Vysoká mez kluzu a plasticita v tahu jsou klíčové pro technické aplikace kovových materiálů. V současnosti pouze několik ultra-vysoko{2}}pevnostních ocelí dosahuje objemové meze kluzu (σy) 2 GPa. Chybí jim však dostatečná kapacita mechanického zpevnění během plastické deformace, což má za následek, že rovnoměrná deformace uváděná ve standardních jednoosých tahových zkouškách je složena z vroubkovaného plastického toku způsobeného lokalizovanými deformačními pásy, spíše než ze skutečného rovnoměrného prodloužení (ɛu). Tyto ultra-vysoko{7}}pevnostní oceli, jako jsou vysokopevnostní oceli, mají obvykle velmi nízké rovnoměrné prodloužení (např. ɛu ~ 5 %). Ačkoli klasický mechanismus zpevnění druhé fáze může účinně zlepšit mez kluzu materiálů, úroveň zpevnění je omezena nízkým objemovým podílem druhé fáze ve slitině (často < 50 obj. %), což vede k prudkému poklesu plasticity v tahu. Proto je navrhování slitin s mezí kluzu σy ~ 2 GPa a rovnoměrným prodloužením ɛu výrazně vyšším než 10 % velkou výzvou v materiálové vědě.
V reakci na výše uvedené výzvy profesor Zhang Jinyu, profesor Ma En a akademik Sun Jun z National Key Laboratory of Metal Material Strength na univerzitě Xi'an Jiaotong navrhli použití precipitátů intermetalických sloučenin s ultra{0}}vysokoobjemovou frakcí, jmenovitě koherentní fáze nano slitiny L12 a nekoherentní nízkomodulové slitiny na bázi železa na bázi tvrdého plastu B2 s mikrofází na bázi předchozí mikrofáze B2. (Acta Mater, 2022, 233: 117981; Scripta Mater, 2023, 222: 115058). Za účelem dosažení ultra-vysoké pevnosti a velké jednotné tažnosti v tahu při pokojové teplotě je konstrukčním konceptem této slitiny: i) zvýšení její pevnosti pomocí vysokého objemového podílu koherentní nano fáze L12 s vysokou hraniční energií inverzní domény a ii) zavedení vysokého objemového podílu nízkomodulové nekoherentní mikrofáze B2; Na jedné straně jsou nekoherentní rozhraní účinnější při zabraňování pohybu dislokací a zlepšování meze kluzu než koherentní rozhraní. Na druhé straně, zavedení více legujících prvků snižuje hranici antifázové domény B2, aby se zvýšila jeho plasticita, což umožňuje těmto částicím působit jako dislokační úložné jednotky a zlepšit schopnost mechanického zpevnění.
Koncepce designu slitin s více hlavními prvky má za následek obrovský prostor pro výběr složení složitých slitin, což představuje bezprecedentní potíže při navrhování vysoce{0}}výkonných slitin založených na tradičních metodách „pokusu a omylu“. Za tímto účelem členové týmu provedli screening komponent pomocí metod strojového učení asistovaných znalostí domény. Nejvýznamnějšího synergického legování prvku Ta (spíše než prvku Ti) bylo dosaženo prostřednictvím hranic lehkého prvku Al a L12 s vysokou rozpustností v pevné fázi, což vedlo ke komplexní slitině Fe35Ni29Co21Al12Ta3 (at. %) zesílené duální precipitační fází L12+B2 (obrázek 1). Objemové frakce nano fáze L12 (bohaté na Al, Ta) a mikrofáze B2 (bohaté na Al, chudé na Ta) byly až~67 % obj. a~15 % obj., v daném pořadí. Jak koherentní rozhraní L12/FCC, tak nekoherentní rozhraní B2/FCC byly schopny silně interagovat s dislokacemi (obrázek 2). Nejen, že může generovat dislokace, ale může také ukládat dislokace, zejména nízkomodulovou fázi B2 mikronů lze porovnat s (FCC+L12) Vyšší hustota dislokací uložená v matrici (obrázek 3) výrazně zvyšuje výkonnost slitiny při zpevňování, čímž zlepšuje její pevnost v kluzu/tahu a tažnost v tahu, což umožňuje slitině dosáhnout výrazně lepší kombinace pevnosti při pokojové teplotě než u všech plastů (obr. 4). Strategie designu slitin navržená týmem také poskytuje nové nápady pro design dalších-výkonných slitin.
