Wysoka granica plastyczności i plastyczność przy rozciąganiu mają kluczowe znaczenie w inżynieryjnych zastosowaniach materiałów metalowych. Obecnie tylko kilka stali o ultra-wysokiej-wytrzymałości osiąga granicę plastyczności nasypowej (σy) wynoszącą 2 GPa. Brakuje im jednak wystarczającej zdolności do utwardzania przez zgniot podczas odkształcenia plastycznego, co powoduje, że równomierne odkształcenie zgłaszane w standardowych próbach jednoosiowego rozciągania składa się z ząbkowanego płynięcia plastycznego spowodowanego miejscowymi pasmami odkształcenia, a nie z prawdziwego równomiernego wydłużenia (ɛu). Te stale o ultra-wysokiej-wytrzymałości, takie jak stale maraging, mają zazwyczaj bardzo niskie równomierne wydłużenie (np. ɛu ~ 5%). Chociaż klasyczny mechanizm wzmacniania drugiej-fazy może skutecznie poprawić granicę plastyczności materiałów, poziom wzmocnienia jest ograniczony przez małą zawartość objętościową drugiej fazy w stopie (często < 50% obj.), co prowadzi do gwałtownego spadku plastyczności przy rozciąganiu. Dlatego projektowanie stopów o granicy plastyczności σy ~ 2 GPa i równomiernym wydłużeniu ɛu znacznie większym niż 10% jest poważnym wyzwaniem w materiałoznawstwie.
W odpowiedzi na powyższe wyzwania profesor Zhang Jinyu, profesor Ma En i akademik Sun Jun z Krajowego Kluczowego Laboratorium Wytrzymałości Materiałów Metalowych na Uniwersytecie Xi'an Jiaotong zaproponowali zastosowanie osadów związków międzymetalicznych o ultra-wysokiej frakcji, a mianowicie spójnej nanofazy L12 i niespójnej mikrofazy twardego plastiku B2 o niskim module, w celu połączenia i wzmocnienia matrycy stopu kompleksu żelaza bogatego w FCC w oparciu o ich wcześniejsze osiągnięcia (Acta Mater, 2022, 233: 117981; Scripta Mater, 2023, 222: 115058). Aby osiągnąć ultra-wysoką wytrzymałość i dużą, równomierną ciągliwość przy rozciąganiu w temperaturze pokojowej, koncepcja projektowa tego stopu polega na: i) zwiększeniu jego wytrzymałości przy użyciu dużej frakcji objętościowej spójnej nanofazy L12 o wysokiej energii granicznej domeny inwersji oraz ii) wprowadzenie dużej frakcji objętościowej niespójnej mikrofazy B2 o niskim module; Z jednej strony niespójne interfejsy są bardziej skuteczne w utrudnianiu ruchu dyslokacyjnego i poprawianiu granicy plastyczności niż interfejsy spójne. Z drugiej strony wprowadzenie wielu pierwiastków stopowych zmniejsza granicę domeny antyfazowej B2, zwiększając jego plastyczność, umożliwiając tym cząstkom działanie jako jednostki magazynujące dyslokację i poprawiające zdolność do utwardzania przez zgniot.
Koncepcja projektowania stopów wielopierwiastkowych skutkuje ogromną przestrzenią doboru składu złożonych stopów, co stwarza niespotykane dotąd trudności w projektowaniu-stopów o wysokiej wydajności w oparciu o tradycyjne metody „prób i błędów”. W tym celu członkowie zespołu przeprowadzili selekcję komponentów, korzystając z metod uczenia maszynowego wspomaganego wiedzą dziedzinową. Najbardziej znaczący synergistyczny stop pierwiastka Ta (a nie Ti) uzyskano dzięki przeciwległym granicom domen fazowych pierwiastka lekkiego Al i L12 o wysokiej rozpuszczalności w stanie stałym, w wyniku czego otrzymano złożony stop Fe35Ni29Co21Al12Ta3 (at.%) wzmocniony podwójną fazą wytrącania L12+B2 (rysunek 1). Udział objętościowy nanofazy L12 (bogatej w Al, Ta) i mikrofazy B2 (bogatej w Al, ubogiej w Ta) wynosił odpowiednio ~67% obj. i ~15% obj. Zarówno spójny interfejs L12/FCC, jak i niespójny interfejs B2/FCC były w stanie silnie oddziaływać z dyslokacjami (rysunek 2). Nie tylko może generować dyslokacje, ale może także je magazynować, zwłaszcza fazę mikronową B2 o niskim module można porównać do (FCC+L12). Większa gęstość dyslokacji przechowywanych w osnowie (rysunek 3) znacząco poprawia parametry utwardzania przez zgniot, poprawiając w ten sposób jego plastyczność/wytrzymałość na rozciąganie i ciągliwość przy rozciąganiu, umożliwiając stopowi osiągnięcie niespotykanej dotąd kombinacji wytrzymałości i plastyczności w temperaturze pokojowej, znacznie lepszej niż wszystkie dotychczas opisane stopy (rysunek 4). Zaproponowana przez zespół strategia projektowania stopów dostarcza także nowych pomysłów na projektowanie innych-stopów o wysokich parametrach użytkowych.
