A nagy folyáshatár és a szakítószilárdság döntő fontosságú a fémes anyagok mérnöki alkalmazásaiban. Jelenleg csak néhány ultra-nagyszilárdságú-acél ér el 2 GPa ömlesztett folyáshatárt (σy). A képlékeny deformáció során azonban nincs elegendő megmunkálási szilárdságuk, ami azt eredményezi, hogy a szabványos egytengelyű szakítóvizsgálatokban jelentett egyenletes alakváltozás a lokalizált deformációs sávok által okozott fogazott képlékeny áramlásból áll, nem pedig a valódi egyenletes nyúlásból (ɛu). Ezek az ultra-nagyszilárdságú-acélok, mint például a martenzites acélok, jellemzően nagyon alacsony egyenletes nyúlással rendelkeznek (pl. ɛu ~ 5%). Bár a klasszikus második -fázisú erősítő mechanizmus hatékonyan javíthatja az anyagok folyáshatárát, az erősítés mértékét korlátozza az ötvözet második fázisának alacsony térfogata (gyakran <50 térfogat%), ami a szakítószilárdság meredek csökkenéséhez vezet. Ezért olyan ötvözetek tervezése, amelyek folyáshatára σy ~ 2 GPa és egyenletes, 10%-nál lényegesen nagyobb ɛu nyúlású, komoly kihívást jelent az anyagtudományban.
A fenti kihívásokra válaszul Zhang Jinyu professzor, Ma En professzor és Sun Jun akadémikus, a Xi'an Jiaotong Egyetem Fém Anyagszilárdság Nemzeti Kulcslaboratóriumának munkatársa ultra-nagy térfogatú fémközi vegyület csapadékok, nevezetesen a koherens L12 nanokomplex fázis és a nem koherens B2 és CC nem koherens B2 mikromodulus erősítésére javasolta. ötvözetmátrixot korábbi eredményeik alapján (Acta Mater, 2022, 233: 117981; Scripta Mater, 2023, 222: 115058). Annak érdekében, hogy szobahőmérsékleten ultranagy szilárdságot és nagy egyenletes szakítószilárdságot érjünk el, ennek az ötvözetnek a tervezési koncepciója a következő: i) szilárdságának növelése koherens L12 nanofázis nagy térfogatú részével, nagy inverziós tartományhatár energiájával, és ii) kis modulusú nem koherens B2 mikrofázis nagy térfogatú hányadának bevezetése; Egyrészt a nem koherens határfelületek hatékonyabban gátolják a diszlokációs mozgást és javítják a folyáshatárt, mint a koherens határfelületek. Másrészt a többszörös ötvözőelemek bevezetése csökkenti a B2 antifázisú doménhatárát, hogy növelje plaszticitását, lehetővé téve, hogy ezek a részecskék diszlokációtároló egységként működjenek, és javítsák a keményedési képességet.
A több főelemből álló ötvözetek tervezési koncepciója hatalmas összetételi kiválasztási teret eredményez az összetett ötvözetek számára, ami soha nem látott nehézségeket okoz a hagyományos „próba és hiba” módszereken alapuló, nagy teljesítményű{0}}ötvözetek tervezésénél. Ennek érdekében a csapattagok komponens-szűrést végeztek tartományismerettel segített gépi tanulási módszerekkel. A legjelentősebb Ta elem (a Ti elem helyett) szinergetikus ötvözet a nagy szilárd oldhatóságú könnyűelem Al és L12 ellentétes fázistartomány határain keresztül valósult meg, ami az L12+B2 kettős kicsapódási fázisban megerősített Fe35Ni29Co21Al12Ta3 (at.%) komplex ötvözetet eredményezett (1. ábra). Az L12 nanofázis (Al-ban, Ta-ban gazdag) és a B2-mikrofázis (Al-ban gazdag, Ta-ban szegény) térfogat-frakciója 67 térfogat%, illetve 15 térfogat% volt. Mind a koherens L12/FCC interfész, mind a nem koherens B2/FCC interfész erős kölcsönhatásba tudott lépni a diszlokációkkal (2. ábra). Nemcsak diszlokációkat tud generálni, hanem tárolni is tud, különösen az alacsony modulusú B2 mikronos fázishoz hasonlítható (FCC+L12) A mátrixban tárolt nagyobb diszlokációk sűrűsége (3. ábra) jelentősen javítja az ötvözet munkaedzési teljesítményét, ezáltal javul a folyási/szakítószilárdsága és a szakítószilárdság kombinációja a plasztikus rugalmasság elérése érdekében. hőmérséklet, lényegesen jobb, mint az összes eddig bejelentett ötvözet (4. ábra). A csapat által javasolt ötvözettervezési stratégia új ötleteket ad más nagy teljesítményű ötvözetek tervezéséhez is.