Obrázek 1. (a) Model strojového učení založený na znalostech domény (sestávající ze šesti cyklů aktivního učení) předpovídá komplexní slitinu FeNiCoAlTa se super plasticitou. (b) Teoretická předpokládaná mez kluzu je konzistentní s experimentálně naměřenou mezí kluzu, což potvrzuje spolehlivost modelu strojového učení. (c) Vztah mezi experimentálně naměřenou mezí kluzu a počtem iterací modelu odhaluje optimální složení komplexní slitiny Fe35Ni29Co21Al12Ta3.
Obrázek 2. (a-d) Deformace při pokojové teplotě a charakteristiky rozhraní komplexní slitiny Fe35Ni29Co21Al12Ta3 s třífázovou strukturou, tj. dislokace mohou proříznout nano fázi L12 a uložit do mikrofáze B2 s nízkým modulem. Dislokace existují jak na koherentních rozhraních L12/FCC, tak na nekoherentních rozhraních B2/FCC; (e) Atomová sondová analýza chemického složení a distribučních charakteristik komplexních slitin, jakož i elementárního složení vícehlavní L12 nano fáze a B2 mikrofáze.
Obrázek 3. Vývoj hustoty dislokací každé jednotlivé fáze v komplexní slitině Fe35Ni29Co21Al12Ta3 s deformací (a1-d1) ε=0, (a2-d2) ε=8% a (a3-d3) ε=20%, což naznačuje, že nízký modul C může uložit B1+ vyšší hustotu dislokace B1 mikron) fáze matice.
Obrázek 4. (a-b) Inženýrské napětí-deformace a skutečné napětí-deformační křivky komplexních slitin s různým složením, (c) Porovnání výkonu při mechanickém zpevňování komplexní slitiny Fe35Ni29Co21Al12Ta3 s dalšími ultra-vysokopevnostními kovovými materiály s vysokou pevností (D&P, entropická ocel, slitiny mar) Porovnání mez kluzu rovnoměrného prodloužení v tahu a meze kluzu přizpůsobení pevného plastového produktu komplexní slitiny Fe35Ni29Co21Al12Ta3 s jinými kovovými materiály. Kombinace mechanických vlastností při pokojové teplotě je výrazně lepší než u jiných uváděných kovových materiálů.
Výsledky výzkumu byly publikovány online v Nature pod názvem „Strojové učení tvárných slitin FeNiCoAlTa s vysokou pevností“. Yasir Sohail a Zhang Chongle, doktorandi ze School of Materials Science and Engineering na univerzitě Xi'an Jiaotong, jsou prvním a druhým autorem článku. Profesoři Zhang Jinyu, Marx a akademik Sun Jun jsou spoluautory článku. Na práci se podíleli také profesoři Liu Gang, Xue Dezhen, docent Yang Yang a doktorandi Zhang Dongdong, Gao Shaohua, Fan Xiaoxuan a Zhang Hang. Národní klíčová laboratoř pevnosti kovových materiálů na univerzitě Xi'an Jiaotong je jedinou komunikační a dokončovací jednotkou pro tuto práci. Tato práce je poprvé, kdy zahraniční studenti ze School of Materials Science na univerzitě Xi'an Jiaotong publikovali článek Nature jako první autor. Tato práce byla financována z National Natural Science Foundation of China, 111 Talent Introduction Base, Shaanxi Provincial Science and Technology Innovation Team Project a Central University Basic Research Business Fund. Charakterizační a testovací práce získaly silnou podporu od Analytického a testovacího sdíleného centra univerzity Xi'an Jiaotong, Experimentálního technologického centra School of Materials Science a Shanghai Light Source.