Hoge vloeigrens en trekplasticiteit zijn cruciaal voor de technische toepassingen van metalen materialen. Momenteel bereiken slechts enkele staalsoorten met ultra-hoge-sterkte een bulkvloeigrens (σy) van 2 GPa. Ze missen echter voldoende hardingscapaciteit tijdens plastische vervorming, wat ertoe leidt dat de uniforme vervorming die wordt gerapporteerd in standaard uniaxiale trekproeven bestaat uit gekartelde plastische stroming veroorzaakt door plaatselijke vervormingsbanden, in plaats van echte uniforme verlenging (ɛu). Deze ultra-hoge- staalsoorten, zoals maragingstaal, hebben doorgaans een zeer lage uniforme rek (bijvoorbeeld ɛu ~ 5%). Hoewel het klassieke versterkingsmechanisme in de tweede-fase de vloeigrens van materialen effectief kan verbeteren, wordt het versterkingsniveau beperkt door de lage volumefractie van de tweede fase in de legering (vaak < 50 vol.%), wat leidt tot een scherpe afname van de trekplasticiteit. Daarom is het ontwerpen van legeringen met zowel een vloeigrens σy ~ 2 GPa als een uniforme rek ɛu aanzienlijk hoger dan 10% een grote uitdaging in de materiaalkunde.
Als reactie op de bovenstaande uitdagingen stelden professor Zhang Jinyu, professor Ma En en academicus Sun Jun van het National Key Laboratory of Metal Material Strength aan de Xi'an Jiaotong Universiteit het gebruik van intermetallische verbindingsprecipitaten met een ultra-volumefractie voor, namelijk de coherente L12-nanofase en de niet-coherente hardplastic B2-microfase met lage modulus, om de FCC-rijke ijzercomplexlegeringsmatrix te koppelen en te versterken op basis van hun eerdere prestaties (Acta Mater, 2022, 233: 117981; Scripta Mater, 2023, 222: 115058). Om ultra-hoge sterkte en grote uniforme rekbaarheid bij kamertemperatuur te bereiken, is het ontwerpconcept van deze legering: i) het vergroten van de sterkte met een hoge volumefractie van coherente L12-nanofase met hoge inversiedomeingrensenergie, en ii) het introduceren van een hoge volumefractie van niet-coherente B2-microfase met lage modulus; Aan de ene kant zijn niet-coherente grensvlakken effectiever in het belemmeren van dislocatiebewegingen en het verbeteren van de vloeigrens dan coherente grensvlakken. Aan de andere kant verkleint de introductie van meerdere legeringselementen de anti-fase domeingrens van B2 om de plasticiteit ervan te vergroten, waardoor deze deeltjes kunnen fungeren als dislocatie-opslageenheden en het verhardingsvermogen kunnen verbeteren.
Het ontwerpconcept van legeringen met meerdere hoofdelementen resulteert in een enorme selectieruimte voor de samenstelling van complexe legeringen, wat ongekende problemen met zich meebrengt bij het ontwerpen van hoogwaardige legeringen op basis van traditionele 'trial and error'-methoden. Daartoe voerden de teamleden componentscreening uit met behulp van door domeinkennis ondersteunde machine learning-methoden. De meest significante synergetische legering van element Ta (in plaats van element Ti) werd bereikt door de lichte elementen Al en L12 met hoge oplosbaarheid in tegengestelde fasedomeingrenzen, resulterend in de L12+B2 dubbele precipitatiefase versterkte Fe35Ni29Co21Al12Ta3 (at.%) complexe legering (Figuur 1). De volumefracties van de L12 nanofase (rijk aan Al, Ta) en de B2 microfase (rijk aan Al, arm aan Ta) waren respectievelijk zo hoog als ~67 vol.% en ~15 vol.%. Zowel de coherente L12/FCC-interface als de niet-coherente B2/FCC-interface konden een sterke interactie aangaan met dislocaties (Figuur 2). Het kan niet alleen dislocaties genereren, maar het kan ook dislocaties opslaan, vooral de B2-micronfase met lage modulus kan worden vergeleken met (FCC+L12). De hogere dichtheid van dislocaties opgeslagen in de matrix (Figuur 3) verbetert de hardingsprestaties van de legering aanzienlijk, waardoor de vloei-/treksterkte en trekductiliteit worden verbeterd, waardoor de legering bij kamertemperatuur een ongekende sterkte-plasticiteitscombinatie kan bereiken, aanzienlijk beter dan alle tot nu toe gerapporteerde legeringen (Figuur 4). De door het team voorgestelde legeringsontwerpstrategie levert ook nieuwe ideeën op voor het ontwerp van andere hoogwaardige legeringen.
