Висока межа текучості та пластичність при розтягуванні мають вирішальне значення для інженерного застосування металевих матеріалів. Наразі лише кілька над{1}}високо{2}}сталей досягають межі текучості (σy) 2 ГПа. Однак їм не вистачає достатньої здатності до зміцнення під час пластичної деформації, в результаті чого рівномірна деформація, про яку повідомляють у стандартних випробуваннях на одноосьовий розтяг, складається з зубчастої пластичної течії, викликаної локалізованими смугами деформації, а не справжнього рівномірного видовження (ɛu). Ці над-високо-сталі, такі як мартенситно-старінні сталі, зазвичай мають дуже низьке рівномірне подовження (наприклад, ɛu ~ 5%). Хоча класичний механізм зміцнення другої{12}}фази може ефективно підвищити межу текучості матеріалів, рівень зміцнення обмежується низькою об’ємною часткою другої фази в сплаві (часто < 50 об.%), що призводить до різкого зниження пластичності при розтягуванні. Таким чином, розробка сплавів як з межею текучості σy ~ 2 ГПа, так і з рівномірним подовженням ɛu, значно вищим за 10%, є серйозною проблемою в матеріалознавстві.
У відповідь на вищезазначені проблеми професор Чжан Цзінью, професор Ма Ен та академік Сунь Цзюнь з Національної ключової лабораторії міцності металевих матеріалів Університету Сіань Цзяотун запропонували використовувати преципітати інтерметалічних сполук із над-високою об’ємною часткою, а саме когерентну нанофазу L12 і некогерентну низькомодульну мікрофазу твердого пластику B2, для з’єднання та зміцнення багатої FCC матриці зі сплаву комплексу заліза на основі їхніх попередніх досягнень (Acta Mater, 2022, 233: 117981; Scripta Mater, 2023, 222: 115058). Щоб досягти над-надвисокої міцності та великої рівномірної пластичності при розтягуванні за кімнатної температури, концепція дизайну цього сплаву полягає в тому, щоб: i) збільшити його міцність за допомогою високої об’ємної частки когерентної нанофази L12 з високою граничною енергією домену інверсії, і ii) ввести високу об’ємну частку низькомодульної некогерентної мікрофази B2; З одного боку, некогерентні межі розділу є більш ефективними у перешкоджанні руху дислокацій та покращенні межі текучості, ніж когерентні межі розділу. З іншого боку, введення кількох легуючих елементів зменшує антифазну межу домену B2, щоб підвищити його пластичність, дозволяючи цим частинкам діяти як одиниці зберігання дислокацій і покращувати здатність до зміцнення.
Концепція дизайну сплавів із кількома основними елементами створює величезний простір для вибору композиції для складних сплавів, що створює безпрецедентні труднощі для розробки сплавів із високими-ефективними характеристиками на основі традиційних методів «проб і помилок». З цією метою члени команди провели скринінг компонентів за допомогою методів машинного навчання за допомогою знань домену. Найважливішим синергетичним легуванням елементом Ta (а не елементом Ti) було досягнуто за рахунок легкого елемента Al з високою розчинністю в твердій речовині та меж доменів протилежної фази L12, що призвело до зміцнення комплексного сплаву Fe35Ni29Co21Al12Ta3 (at.%) L12+B2, зміцненого подвійною фазою осадження (Малюнок 1). Об’ємні частки нанофази L12 (багата Al, Ta) і мікрофази B2 (багата Al, бідна Ta) становили ~67 об.% і ~15 об.%, відповідно. Як когерентний інтерфейс L12/FCC, так і некогерентний інтерфейс B2/FCC змогли сильно взаємодіяти з дислокаціями (рис. 2). Він не тільки може генерувати дислокації, але також може зберігати дислокації, особливо низькомодульну мікронну фазу B2, яку можна порівняти з (FCC+L12). Вища щільність дислокацій, що зберігаються в матриці (рис. 3), значно покращує характеристики зміцнення сплаву, тим самим покращуючи його текучість/межу міцності та пластичність при розтягуванні, дозволяючи сплаву досягти безпрецедентної міцності комбінація пластичності при кімнатній температурі, значно краща, ніж у всіх зареєстрованих на сьогодні сплавів (рис. 4). Стратегія розробки сплавів, запропонована командою, також містить нові ідеї для розробки інших-високоефективних сплавів.
