Vysoká medza klzu a plasticita v ťahu sú rozhodujúce pre inžinierske aplikácie kovových materiálov. V súčasnosti len niekoľko ultra-vysoko{2}}pevných ocelí dosahuje objemovú medzu klzu (σy) 2 GPa. Chýba im však dostatočná kapacita mechanického spevnenia počas plastickej deformácie, čo vedie k tomu, že rovnomerná deformácia uvádzaná v štandardných jednoosových ťahových skúškach pozostáva zo zúbkovaného plastického toku spôsobeného lokalizovanými deformačnými pásmi, a nie zo skutočného rovnomerného predĺženia (ɛu). Tieto ultra-vysoko{7}}pevné ocele, ako sú ocele s vysokou pevnosťou v ťahu, majú zvyčajne veľmi nízke rovnomerné predĺženie (napr. ɛu ~ 5 %). Hoci klasický mechanizmus spevnenia v druhej{12}}fáze môže účinne zlepšiť medzu klzu materiálov, úroveň spevnenia je obmedzená nízkym objemovým podielom druhej fázy v zliatine (často < 50 obj. %), čo vedie k prudkému poklesu plasticity v ťahu. Preto je navrhovanie zliatin s medzou klzu σy ~ 2 GPa a rovnomerným predĺžením ɛu výrazne vyšším ako 10 % hlavnou výzvou v materiálovej vede.
V reakcii na vyššie uvedené výzvy profesor Zhang Jinyu, profesor Ma En a akademik Sun Jun z Národného kľúčového laboratória pevnosti kovových materiálov na univerzite Xi'an Jiaotong navrhli použitie precipitátov intermetalických zlúčenín s ultra{0}}vysokoobjemovou frakciou, konkrétne koherentnej fázy matrice L12 a nekoherentnej nízkomodulovej zliatiny s nízkym modulom na báze tvrdého plastu B2 a spevnenia ich predchádzajúcej mikrofázy bohatej na železo na tvrdý plast B2. (Acta Mater, 2022, 233: 117981; Scripta Mater, 2023, 222: 115058). Aby sa dosiahla ultra-vysoká pevnosť a veľká rovnomerná ťažnosť v ťahu pri izbovej teplote, konštrukčný koncept tejto zliatiny je: i) zvýšiť jej pevnosť pomocou vysokého objemového podielu koherentnej nano fázy L12 s vysokou hraničnou energiou inverznej domény a ii) zaviesť vysoký objemový podiel nízkomodulovej nekoherentnej mikrofázy B2; Na jednej strane sú nekoherentné rozhrania účinnejšie pri zabraňovaní pohybu dislokácie a zlepšovaní medze klzu ako koherentné rozhrania. Na druhej strane, zavedenie viacerých legujúcich prvkov znižuje hranicu antifázovej domény B2, aby sa zvýšila jeho plasticita, čo umožňuje týmto časticiam pôsobiť ako dislokačné úložné jednotky a zlepšiť schopnosť mechanického vytvrdzovania.
Koncepcia dizajnu zliatin s viacerými základnými prvkami má za následok obrovský priestor na výber zloženia pre zložité zliatiny, čo predstavuje bezprecedentné ťažkosti pri navrhovaní vysoko{0}}výkonných zliatin založených na tradičných metódach „pokus-omyl“. Na tento účel členovia tímu vykonali skríning komponentov pomocou metód strojového učenia podporovaných znalosťou domény. Najvýznamnejšie synergické legovanie prvku Ta (skôr ako prvku Ti) sa dosiahlo prostredníctvom hraníc medzi doménami opačnej fázy ľahkého prvku Al a L12 s vysokou rozpustnosťou v tuhom stave, čo viedlo k dvojitej precipitačnej fáze L12+B2 spevnenej komplexnej zliatiny Fe35Ni29Co21Al12Ta3 (at.%) (obrázok 1). Objemové frakcie nano fázy L12 (bohatej na Al, Ta) a mikrofázy B2 (bohatej na Al, chudobnej na Ta) boli až ~ 67 % objemových a ~ 15 % objemových. Ako koherentné rozhranie L12 / FCC, tak aj nekoherentné rozhranie B2 / FCC boli schopné silne interagovať s dislokáciami (obrázok 2). Nielenže môže generovať dislokácie, ale môže tiež ukladať dislokácie, najmä fázu s nízkym modulom B2 mikrónov možno porovnať s (FCC+L12) Vyššia hustota dislokácií uložených v matrici (obrázok 3) výrazne zvyšuje výkon zliatiny pri vytvrdzovaní, čím zlepšuje jej medzu klzu/pevnosť v ťahu a ťažnosť v ťahu, čo umožňuje zliatine dosahovať výrazne lepšiu kombináciu pevnosti pri izbovej teplote ako u všetkých plastov (obr. 4). Stratégia dizajnu zliatin navrhovaná tímom tiež poskytuje nové nápady na dizajn ďalších-výkonných zliatin.
