Високата граница на провлачване и пластичността на опън са от решаващо значение за инженерните приложения на метални материали. Понастоящем само няколко ултра{1}}високо{2}}якостни стомани постигат обемна граница на провлачване (σy) от 2 GPa. Въпреки това им липсва достатъчен капацитет за втвърдяване при работа по време на пластична деформация, което води до равномерна деформация, докладвана при стандартни едноосни тестове за опън, която се състои от назъбен пластичен поток, причинен от локализирани деформационни ленти, а не истинско равномерно удължение (ɛu). Тези ултра{6}}високо{7}}якостни стомани, като мартензитни стомани, обикновено имат много ниско равномерно удължение (напр. ɛu ~ 5%). Въпреки че класическият механизъм за укрепване на втората{12}}фаза може ефективно да подобри границата на провлачване на материалите, нивото на укрепване е ограничено от ниската обемна фракция на втората фаза в сплавта (често < 50 об.%), което води до рязко намаляване на пластичността на опън. Следователно проектирането на сплави както с граница на провлачване σy ~ 2 GPa, така и с равномерно удължение ɛu, значително по-високо от 10%, е основно предизвикателство в науката за материалите.
В отговор на горните предизвикателства, професор Zhang Jinyu, професор Ma En и академик Sun Jun от Националната ключова лаборатория за якост на метални материали към Xi'an Jiaotong University предложиха използването на утайки от интерметални съединения с ултра-висока обемна фракция, а именно кохерентна L12 нанофаза и некохерентна нискомодулна твърда пластмасова B2 микрофаза, за свързване и укрепване на богатите на FCC матрица от железни комплексни сплави въз основа на техните предишни постижения (Acta Mater, 2022, 233: 117981; Scripta Mater, 2023, 222: 115058). За да се постигне ултра{10}}висока якост и голяма равномерна пластичност на опън при стайна температура, проектната концепция на тази сплав е: i) да се увеличи нейната якост с висока обемна фракция на кохерентна нанофаза L12 с висока гранична енергия на инверсионния домейн и ii) да се въведе голяма обемна фракция на нискомодулна некохерентна B2 микрофаза; От една страна, некохерентните интерфейси са по-ефективни при възпрепятстване на движението на дислокациите и подобряване на якостта на провлачване, отколкото кохерентните интерфейси. От друга страна, въвеждането на множество легиращи елементи намалява границата на антифазовия домен на B2, за да увеличи неговата пластичност, позволявайки на тези частици да действат като единици за съхранение на дислокации и да подобрят способността за втвърдяване при работа.
Концепцията за проектиране на сплави с множество основни елементи води до огромно пространство за избор на композиция за сложни сплави, което създава безпрецедентни трудности за проектиране на сплави с висока-производителност въз основа на традиционните методи „проба и грешка“. За тази цел членовете на екипа проведоха скрининг на компоненти, използвайки методи за машинно обучение, подпомогнати от знанието на домейна. Синергичното легиране на най-значимия елемент Ta (вместо елемент Ti) беше постигнато чрез лекия елемент Al с висока разтворимост в твърдо вещество и L12 противоположни фазови граници на домена, което доведе до L12+B2 фаза на двойно утаяване, подсилена Fe35Ni29Co21Al12Ta3 (at.%) комплексна сплав (Фигура 1). Обемните фракции на нанофазата L12 (богата на Al, Ta) и микрофазата B2 (богата на Al, бедна на Ta) достигат съответно ~67 об.% и ~15 об.%. Както кохерентният интерфейс L12/FCC, така и некохерентният интерфейс B2/FCC успяха да взаимодействат силно с дислокациите (Фигура 2). Не само може да генерира дислокации, но може също така да съхранява дислокации, особено нискомодулната B2 микронна фаза може да се сравни с (FCC+L12) По-високата плътност на дислокациите, съхранявани в матрицата (Фигура 3), значително подобрява ефективността на работното втвърдяване на сплавта, като по този начин подобрява нейната якост на провлачване/опън и пластичност на опън, позволявайки на сплавта да постигне безпрецедентна якост комбинация от пластичност при стайна температура, значително по-добра от всички докладвани сплави до момента (Фигура 4). Стратегията за проектиране на сплави, предложена от екипа, предоставя и нови идеи за дизайна на други сплави с висока-производителност.
