Limita de curgere mare și plasticitatea la tracțiune sunt cruciale pentru aplicațiile de inginerie ale materialelor metalice. În prezent, doar câteva oțeluri cu rezistență ultra-înaltă- obțin o limită de curgere în vrac (σy) de 2 GPa. Cu toate acestea, le lipsește o capacitate suficientă de întărire prin muncă în timpul deformării plastice, ceea ce duce la deformarea uniformă raportată în testele standard de tracțiune uniaxiale fiind compusă din flux plastic zimțat cauzat de benzi de deformare localizate, mai degrabă decât alungirea uniformă adevărată (ɛu). Aceste oțeluri de ultra-înaltă-rezistență, cum ar fi oțelurile maraging, au de obicei o alungire uniformă foarte scăzută (de exemplu, ɛu ~ 5%). Deși mecanismul clasic de întărire a fazei a doua-poate îmbunătăți în mod eficient rezistența de curgere a materialelor, nivelul de întărire este limitat de fracțiunea de volum scăzut a fazei a doua din aliaj (adesea < 50% vol.), ceea ce duce la o scădere bruscă a plasticității la tracțiune. Prin urmare, proiectarea aliajelor atât cu o limită de curgere σy ~ 2 GPa, cât și cu o alungire uniformă ɛu semnificativ mai mare de 10% este o provocare majoră în știința materialelor.
Ca răspuns la provocările de mai sus, profesorul Zhang Jinyu, profesorul Ma En și academicianul Sun Jun de la Laboratorul național cheie de rezistență a materialelor metalice de la Universitatea Xi'an Jiaotong au propus utilizarea precipitatelor compuși intermetalici cu fracții de volum ultra-înalte, și anume nano fază L12 coerentă și necoerentă din plastic dur, cu modul scăzut, B2, faza micro de rezistență, cuplarea anterioară a complexului de matrice B2 și microfaza de rezistență FC. (Acta Mater, 2022, 233: 117981; Scripta Mater, 2023, 222: 115058). Pentru a obține o rezistență ultra-înaltă și o ductilitate mare uniformă la tracțiune la temperatura camerei, conceptul de proiectare al acestui aliaj este: i) de a-și crește rezistența cu o fracțiune de volum mare de nano fază L12 coerentă cu energie de limită a domeniului de inversare mare și ii) de a introduce o fracțiune de volum mare de microfază B2 necoerentă cu modul scăzut; Pe de o parte, interfețele necoerente sunt mai eficiente în împiedicarea mișcării de dislocare și îmbunătățirea forței de curgere decât interfețele coerente. Pe de altă parte, introducerea mai multor elemente de aliere reduce limita domeniului antifază a B2 pentru a crește plasticitatea acestuia, permițând acestor particule să acționeze ca unități de stocare a dislocării și să îmbunătățească capacitatea de întărire.
Conceptul de proiectare al aliajelor cu mai multe elemente principale are ca rezultat un spațiu uriaș de selecție compozițională pentru aliajele complexe, ceea ce ridică dificultăți fără precedent pentru proiectarea aliajelor de înaltă{0}}performanță pe baza metodelor tradiționale de „încercare și eroare”. În acest scop, membrii echipei au efectuat screening-ul componentelor folosind metode de învățare automată asistate de cunoștințe de domeniu. Cea mai semnificativă aliere sinergică a elementului Ta (mai degrabă decât a elementului Ti) a fost realizată prin elementul ușor de solubilitate ridicată al solidului Al și limitele domeniului fazei opuse L12, rezultând în aliajul complex Fe35Ni29Co21Al12Ta3 (at.%) întărit în faza de precipitare duală L{12+B2 (Figura 1). Fracțiunile de volum ale nanofazei L12 (bogate în Al, Ta) și microfazei B2 (bogate în Al, sărace în Ta) au fost la fel de mari ca ~ 67% vol. și, respectiv, ~ 15% vol. Atât interfața coerentă L12/FCC, cât și interfața necoerentă B2/FCC au fost capabile să interacționeze puternic cu dislocațiile (Figura 2). Nu numai că poate genera dislocații, dar poate stoca și dislocații, în special faza de microni B2 cu modul mic, poate fi comparată cu (FCC+L12) Densitatea mai mare a dislocațiilor stocate în matrice (Figura 3) îmbunătățește semnificativ performanța de întărire prin lucru a aliajului, îmbunătățind astfel curgerea/la tracțiunea acestuia, asigurând rezistența și rezistența la tracțiune fără precedent. combinație de plasticitate la temperatura camerei, semnificativ mai bună decât toate aliajele raportate până în prezent (Figura 4). Strategia de proiectare a aliajelor propusă de echipă oferă, de asemenea, idei noi pentru proiectarea altor aliaje-de înaltă performanță.