Obrázok 1. (a) Model strojového učenia založený na znalostiach domény (pozostávajúci zo šiestich aktívnych cyklov učenia) predpovedá komplexnú zliatinu FeNiCoAlTa so super plasticitou. (b) Teoretická predpokladaná medza klzu je v súlade s experimentálne nameranou medzou klzu, čo potvrdzuje spoľahlivosť modelu strojového učenia. (c) Vzťah medzi experimentálne nameranou medzou klzu a počtom iterácií modelu odhaľuje optimálne zloženie komplexnej zliatiny Fe35Ni29Co21Al12Ta3.
Obrázok 2. (a-d) Deformácia pri izbovej teplote a charakteristiky rozhrania komplexnej zliatiny Fe35Ni29Co21Al12Ta3 s trojfázovou štruktúrou, tj dislokácie môžu prerezať nano fázu L12 a uložiť ju v mikrofáze B2 s nízkym modulom. Dislokácie existujú na koherentných rozhraniach L12/FCC aj na nekoherentných rozhraniach B2/FCC; e) Analýza chemického zloženia a distribučných charakteristík komplexných zliatin pomocou atómovej sondy, ako aj elementárneho zloženia viachlavnej nano fázy L12 a mikrofázy B2.
Obrázok 3. Vývoj hustoty dislokácií každej zložkovej fázy v komplexnej zliatine Fe35Ni29Co21Al12Ta3 s deformáciou (a1-d1) ε=0, (a2-d2) ε=8% a (a3-d3) ε=20%, čo naznačuje, že nízky modul C + vyšší modul L2 mikrónovej fázy (dislokácia) môže ukladať B1 mikrónovú fázu matice.
Obrázok 4. (a-b) Inžinierske napätie-deformácie a skutočného napätia-deformačné krivky komplexných zliatin s rôznym zložením, (c) Porovnanie výkonu pri mechanickom spevnení komplexnej zliatiny Fe35Ni29Co21Al12Ta3 s inou ultra-vysokopevnosťou vysokopevnostných kovových materiálov s vysokou pevnosťou (D&P) a entropickou oceľou (D&P, stredne legované kovové materiály) Porovnanie zhody rovnomerného predĺženia v ťahu s medze klzu a zhody pevného plastového produktu z komplexnej zliatiny Fe35Ni29Co21Al12Ta3 s inými kovovými materiálmi. Kombinácia mechanických vlastností pri izbovej teplote je výrazne lepšia ako u iných uvádzaných kovových materiálov.
Zistenia výskumu boli publikované online v Nature pod názvom „Strojový dizajn tvárnych zliatin FeNiCoAlTa s vysokou pevnosťou“. Yasir Sohail a Zhang Chongle, doktorandi zo School of Materials Science and Engineering na univerzite Xi'an Jiaotong, sú prvým a druhým autorom článku. Profesori Zhang Jinyu, Marx a akademik Sun Jun sú spoluzodpovednými autormi článku. Na práci sa podieľali aj profesori Liu Gang, Xue Dezhen, docent Yang Yang a doktorandi Zhang Dongdong, Gao Shaohua, Fan Xiaoxuan a Zhang Hang. Národné kľúčové laboratórium pevnosti kovových materiálov na univerzite Xi'an Jiaotong je jedinou komunikačnou a dokončovacou jednotkou pre túto prácu. Táto práca je prvýkrát, čo zahraniční študenti zo School of Materials Science na univerzite Xi'an Jiaotong publikovali článok Nature ako prvý autor. Táto práca získala finančné prostriedky od Národnej nadácie pre prírodné vedy v Číne, 111 Talent Introduction Base, projektu inovačného tímu pre vedu a technológiu provincie Shaanxi a Central University Basic Research Business Fund. Charakterizačná a testovacia práca získala silnú podporu od analytického a testovacieho zdieľaného centra univerzity Xi'an Jiaotong, experimentálneho technologického centra School of Materials Science a od Shanghai Light Source.