Si合金经过高能球磨后,可转变为亚稳的α-Fe（Si）固溶体。 基于Miedema半经验理论对Fe-Si体系进行热力学计算,结果表明:对于Fe₇₅Si₂₅这一配比热力学上Fe₃Si最为稳定。机械合金化过程中产生的晶格畸变能、晶界能及无序能是使Fe₇₅Si₂₅形成亚稳态α-Fe（Si）固溶体的根本原因。当晶粒尺寸减小到约15nm左右时,由晶界能所提供的自由能增加已足以驱使Fe₃Si发生转变。机械合金化通过降低扩散活化能而实现Si在Fe中的扩散;该扩散系数是单纯热激活扩散系数的10¹⁵倍。同时,当晶粒尺寸为纳米级时,Si在Fe中的扩散系数可以提高好几个数量级。机械合金化过程中的晶界、表面扩散模式及动态扩散过程也为Si在Fe中的低温扩散提供了必要条件。 机械合金化制备的α-Fe（Si）固溶体具有优异的软磁性能。球磨时间和热处理对合金粉末的磁性能有重要的影响。