Korkea myötöraja ja vetolujuus ovat tärkeitä metallimateriaalien teknisissä sovelluksissa. Tällä hetkellä vain muutamat erittäin-lujat-teräkset saavuttavat 2 GPa:n bulkkimyötölujuuden (σy). Niillä ei kuitenkaan ole riittävää työkovetuskykyä plastisen muodonmuutoksen aikana, mikä johtaa siihen, että vakiomuotoisissa yksiakselisissa vetokokeissa raportoitu tasainen muodonmuutos koostuu paikallisten muodonmuutosnauhojen aiheuttamasta sahalaitaisesta muovivirtauksesta todellisen tasaisen venymän (ɛu) sijaan. Näillä ultra-suurilujilla-teräksillä, kuten maraging-teräksillä, on tyypillisesti hyvin pieni tasainen venymä (esim. ɛu ~ 5 %). Vaikka klassinen toisen vaiheen{12}}vahvistusmekanismi voi tehokkaasti parantaa materiaalien myötörajaa, vahvistustasoa rajoittaa seoksen toisen vaiheen pieni tilavuusosuus (usein < 50 tilavuus%), mikä johtaa jyrkästi vetolujuuden laskuun. Siksi metalliseosten suunnittelu, joiden myötöraja σy ~ 2 GPa ja tasainen venymä ɛu on huomattavasti suurempi kuin 10 %, on materiaalitieteen suuri haaste.
Vastauksena yllä oleviin haasteisiin professori Zhang Jinyu, professori Ma En ja akateemikko Sun Jun Xi'an Jiaotongin yliopiston metallimateriaalien lujuuden kansallisesta avainlaboratoriosta ehdottivat ultra-suuren tilavuuden F-fraktioiden metallienvälisten yhdistesakkojen käyttöä, nimittäin koherentin L12-nanokompleksin ja kovien CC-mikromoduulin ja ei-koherentin B2:n yhdistämistä. seosmatriisi aiempien saavutustensa perusteella (Acta Mater, 2022, 233: 117981; Scripta Mater, 2023, 222: 115058). Ultra-suuri lujuus ja suuri tasainen vetolujuus huoneenlämpötilassa saavuttamiseksi tämän lejeeringin suunnittelukonseptina on: i) lisätä sen lujuutta suurella tilavuusosuudella koherenttia L12-nanofaasia, jolla on korkea inversioalueen rajaenergia, ja ii) ottaa käyttöön suuri tilavuusosuus matalamoduulista epäkoherenttia B2-mikrofaasia; Toisaalta epäkoherentit rajapinnat ovat tehokkaampia estämään dislokaatioliikettä ja parantamaan myötölujuutta kuin koherentit rajapinnat. Toisaalta useiden seosaineiden lisääminen vähentää B2:n antifaasialueen rajaa lisätäkseen sen plastisuutta, jolloin nämä hiukkaset voivat toimia dislokaatiovarastoyksiköinä ja parantaa työskentelykovetuskykyä.
Monen pääelementin metalliseosten suunnittelukonsepti johtaa valtavaan valikoimaan monimutkaisten metalliseosten koostumusta, mikä aiheuttaa ennennäkemättömiä vaikeuksia suunnitella tehokkaita seoksia, jotka perustuvat perinteisiin "yritys ja erehdys" -menetelmiin. Tätä tarkoitusta varten tiimin jäsenet suorittivat komponenttien seulonnan verkkotunnuksen tietoavusteisilla koneoppimismenetelmillä. Merkittävin alkuaineen Ta (eikä alkuaine Ti) synergistinen lejeerinki saavutettiin korkean kiinteän liukenevuuden kevytelementin Al ja L12 vastakkaisilla faasialueen rajoilla, mikä johti L12+B2-kaksoissaostusvaiheessa vahvistettuun Fe35Ni29Co21Al12Ta3 (at.%) kompleksiseokseen (kuva 1). L12-nanofaasin (runsaasti Al:a, Ta:a) ja B2-mikrofaasin (runsaasti Al:a, vähän Ta:ta) tilavuusosuudet olivat vastaavasti jopa ~67 tilavuus-% ja ~15 tilavuus-%. Sekä koherentti L12/FCC-liitäntä että epäkoherentti B2/FCC-rajapinta pystyivät olemaan vahvasti vuorovaikutuksessa dislokaatioiden kanssa (kuva 2). Se ei vain voi synnyttää dislokaatioita, vaan se voi myös varastoida dislokaatioita, erityisesti matalamoduulista B2 mikronin vaihetta voidaan verrata (FCC+L12) Matriisiin tallennettujen dislokaatioiden suurempi tiheys (kuva 3) parantaa merkittävästi lejeeringin työkovettumissuorituskykyä, mikä parantaa sen myötölujuutta ja vetolujuutta, mikä tekee yhdistelmästä plastisen sitkeyden saavuttamiseksi. lämpötila, huomattavasti parempi kuin kaikki tähän mennessä raportoidut metalliseokset (kuva 4). Tiimin ehdottama metalliseossuunnittelustrategia tarjoaa myös uusia ideoita muiden -tehokkaiden metalliseosten suunnitteluun.