Рисунок 1. (a) Модель машинного навчання на основі знань предметної області (що складається з шести активних циклів навчання) передбачає складний сплав FeNiCoAlTa з надпластичністю. (b) Теоретично передбачена межа текучості узгоджується з експериментально виміряною межею текучості, що підтверджує надійність моделі машинного навчання. (c) Співвідношення між експериментально виміряною межею текучості та кількістю ітерацій моделі показує оптимальний склад комплексного сплаву Fe35Ni29Co21Al12Ta3.
Рисунок 2. (a-d) Деформація при кімнатній температурі та характеристики межі розділу комплексного сплаву Fe35Ni29Co21Al12Ta3 із три-фазною структурою, тобто дислокації можуть прорізати нанофазу L12 і зберігатися в низькомодульній мікрофазі B2. Дислокації існують як на L12/FCC когерентних, так і на B2/FCC некогерентних інтерфейсах; (e) Атомно-зондовий аналіз хімічного складу та характеристик розподілу складних сплавів, а також елементного складу багатоосновної нанофази L12 та мікрофази B2.
Рисунок 3. Еволюція щільності дислокацій кожної складової фази в комплексному сплаві Fe35Ni29Co21Al12Ta3 з деформацією (a1-d1) ε=0, (a2-d2) ε=8% і (a3-d3) ε=20%, вказуючи на те, що низькомодульна мікронна фаза B2 може зберігати більшу щільність дислокацій, ніж (FCC+L12) матриця.
Рисунок 4. (a-b) Криві технічної{2}}деформації та справжнього напруження-деформації складних сплавів із різними складами, (c) Порівняння показників деформаційного зміцнення комплексного сплаву Fe35Ni29Co21Al12Ta3 з іншими надвисокоміцними металевими матеріалами класу 2GPa (сталь D&P, мартенситна сталь, середньовисока ентропія) сплави) та (d, e) Порівняння межі текучості рівномірного подовження при розтягу та відповідності межі текучості міцного пластику складного сплаву Fe35Ni29Co21Al12Ta3 з іншими металевими матеріалами. Поєднання механічних властивостей при кімнатній температурі значно перевершує інші зареєстровані металеві матеріали.
Результати дослідження були опубліковані в Інтернеті в журналі Nature під назвою «Машинне навчання дизайну пластичних сплавів FeNiCoAlTa з високою міцністю». Ясір Сохайл і Чжан Чонле, докторанти Школи матеріалознавства та інженерії Сіаньського університету Цзяотун, є першим і другим авторами статті відповідно. Професор Чжан Цзінюй, Маркс і академік Сунь Цзюнь є співавторами статті. У роботі також брали участь професори Лю Ган, Сюе Дечжень, доцент Ян Ян і докторанти Чжан Дундон, Гао Шаохуа, Фан Сяосюань і Чжан Хан. Національна ключова лабораторія міцності металевих матеріалів при Сіаньському університеті Цзяотун є єдиним комунікаційним і завершальним підрозділом для цієї роботи. Ця робота є першим випадком, коли іноземні студенти Школи матеріалознавства Університету Сіань Цзяотун опублікували статтю Nature як перший автор. Ця робота отримала фінансування від Національного фонду природничих наук Китаю, 111 Talent Introduction Base, проекту команди науково-технічних інновацій провінції Шеньсі та Фонду фундаментальних досліджень Центрального університету. Робота з визначення характеристик і тестування отримала потужну підтримку з боку Спільного центру аналізу та тестування Сіаньського університету Цзяотун, Центру експериментальних технологій Школи матеріалознавства та Shanghai Light Source.