Rysunek 1. (a) Model uczenia maszynowego oparty na wiedzy dziedzinowej (składający się z sześciu aktywnych cykli uczenia się) przewiduje, że złożony stop FeNiCoAlTa będzie miał superplastyczność. (b) Teoretyczna przewidywana granica plastyczności jest zgodna z zmierzoną eksperymentalnie granicą plastyczności, co potwierdza niezawodność modelu uczenia maszynowego. (c) Zależność pomiędzy zmierzoną eksperymentalnie granicą plastyczności a liczbą iteracji modelu pozwala określić optymalny skład złożonego stopu Fe35Ni29Co21Al12Ta3.
Rysunek 2. (a-d) Odkształcenie w temperaturze pokojowej i charakterystyka granicy faz złożonego stopu Fe35Ni29Co21Al12Ta3 o strukturze trójfazowej-, tj. dyslokacje mogą przecinać nanofazę L12 i gromadzić się w mikrofazie B2 o niskim module. Dyslokacje występują zarówno na spójnych interfejsach L12/FCC, jak i na niespójnych interfejsach B2/FCC; (e) Analiza sondą atomową składu chemicznego i charakterystyki rozkładu stopów złożonych, a także składu pierwiastkowego wielogłównej nanofazy L12 i mikrofazy B2.
Rysunek 3. Ewolucja gęstości dyslokacji każdej fazy składowej złożonego stopu Fe35Ni29Co21Al12Ta3 przy odkształceniu (a1-d1) ε=0, (a2-d2) ε=8% i (a3-d3) ε=20%, wskazując, że faza mikronowa B2 o niskim module może przechowywać większą gęstość dyslokacji niż (FCC+L12) matryca.
Rysunek 4. (a-b) Krzywe inżynieryjne naprężenia-odkształcenia i krzywe naprężenia rzeczywistego-odkształcenia złożonych stopów o różnym składzie, (c) Porównanie hartowania złożonego stopu Fe35Ni29Co21Al12Ta3 z innymi materiałami metalowymi o ultra-wysokiej wytrzymałości (stal D&P, stal martenzytyczna, stopy o średniej wysokiej entropii) oraz (d, e) Porównanie granicy plastyczności przy równomiernym wydłużeniu przy rozciąganiu i dopasowaniu granicy plastyczności mocnego produktu z tworzywa sztucznego złożonego stopu Fe35Ni29Co21Al12Ta3 z innymi materiałami metalowymi. Połączenie właściwości mechanicznych w temperaturze pokojowej jest znacznie lepsze niż w przypadku innych zgłoszonych materiałów metalowych.
Wyniki badań opublikowano online w czasopiśmie Nature pod tytułem „Projektowanie w oparciu o uczenie maszynowe plastycznych stopów FeNiCoAlTa o dużej wytrzymałości”. Yasir Sohail i Zhang Chongle, doktoranci ze Szkoły Nauki i Inżynierii Materiałowej na Uniwersytecie Xi'an Jiaotong, są odpowiednio pierwszym i drugim autorem artykułu. Profesorowie Zhang Jinyu, Marks i akademik Sun Jun są współautorami artykułu. W pracach uczestniczyli także profesorowie Liu Gang, Xue Dezhen, profesor nadzwyczajny Yang Yang oraz doktoranci Zhang Dongdong, Gao Shaohua, Fan Xiaoxuan i Zhang Hang. Krajowe Kluczowe Laboratorium Wytrzymałości Materiałów Metalowych na Uniwersytecie Xi'an Jiaotong jest jedyną jednostką zajmującą się komunikacją i realizacją tej pracy. W ramach tej pracy po raz pierwszy zagraniczni studenci ze Szkoły Inżynierii Materiałowej na Uniwersytecie Xi'an Jiaotong opublikowali artykuł w Nature jako pierwszy autor. Praca ta otrzymała dofinansowanie od Chińskiej Narodowej Fundacji Nauk Przyrodniczych, bazy 111 talentów, projektu zespołu ds. innowacji w dziedzinie nauki i technologii prowincji Shaanxi oraz funduszu Business Fund na badania podstawowe Uniwersytetu Centralnego. Prace nad charakteryzacją i testowaniem otrzymały silne wsparcie ze strony Wspólnego Centrum Analiz i Testowania Uniwersytetu Xi'an Jiaotong, Centrum Technologii Eksperymentalnej Szkoły Inżynierii Materiałowej i Shanghai Light Source.