1. ábra (a) Egy tartományi tudásalapú gépi tanulási modell (hat aktív tanulási ciklusból áll) szuperplaszticitással jósolja meg a FeNiCoAlTa komplex ötvözetet. (b) Az elméleti előrejelzett folyáshatár összhangban van a kísérletileg mért folyáshatárral, ami megerősíti a gépi tanulási modell megbízhatóságát. (c) A kísérletileg mért folyáshatár és a modell iterációk száma közötti kapcsolat feltárja a Fe35Ni29Co21Al12Ta3 komplex ötvözet optimális összetételét.
2. ábra (a-d) Három-fázisú szerkezetű Fe35Ni29Co21Al12Ta3 komplex ötvözet szobahőmérsékletű deformációja és határfelületi jellemzői, azaz a diszlokációk átvághatják az L12 nanofázist és kis modulusú B2 mikrofázisban tárolódnak. Dislokációk léteznek mind az L12/FCC koherens, mind a B2/FCC nem koherens interfészeken; (e) A komplex ötvözetek kémiai összetételének és eloszlási jellemzőinek, valamint a több fő L12 nanofázis és B2 mikrofázis elemi összetételének atomszondás elemzése.
3. ábra: Az egyes alkotófázisok diszlokációs sűrűségének alakulása Fe35Ni29Co21Al12Ta3 komplex ötvözetben (a1-d1) ε=0, (a2-d2) ε=8% és (a3-d3) ε%, nagyobb modulusú modulusú fázisban tárolva az alacsony mikronitást,=20 az (FCC+L12) mátrixhoz képest.
4. ábra (a-b) Különböző összetételű összetett ötvözetek műszaki feszültség-nyúlása és valódi feszültség-nyúlási görbéi, (c) Fe35Ni29Co21Al12Ta3 komplex ötvözet munkaedzési teljesítményének összehasonlítása más 2GPa minőségű ultra{{10}D ultra-nagyszilárdságú, közepes szilárdságú acélokkal, fémekkel ötvözetek), valamint (d, e) Fe35Ni29Co21Al12Ta3 komplex ötvözet folyáshatár egyenletes szakítószilárdság illesztésének és folyáshatár erős műanyag termék illesztésének összehasonlítása más fém anyagokkal. A mechanikai tulajdonságok szobahőmérsékleten való kombinációja lényegesen jobb, mint más bejelentett fémanyagok.
A kutatási eredmények a Nature online folyóiratában jelentek meg „Machine learning design of ductile FeNiCoAlTa ötvözetek nagy szilárdsággal” címmel. Yasir Sohail és Zhang Chongle, a Xi'an Jiaotong Egyetem Anyagtudományi és Mérnöki Iskolájának doktoranduszai a cikk első, illetve második szerzői. Zhang Jinyu professzorok, Marx és Sun Jun akadémikus a dolgozat társszerzői. Liu Gang, Xue Dezhen professzor, Yang Yang docens, valamint Zhang Dongdong, Gao Shaohua, Fan Xiaoxuan és Zhang Hang doktoranduszok is részt vettek a munkában. A Xi'an Jiaotong Egyetem Fém Anyagszilárdság Nemzeti Kulcslaboratóriuma az egyetlen kommunikációs és befejező egység ehhez a munkához. Ez az első alkalom, hogy a Xi'an Jiaotong Egyetem Anyagtudományi Iskolájának külföldi hallgatói első szerzőként publikáltak egy Nature cikket. Ez a munka a Kínai Nemzeti Természettudományi Alapítványtól, a 111 Talent Introduction Base-tól, a Shaanxi tartományi tudományos és technológiai innovációs csapatprojekttől és a Central University Basic Research Business Fund-tól kapott támogatást. A jellemzési és tesztelési munkát a Xi'an Jiaotong Egyetem Elemzési és Tesztelési Központja, az Anyagtudományi Iskola Kísérleti Technológiai Központja és a Sanghaji Fényforrás erőteljes támogatásban részesítette.