Visoka čvrstoća tečenja i vlačna plastičnost su od ključne važnosti za inženjerske primjene metalnih materijala. Trenutno, samo nekoliko ultra-čelika- visoke čvrstoće postiže granicu tečenja (σy) od 2 GPa. Međutim, nedostaje im dovoljan kapacitet za očvršćivanje tokom plastične deformacije, što rezultira ujednačenom deformacijom prijavljenom u standardnim jednoosnim testovima zatezanja koja se sastoji od nazubljenog plastičnog strujanja uzrokovanog lokaliziranim vrpcama deformacije, a ne istinskog ravnomjernog istezanja (ɛu). Ovi čelici ultra{6}}visoke-, kao što su marežni čelici, obično imaju vrlo nisko jednolično izduženje (npr. ɛu ~ 5%). Iako klasični mehanizam ojačanja druge-faze može efikasno poboljšati granicu tečenja materijala, nivo ojačanja je ograničen niskim volumenskim udjelom druge faze u leguri (često < 50 vol.%), što dovodi do oštrog smanjenja vlačne plastičnosti. Stoga je dizajniranje legura s granom tečenja σy ~ 2 GPa i jednoličnim istezanjem ɛu znatno većim od 10% veliki izazov u nauci o materijalima.
Kao odgovor na gore navedene izazove, profesor Zhang Jinyu, profesor Ma En i akademik Sun Jun iz Nacionalne ključne laboratorije za čvrstoću metalnog materijala na Univerzitetu Xi'an Jiaotong predložili su upotrebu precipitata intermetalnog jedinjenja ultra{0}}velikog volumena, odnosno koherentnog L12 nano-faze niskog modula L12 i jačanja tvrdog FC-faze B nano-faze i jačanja ne-kohe plastične faze matrica legure bogatog kompleksa gvožđa na osnovu njihovih prethodnih dostignuća (Acta Mater, 2022, 233: 117981; Scripta Mater, 2023, 222: 115058). Kako bi se postigla ultra{10}}visoka čvrstoća i velika ujednačena vlačna duktilnost na sobnoj temperaturi, koncept dizajna ove legure je: i) povećati svoju čvrstoću s velikim volumnim udjelom koherentne L12 nano faze sa visokom graničnom energijom domene inverzije, i ii) uvesti udio velikog volumena niskog modula nekoherentne B2 mikro faze; S jedne strane, nekoherentni interfejsi su efikasniji u ometanju kretanja dislokacije i poboljšanju jačine tečenja od koherentnih interfejsa. S druge strane, uvođenje više legirajućih elemenata smanjuje granicu antifaznog domena B2 kako bi se povećala njegova plastičnost, omogućavajući ovim česticama da djeluju kao jedinice za skladištenje dislokacija i poboljšavaju sposobnost očvršćavanja.
Koncept dizajna legura sa više glavnih elemenata rezultira ogromnim prostorom za odabir kompozicije za složene legure, što predstavlja poteškoće bez presedana za projektovanje legura visokih{0}}performansi zasnovanih na tradicionalnim metodama "pokušaja i grešaka". U tu svrhu, članovi tima su proveli provjeru komponenti koristeći metode mašinskog učenja potpomognute znanjem iz domena. Najznačajnije sinergijsko legiranje elementa Ta (umjesto elementa Ti) postignuto je kroz lake elemente visoke čvrstoće topivosti Al i L12 na suprotnim granicama faznih domena, što je rezultiralo kompleksnom legurom Fe35Ni29Co21Al12Ta3 (at.%) ojačanom L12+B2 dvostrukom precipitacijskom fazom (at.%) (slika 1). Zapreminski udjeli L12 nano faze (bogata Al, Ta) i B2 mikro faze (bogata Al, siromašna Ta) iznosila je ~67 vol.% i ~15 vol.%, respektivno. I koherentno L12/FCC sučelje i nekoherentno B2/FCC sučelje su bili u stanju da snažno komuniciraju s dislokacijama (slika 2). Ne samo da može generirati dislokacije, već može i pohranjivati dislokacije, posebno se može usporediti faza niskog modula B2 mikrona (FCC+L12) Veća gustoća dislokacija pohranjenih u matrici (Slika 3) značajno poboljšava performanse legure pri očvršćavanju, čime se poboljšava njezina rastezljivost/zatezna čvrstoća i neograničena zatezna čvrstoća. kombinacija čvrstoće i plastičnosti na sobnoj temperaturi, znatno bolja od svih do sada prijavljenih legura (Slika 4). Strategija dizajna legure koju je predložio tim također pruža nove ideje za dizajn drugih legura visokih{31}}performansi.