Фигура 1. (a) Модел на машинно обучение, базиран на знания за домейна (състоящ се от шест активни цикъла на обучение) прогнозира сложната сплав FeNiCoAlTa със супер пластичност. (b) Теоретично предвидената граница на провлачване е в съответствие с експериментално измерената граница на провлачване, потвърждавайки надеждността на модела за машинно обучение. (c) Връзката между експериментално измерената граница на провлачване и броя на итерациите на модела разкрива оптималния състав на комплексната сплав Fe35Ni29Co21Al12Ta3.
Фигура 2. (a-d) Деформация при стайна температура и интерфейсни характеристики на комплексна сплав Fe35Ni29Co21Al12Ta3 с три-фазова структура, т.е. дислокациите могат да прорязват L12 нанофаза и да се съхраняват в B2 микрофаза с нисък модул. Дислокации съществуват както при L12/FCC кохерентни, така и при B2/FCC некохерентни интерфейси; (д) Анализ с атомна сонда на химическия състав и характеристиките на разпределение на сложни сплави, както и елементарния състав на многоосновна нанофаза L12 и микрофаза B2.
Фигура 3. Развитие на дислокационната плътност на всяка съставна фаза в комплексна сплав Fe35Ni29Co21Al12Ta3 с деформация (a1-d1) ε=0, (a2-d2) ε=8%, и (a3-d3) ε=20%, което показва, че микронната фаза B2 с нисък модул може да съхранява по-висока плътност на дислокации от (FCC+L12) матрица.
Фигура 4. (a-b) Инженерни криви на напрежение-деформация и истинско напрежение-деформация на сложни сплави с различни състави, (c) Сравнение на характеристиките на работно втвърдяване на сложна сплав Fe35Ni29Co21Al12Ta3 с други ултра{10}}високоякостни метални материали от клас 2GPa (D&P стомана, мартензитна стомана, средно висока ентропия сплави) и (d, e) Сравнение на съвпадението на границата на провлачване при равномерно удължение на опън и съвпадението на границата на провлачване на силен пластмасов продукт на комплексна сплав Fe35Ni29Co21Al12Ta3 с други метални материали. Комбинацията от механични свойства при стайна температура е значително по-добра от другите докладвани метални материали.
Резултатите от изследването бяха публикувани онлайн в Nature под заглавието „Дизайн за машинно обучение на пластични FeNiCoAlTa сплави с висока якост“. Yasir Sohail и Zhang Chongle, докторанти от Училището по материалознание и инженерство в университета Xi'an Jiaotong, са съответно първият и вторият автор на статията. Професорите Джан Джиню, Маркс и академик Сун Джун са съавтори на статията. Професорите Liu Gang, Xue Dezhen, доцент Yang Yang и докторантите Zhang Dongdong, Gao Shaohua, Fan Xiaoxuan и Zhang Hang също участваха в работата. Националната ключова лаборатория за якост на метални материали в университета Xi'an Jiaotong е единственото звено за комуникация и завършване на тази работа. Тази работа е първият път, когато чуждестранни студенти от Училището по материалознание към университета Xi'an Jiaotong публикуват статия в Nature като първи автор. Тази работа е получила финансиране от Националната природонаучна фондация на Китай, 111 Talent Introduction Base, екипа за научни и технологични иновации на провинция Shaanxi и Бизнес фонда за основни изследвания на Централния университет. Работата по характеризирането и тестването получи силна подкрепа от Споделения център за анализ и тестване на университета Xi'an Jiaotong, Експерименталния технологичен център на Училището по материалознание и Shanghai Light Source.