Høj flydespænding og trækplasticitet er afgørende for de tekniske anvendelser af metalliske materialer. I øjeblikket er det kun nogle få ultra-høj-stål, der opnår en bulk flydespænding (σy) på 2 GPa. Imidlertid mangler de tilstrækkelig arbejdshærdningskapacitet under plastisk deformation, hvilket resulterer i, at den ensartede deformation rapporteret i standard enaksede træktest er sammensat af takket plastisk strømning forårsaget af lokaliserede deformationsbånd, snarere end ægte ensartet forlængelse (ɛu). Disse ultra-høj-stål, såsom maraldrende stål, har typisk meget lav ensartet forlængelse (f.eks. ɛu ~ 5%). Selvom den klassiske forstærkningsmekanisme i anden-fase effektivt kan forbedre materialers flydespænding, er forstærkningsniveauet begrænset af den lave volumenfraktion af anden fase i legeringen (ofte < 50 vol.%), hvilket fører til et kraftigt fald i trækplasticitet. Derfor er design af legeringer med både en flydespænding σy ~ 2 GPa og en ensartet forlængelse ɛu væsentligt højere end 10% en stor udfordring inden for materialevidenskab.
Som svar på ovenstående udfordringer foreslog professor Zhang Jinyu, professor Ma En og akademiker Sun Jun fra National Key Laboratory of Metal Material Strength ved Xi'an Jiaotong University brugen af ultra-højvolumenfraktioner af intermetalliske sammensatte præcipitater, nemlig kohærent L12 nanofase og ikke-kohærent kohærent sammensat alle hårde B2- og jern-mikromoduler i plastik- og lavstyrkefase, FCC-mikromodul. matrix baseret på deres tidligere præstationer (Acta Mater, 2022, 233: 117981; Scripta Mater, 2023, 222: 115058). For at opnå ultra-høj styrke og stor ensartet trækstyrkeduktilitet ved stuetemperatur er designkonceptet for denne legering: i) at øge dens styrke med en høj volumenfraktion af kohærent L12 nanofase med høj inversionsdomænegrænseenergi, og ii) at introducere en højvolumenfraktion af lavmodul ikke-kohærent B2 mikrofase; På den ene side er ikke-kohærente grænseflader mere effektive til at hindre dislokationsbevægelse og forbedre flydestyrken end kohærente grænseflader. På den anden side reducerer indførelsen af flere legeringselementer antifase-domænegrænsen for B2 for at øge dets plasticitet, hvilket tillader disse partikler at fungere som dislokationslagringsenheder og forbedre arbejdshærdningsevnen.
Designkonceptet med legeringer med flere hovedelementer resulterer i et enormt sammensætningsudvælgelsesrum for komplekse legeringer, hvilket giver hidtil usete vanskeligheder ved at designe højtydende legeringer baseret på traditionelle "trial and error"-metoder. Til dette formål udførte teammedlemmerne komponentscreening ved hjælp af domænevidenassisterede maskinlæringsmetoder. Den mest signifikante element Ta (i stedet for element Ti) synergistiske legering blev opnået gennem det høje faststofopløselige lette element Al og L12 modsatte fasedomænegrænser, hvilket resulterede i L12+B2 dobbeltudfældningsfasen forstærket Fe35Ni29Co21Al12Ta3 (at.%) kompleks legering 1 (figur). Volumenfraktionerne af L12 nanofase (rig på Al, Ta) og B2 mikrofase (rig på Al, fattig på Ta) var så høje som henholdsvis ~67 vol.% og ~15 vol.%. Både den sammenhængende L12/FCC-grænseflade og den ikke-kohærente B2/FCC-grænseflade var i stand til at interagere stærkt med dislokationer (figur 2). Det kan ikke kun generere dislokationer, men det kan også lagre dislokationer, især lavmodul B2 mikron fase kan sammenlignes med (FCC+L12) Den højere tæthed af dislokationer lagret i matrixen (Figur 3) forbedrer legeringens hærdningsevne betydeligt og forbedrer derved dens udbytte/trækstyrke og trækstyrke for at opnå upræget styrke og trækstyrke. plasticitetskombination ved stuetemperatur, betydeligt bedre end alle rapporterede legeringer til dato (figur 4). Den legeringsdesignstrategi, som teamet har foreslået, giver også nye ideer til design af andre højtydende legeringer.