Kuva 1. (a) Aluetietoon perustuva koneoppimismalli (joka koostuu kuudesta aktiivisesta oppimisjaksosta) ennustaa FeNiCoAlTa-kompleksiseoksen superplastisuudella. (b) Teoreettinen ennustettu myötöraja on yhdenmukainen kokeellisesti mitatun myötörajan kanssa, mikä vahvistaa koneoppimismallin luotettavuuden. (c) Suhde kokeellisesti mitatun myötörajan ja mallin iteraatioiden lukumäärän välillä paljastaa Fe35Ni29Co21Al12Ta3-kompleksiseoksen optimaalisen koostumuksen.
Kuva 2. (a-d) Fe35Ni29Co21Al12Ta3-kompleksiseoksen huonelämpötilan muodonmuutos ja rajapinnan ominaisuudet kolmi-faasirakenteella, eli dislokaatiot voivat leikata L12-nanofaasin läpi ja varastoida alhaisen moduulin B2-mikrofaasiin. Dislokaatioita esiintyy sekä L12/FCC koherenteissa että epäkoherenteissa B2/FCC-liitännöissä; (e) Monimutkaisten metalliseosten kemiallisen koostumuksen ja jakautumisominaisuuksien atomikoetinanalyysi sekä monipääteisen L12-nanofaasin ja B2-mikrofaasin alkuainekoostumuksen analyysi.
Kuva 3. Kunkin ainesosan faasin dislokaatiotiheyden kehitys Fe35Ni29Co21Al12Ta3-kompleksiseoksessa, jossa on kanta (a1-d1) ε=0, (a2-d2) ε=8%, ja (a3-d3) ε%, indikaattorin faasi, joka varastoi korkeamman moduliteetin mikrotiheyden B=20 dislokaatioita kuin (FCC+L12) matriisi.
Kuva 4. (a-b) Tekniset jännitys-venymä ja todellinen jännitys-venymäkäyrät monimutkaisille metalliseoksille, joilla on eri koostumukset, (c) Fe35Ni29Co21Al12Ta3-kompleksiseoksen työstökovetussuorituskyvyn vertailu muihin 2GPa-laatuisiin ultra{{10}D-erittäin -korkealujuisiin teräksiin, metalliin seokset) ja (d, e) Fe35Ni29Co21Al12Ta3 kompleksiseoksen myötölujuuden tasaisen vetovenymän yhteensovituksen ja myötörajan vahvan muovituotteen yhteensopivuuden vertailu muiden metallimateriaalien kanssa. Mekaanisten ominaisuuksien yhdistelmä huoneenlämpötilassa on huomattavasti parempi kuin muut raportoidut metallimateriaalit.
Tutkimustulokset julkaistiin verkossa Nature-lehdessä otsikolla "Machine learning design of sitkeiden FeNiCoAlTa-seosten korkea lujuus". Yasir Sohail ja Zhang Chongle, tohtoriopiskelijat Xi'an Jiaotong -yliopiston materiaalitieteen ja tekniikan korkeakoulusta, ovat paperin ensimmäinen ja toinen kirjoittaja. Professorit Zhang Jinyu, Marx ja akateemikko Sun Jun ovat vastaavia kirjoittajia. Työhön osallistuivat myös professorit Liu Gang, Xue Dezhen, apulaisprofessori Yang Yang sekä tohtoriopiskelijat Zhang Dongdong, Gao Shaohua, Fan Xiaoxuan ja Zhang Hang. Xi'an Jiaotongin yliopiston kansallinen metallimateriaalien lujuuden avainlaboratorio on tämän työn ainoa viestintä- ja viimeistelyyksikkö. Tämä työ on ensimmäinen kerta, kun ulkomaalaiset opiskelijat Xi'an Jiaotong -yliopiston materiaalitieteen korkeakoulusta ovat julkaisseet Nature-artikkelin ensimmäisenä kirjoittajana. Tämä työ on saanut rahoitusta Kiinan kansalliselta luonnontieteelliseltä säätiöltä, 111 Talent Introduction Base -järjestöltä, Shaanxin maakunnan tiede- ja teknologiainnovaatioryhmäprojektilta ja Central University Basic Research Business Fundilta. Karakterisointi- ja testaustyö on saanut vahvan tuen Xi'an Jiaotong -yliopiston analyysi- ja testauskeskuksesta, materiaalitieteen korkeakoulun kokeellisesta teknologiakeskuksesta ja Shanghain valolähteestä.