Høy flytestyrke og strekkplastisitet er avgjørende for ingeniørmessige anvendelser av metalliske materialer. For øyeblikket oppnår bare noen få ultra-høy-stål en flytegrense (σy) på 2 GPa. Imidlertid mangler de tilstrekkelig arbeidsherdekapasitet under plastisk deformasjon, noe som resulterer i at den jevne deformasjonen rapportert i standard enaksede strekktester er sammensatt av tagget plastisk strømning forårsaket av lokaliserte deformasjonsbånd, snarere enn ekte jevn forlengelse (ɛu). Disse ultra-høyfaste-stålene, som maraldrende stål, har vanligvis svært lav jevn forlengelse (f.eks. ɛu ~ 5%). Selv om den klassiske forsterkningsmekanismen i andre-fase effektivt kan forbedre flytegrensen til materialer, begrenses forsterkningsnivået av den lave volumfraksjonen av den andre fasen i legeringen (ofte < 50 vol.%), noe som fører til en kraftig reduksjon i strekkplastisitet. Derfor er det en stor utfordring innen materialvitenskap å designe legeringer med både en flytegrense σy ~ 2 GPa og en jevn forlengelse ɛu betydelig høyere enn 10 %.
Som svar på utfordringene ovenfor, foreslo professor Zhang Jinyu, professor Ma En og akademiker Sun Jun fra National Key Laboratory of Metal Material Strength ved Xi'an Jiaotong University bruk av ultra-høyvolumfraksjoner av intermetalliske sammensatte utfellinger, nemlig koherent L12 nanofase og ikke-koherent, sammensatt lavstyrkefase, hardplast B2- og jernmikromodul, hard plastikk- og jernholdig fase. matrise basert på deres tidligere prestasjoner (Acta Mater, 2022, 233: 117981; Scripta Mater, 2023, 222: 115058). For å oppnå ultra-høy styrke og stor jevn strekkduktilitet ved romtemperatur, er designkonseptet for denne legeringen: i) å øke styrken med en høy volumfraksjon av koherent L12 nanofase med høy inversjonsdomenegrenseenergi, og ii) å introdusere en høyvolumfraksjon av lavmodul ikke-koherent B2 mikrofase; På den ene siden er ikke-koherente grensesnitt mer effektive for å hindre dislokasjonsbevegelse og forbedre flytestyrken enn koherente grensesnitt. På den annen side reduserer innføringen av flere legeringselementer antifasedomenegrensen til B2 for å øke plastisiteten, slik at disse partiklene kan fungere som dislokasjonslagringsenheter og forbedre arbeidsherdingsevnen.
Designkonseptet med legeringer med flere hovedelementer resulterer i et enormt komposisjonsutvalg for komplekse legeringer, noe som utgjør enestående vanskeligheter for å designe høyytelseslegeringer basert på tradisjonelle "prøving og feiling"-metoder. For dette formål gjennomførte teammedlemmene komponentscreening ved bruk av domenekunnskapsassisterte maskinlæringsmetoder. Den mest signifikante element Ta (i stedet for element Ti) synergistiske legeringen ble oppnådd gjennom det høye faste løselighets lett element Al og L12 motsatte fase domenegrenser, noe som resulterte i L12+B2 dobbel utfellingsfase forsterket Fe35Ni29Co21Al12Ta3 (at.%) kompleks legering 1 (Figur). Volumfraksjonene av L12 nanofase (rik på Al, Ta) og B2 mikrofase (rik på Al, fattig på Ta) var så høye som henholdsvis ~67 vol.% og ~15 vol.%. Både det koherente L12/FCC-grensesnittet og det ikke-koherente B2/FCC-grensesnittet var i stand til å samhandle sterkt med dislokasjoner (figur 2). Ikke bare kan det generere dislokasjoner, men det kan også lagre dislokasjoner, spesielt lavmodulen B2 mikron fase kan sammenlignes med (FCC+L12) Den høyere tettheten av dislokasjoner lagret i matrisen (Figur 3) forbedrer legeringens arbeidsherdeevne betydelig, og forbedrer derved dens flyt/strekkstyrke og strekkfasthet og strekkstyrke for å oppnå upreduktiv styrke og strekkstyrke. plastisitetskombinasjon ved romtemperatur, betydelig bedre enn alle rapporterte legeringer til dags dato (Figur 4). Legeringsdesignstrategien foreslått av teamet gir også nye ideer for utformingen av andre{31}}høyytelseslegeringer.