Figura 1. (a) Un model de învățare automată bazat pe cunoștințe de domeniu (constând din șase cicluri de învățare active) prezice aliajul complex FeNiCoAlTa cu super plasticitate. (b) Limita de curgere estimată teoretică este în concordanță cu limita de curgere măsurată experimental, confirmând fiabilitatea modelului de învățare automată. (c) Relația dintre limita de curgere măsurată experimental și numărul de iterații ale modelului relevă compoziția optimă a aliajului complex Fe35Ni29Co21Al12Ta3.
Figura 2. (a-d) Deformarea la temperatura camerei și caracteristicile de interfață ale aliajului complex Fe35Ni29Co21Al12Ta3 cu structură trifazică, adică dislocațiile pot tăia nanofaza L12 și pot stoca în microfaza B2 cu modul scăzut. Dislocațiile există atât la interfețele coerente L12/FCC, cât și la interfețele necoerente B2/FCC; (e) Analiza cu sonde atomice a compoziției chimice și a caracteristicilor de distribuție ale aliajelor complexe, precum și a compoziției elementare a fazei nano L12 și microfazei B2.
Figura 3. Evoluția densității de dislocare a fiecărei faze constitutive din aliajul complex Fe35Ni29Co21Al12Ta3 cu deformare (a1-d1) ε=0, (a2-d2) ε=8% și (a3-d3) ε{=20%, indicând faptul că modulul de dilocație mai mic al fazei de microni poate stoca mai mare decât modulul de micron al fazei B2. (FCC+L12) matrice.
Figura 4. (a-b) Curbele de tensiuni inginerești-deformare și tensiuni reale-de deformare ale aliajelor complexe cu diferite compoziții, (c) Comparație a performanței de întărire la lucru a aliajului complex Fe35Ni29Co21Al12Ta3 cu alte materiale ultra{-de înaltă rezistență ultra-de înaltă rezistență, oțel marten și aloat mediu (D&P, oțel aliat marten, oțel aliat înalt e) Comparație între rezistența de curgere a alungirii uniforme la tracțiune și potrivirea rezistenței la curgere a produsului plastic puternic al aliajului complex Fe35Ni29Co21Al12Ta3 cu alte materiale metalice. Combinația de proprietăți mecanice la temperatura camerei este semnificativ superioară altor materiale metalice raportate.
Rezultatele cercetării au fost publicate online în Nature sub titlul „Proiectarea învățării mecanice a aliajelor ductile FeNiCoAlTa cu rezistență ridicată”. Yasir Sohail și Zhang Chongle, doctoranzi de la Școala de Știința și Ingineria Materialelor de la Universitatea Xi'an Jiaotong, sunt primul și, respectiv, al doilea autori ai lucrării. Profesorii Zhang Jinyu, Marx și academicianul Sun Jun sunt autori corespondenți ai lucrării. La lucrări au participat și profesorii Liu Gang, Xue Dezhen, profesor asociat Yang Yang și doctoranzi Zhang Dongdong, Gao Shaohua, Fan Xiaoxuan și Zhang Hang. Laboratorul național cheie de rezistență a materialelor metalice de la Universitatea Xi'an Jiaotong este singura unitate de comunicare și finalizare pentru această lucrare. Acest job este pentru prima dată când studenții străini de la Școala de Știința Materialelor de la Universitatea Xi'an Jiaotong au publicat un articol din Natură ca prim autor. Această lucrare a primit finanțare de la Fundația Națională de Științe Naturale din China, Baza de introducere a talentelor 111, Proiectul echipei provinciale de inovare în știință și tehnologie din Shaanxi și Fondul de afaceri de cercetare de bază a Universității Centrale. Lucrările de caracterizare și testare au primit un sprijin puternic din partea Centrului comun de analiză și testare al Universității Xi'an Jiaotong, Centrul de tehnologie experimentală al Școlii de Știința Materialelor și Sursa de lumină din Shanghai.