Figur 1. (a) En domænevidensbaseret maskinlæringsmodel (bestående af seks aktive læringscyklusser) forudsiger den komplekse FeNiCoAlTa-legering med super plasticitet. (b) Den teoretiske forudsagte flydestyrke er i overensstemmelse med den eksperimentelt målte flydestyrke, hvilket bekræfter pålideligheden af maskinlæringsmodellen. (c) Forholdet mellem eksperimentelt målt flydespænding og antallet af modeliterationer afslører den optimale sammensætning af Fe35Ni29Co21Al12Ta3 kompleks legering.
Figur 2. (a-d) Rumtemperaturdeformation og grænsefladekarakteristika af Fe35Ni29Co21Al12Ta3 kompleks legering med tre-fasestruktur, dvs. dislokationer kan skære gennem L12 nanofase og lagre i lavmodul B2 mikrofase. Dislokationer findes ved både L12/FCC kohærente og B2/FCC ikke-kohærente grænseflader; (e) Atomsondeanalyse af den kemiske sammensætning og fordelingskarakteristika af komplekse legeringer, såvel som grundstofsammensætningen af multi-principal L12 nanofase og B2 mikrofase.
Figur 3. Udvikling af dislokationstæthed for hver bestanddel fase i Fe35Ni29Co21Al12Ta3 kompleks legering med tøjning (a1-d1) ε=0, (a2-d2) ε=8%, og (a3-d3) ε{{14} ε{{14}, der lagrer B2% højere tæthed af dislokationer end (FCC+L12) matrixen.
Figur 4. (a-b) Teknisk spænding-deformation og sand spænding-deformationskurver af komplekse legeringer med forskellige sammensætninger, (c) Sammenligning af arbejdshærdningsydeevnen af Fe35Ni29Co21Al12Ta3 kompleks legering med andre 2GPa-kvalitet ultra-højstyrke metalmaterialer, højstyrke-stål, martensi-stål, høj-ensitisk stål, højstyrkestål, martensi-stål, høj-ensitisk stål (D) (d, e) Sammenligning af flydespænding ensartet trækforlængelse-tilpasning og flydespænding stærk plastprodukt-matchning af Fe35Ni29Co21Al12Ta3 kompleks legering med andre metalmaterialer. Kombinationen af mekaniske egenskaber ved stuetemperatur er væsentligt bedre end andre rapporterede metalmaterialer.
Forskningsresultaterne blev offentliggjort online i Nature under titlen "Machine learning design of ductile FeNiCoAlTa alloys with high strength". Yasir Sohail og Zhang Chongle, ph.d.-studerende fra School of Materials Science and Engineering ved Xi'an Jiaotong University, er henholdsvis første og anden forfatter af papiret. Professorerne Zhang Jinyu, Marx og akademiker Sun Jun er medforfattere af papiret. Professorerne Liu Gang, Xue Dezhen, lektor Yang Yang og ph.d.-studerende Zhang Dongdong, Gao Shaohua, Fan Xiaoxuan og Zhang Hang deltog også i arbejdet. National Key Laboratory of Metal Material Strength ved Xi'an Jiaotong University er den eneste kommunikations- og færdiggørelsesenhed for dette arbejde. Dette job er første gang, at udenlandske studerende fra School of Materials Science ved Xi'an Jiaotong University har udgivet en Nature-artikel som den første forfatter. Dette arbejde har modtaget støtte fra National Natural Science Foundation of China, 111 Talent Introduction Base, Shaanxi Provincial Science and Technology Innovation Team Project og Central University Basic Research Business Fund. Karakteriserings- og testarbejdet har modtaget stærk støtte fra Analysis and Testing Shared Center ved Xi'an Jiaotong University, Experimental Technology Center på School of Materials Science og Shanghai Light Source.