Figuur 1. (a) Een op domeinkennis gebaseerd machine learning-model (bestaande uit zes actieve leercycli) voorspelt de FeNiCoAlTa-complexe legering met superplasticiteit. (b) De theoretisch voorspelde vloeigrens komt overeen met de experimenteel gemeten vloeigrens, wat de betrouwbaarheid van het machine learning-model bevestigt. (c) De relatie tussen experimenteel gemeten vloeigrens en het aantal modeliteraties onthult de optimale samenstelling van de complexe Fe35Ni29Co21Al12Ta3-legering.
Figuur 2. (a-d) Vervorming bij kamertemperatuur en grensvlakkarakteristieken van een Fe35Ni29Co21Al12Ta3-complexe legering met een drie--fasestructuur, dwz dislocaties kunnen de L12-nanofase doorsnijden en opslaan in de B2-microfase met lage modulus. Er bestaan dislocaties op zowel de L12/FCC-coherente als de B2/FCC-niet-coherente interfaces; (e) Atomaire sondeanalyse van de chemische samenstelling en distributiekarakteristieken van complexe legeringen, evenals de elementaire samenstelling van de multi-principal L12 nanofase en B2 microfase.
Figuur 3. Evolutie van de dislocatiedichtheid van elke samenstellende fase in een complexe Fe35Ni29Co21Al12Ta3-legering met spanning (a1-d1) ε=0, (a2-d2) ε=8% en (a3-d3) ε=20%, wat aangeeft dat de B2-micronfase met lage modulus een hogere dichtheid aan dislocaties kan opslaan dan de (FCC+L12) matrix.
Figuur 4. (a-b) Technische spanning-rek en werkelijke spanning-rekcurven van complexe legeringen met verschillende samenstellingen, (c) Vergelijking van de verhardingsprestaties van Fe35Ni29Co21Al12Ta3 complexe legering met andere 2GPa-kwaliteit ultra-metaalmaterialen met hoge sterkte (D&P-staal, martensitisch staal, legeringen met middelhoge entropie), en (d, e) Vergelijking van vloeisterkte, uniforme trekrekaanpassing en vloeisterkte, sterke kunststofproductaanpassing van Fe35Ni29Co21Al12Ta3 complexe legering met andere metalen materialen. De combinatie van mechanische eigenschappen bij kamertemperatuur is aanzienlijk beter dan die van andere gerapporteerde metalen materialen.
De onderzoeksresultaten zijn online gepubliceerd in Nature onder de titel "Machine learning design of ductiele FeNiCoAlTa-legeringen met hoge sterkte". Yasir Sohail en Zhang Chongle, promovendi van de School of Materials Science and Engineering aan de Xi'an Jiaotong Universiteit, zijn respectievelijk de eerste en tweede auteurs van het artikel. Hoogleraren Zhang Jinyu, Marx en academicus Sun Jun zijn co-corresponderende auteurs van het artikel. Hoogleraren Liu Gang, Xue Dezhen, universitair hoofddocent Yang Yang en promovendi Zhang Dongdong, Gao Shaohua, Fan Xiaoxuan en Zhang Hang namen ook deel aan het werk. Het National Key Laboratory of Metal Material Strength aan de Xi'an Jiaotong Universiteit is de enige communicatie- en voltooiingseenheid voor dit werk. Deze baan is de eerste keer dat buitenlandse studenten van de School of Materials Science van de Xi'an Jiaotong Universiteit een Nature-artikel als eerste auteur publiceren. Dit werk heeft financiering ontvangen van de National Natural Science Foundation of China, de 111 Talent Introduction Base, het Shaanxi Provincial Science and Technology Innovation Team Project en het Central University Basic Research Business Fund. Het karakteriserings- en testwerk heeft krachtige steun gekregen van het Analysis and Testing Shared Center van de Xi'an Jiaotong University, het Experimental Technology Center van de School of Materials Science en Shanghai Light Source.