Figur 1. (a) En domenekunnskapsbasert maskinlæringsmodell (bestående av seks aktive læringssykluser) forutsier FeNiCoAlTa-komplekslegeringen med superplastisitet. (b) Den teoretisk forutsagte flytestyrken er i samsvar med den eksperimentelt målte flytestyrken, noe som bekrefter påliteligheten til maskinlæringsmodellen. (c) Forholdet mellom eksperimentelt målt flytestyrke og antall modelliterasjoner avslører den optimale sammensetningen av Fe35Ni29Co21Al12Ta3 kompleks legering.
Figur 2. (a-d) Romtemperaturdeformasjon og grensesnittkarakteristikk av Fe35Ni29Co21Al12Ta3 kompleks legering med tre-fasestruktur, dvs. dislokasjoner kan skjære gjennom L12 nanofase og lagre i lavmodul B2 mikrofase. Dislokasjoner eksisterer ved både L12/FCC koherente og B2/FCC ikke-koherente grensesnitt; (e) Atomsondeanalyse av den kjemiske sammensetningen og distribusjonsegenskapene til komplekse legeringer, så vel som grunnstoffsammensetningen av multihoved L12 nanofase og B2 mikrofase.
Figur 3. Utvikling av dislokasjonstetthet for hver bestanddel fase i Fe35Ni29Co21Al12Ta3 kompleks legering med tøyning (a1-d1) ε=0, (a2-d2) ε=8%, og (a3-d3) ε{{14} ε=20 tetthet av dislokasjoner enn (FCC+L12) matrisen.
Figur 4. (a-b) Teknisk spenning-tøyning og sannspenning-tøyningskurver for komplekse legeringer med forskjellige sammensetninger, (c) Sammenligning av arbeidsherdingsytelsen til Fe35Ni29Co21Al12Ta3 kompleks legering med andre 2GPa-kvalitet ultra-høystyrke metallmaterialer, middels entropisk stål, høyfast stål, martensitisk stål, høyfast stål, martensitisk stål og høyfast stål (D) (d, e) Sammenligning av flytestyrke, jevn strekkforlengelse, og flytegrense, sterk plastprodukttilpasning av Fe35Ni29Co21Al12Ta3 kompleks legering med andre metallmaterialer. Kombinasjonen av mekaniske egenskaper ved romtemperatur er betydelig bedre enn andre rapporterte metallmaterialer.
Forskningsfunnene ble publisert online i Nature under tittelen "Machine learning design of ductile FeNiCoAlTa alloys with high strength". Yasir Sohail og Zhang Chongle, doktorgradsstudenter fra School of Materials Science and Engineering ved Xi'an Jiaotong University, er henholdsvis første og andre forfatter av artikkelen. Professorene Zhang Jinyu, Marx og akademiker Sun Jun er medforfattere av artikkelen. Professorene Liu Gang, Xue Dezhen, førsteamanuensis Yang Yang og doktorgradsstudentene Zhang Dongdong, Gao Shaohua, Fan Xiaoxuan og Zhang Hang deltok også i arbeidet. National Key Laboratory of Metal Material Strength ved Xi'an Jiaotong University er den eneste kommunikasjons- og fullføringsenheten for dette arbeidet. Denne jobben er første gang utenlandske studenter fra School of Materials Science ved Xi'an Jiaotong University har publisert en Nature-artikkel som førsteforfatter. Dette arbeidet har mottatt midler 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 testarbeidet har fått sterk støtte fra Analysis and Testing Shared Center ved Xi'an Jiaotong University, Experimental Technology Center ved School of Materials Science og Shanghai Light Source.