Slika 1. (a) Model mašinskog učenja zasnovan na znanju u domenu (koji se sastoji od šest aktivnih ciklusa učenja) predviđa kompleksnu leguru FeNiCoAlTa sa super plastičnošću. (b) Teorijska predviđena granica tečenja je u skladu s eksperimentalno izmjerenom granom tečenja, potvrđujući pouzdanost modela mašinskog učenja. (c) Odnos između eksperimentalno izmjerene granice tečenja i broja iteracija modela otkriva optimalni sastav kompleksne legure Fe35Ni29Co21Al12Ta3.
Slika 2. (a-d) Deformacija na sobnoj temperaturi i karakteristike interfejsa kompleksne legure Fe35Ni29Co21Al12Ta3 sa trofaznom strukturom, tj. dislokacije mogu prorezati L12 nano fazu i uskladištiti se u B2 mikro fazi niskog modula. Dislokacije postoje i na L12/FCC koherentnom i B2/FCC nekoherentnom interfejsu; (e) Analiza atomske sonde hemijskog sastava i karakteristika distribucije složenih legura, kao i elementarnog sastava višenamjenske L12 nano faze i B2 mikro faze.
Slika 3. Evolucija gustine dislokacija svake konstitutivne faze u kompleksnoj leguri Fe35Ni29Co21Al12Ta3 sa deformacijom (a1-d1) ε=0, (a2-d2) ε=8%, i (a3-d3) ε=20%, što ukazuje da može pohraniti viši modul dislokacije od B2 mikroden. (FCC+L12) matrica.
Slika 4. (a-b) Inženjerske krive naprezanja-deformacija i istinskog naprezanja-deformacija složenih legura različitih sastava, (c) Poređenje performansi radnog očvršćavanja kompleksne legure Fe35Ni29Co21Al12Ta3 sa drugim 2GPa ultra{10}}elikim materijalima visoke čvrstoće, metalnim martenama visoke čvrstoće i metalom visoke čvrstoće legure), i (d, e) Usporedba usklađenosti čvrstoće tečenja s ravnomjernim istezanjem pri istezanju i poklapanjem čvrstoće plastičnog proizvoda složene legure Fe35Ni29Co21Al12Ta3 sa drugim metalnim materijalima. Kombinacija mehaničkih svojstava na sobnoj temperaturi značajno je bolja od ostalih prijavljenih metalnih materijala.
Rezultati istraživanja objavljeni su na internetu u časopisu Nature pod naslovom "Machine learning design of duktilne FeNiCoAlTa legura visoke čvrstoće". Yasir Sohail i Zhang Chongle, doktorandi sa Fakulteta za nauku o materijalima i inženjering na Xi'an Jiaotong univerzitetu, prvi su i drugi autori rada. Profesori Zhang Jinyu, Marx i akademik Sun Jun su korespondentni autori rada. U radu su učestvovali i profesori Liu Gang, Xue Dezhen, vanredni profesor Yang Yang, te doktorandi Zhang Dongdong, Gao Shaohua, Fan Xiaoxuan i Zhang Hang. Nacionalna ključna laboratorija za čvrstoću metalnog materijala na Univerzitetu Xi'an Jiaotong je jedina jedinica za komunikaciju i završetak ovog rada. Ovaj posao je prvi put da su strani studenti sa Fakulteta nauke o materijalima na Univerzitetu Xi'an Jiaotong objavili članak o prirodi kao prvi autor. Ovaj rad je dobio sredstva od Nacionalne fondacije za prirodne nauke Kine, 111 Talent Introduction Base, projekta tima za inovacije u nauci i tehnologiji provincije Shaanxi i Fonda za osnovna istraživanja Centralnog univerziteta. Rad na karakterizaciji i testiranju dobio je snažnu podršku od Zajedničkog centra za analizu i testiranje Univerziteta Xi'an Jiaotong, Centra za eksperimentalnu tehnologiju Fakulteta za nauku o materijalima i Šangajskog izvora svjetlosti.