L'elevat límit elàstic i la plasticitat a la tracció són crucials per a les aplicacions d'enginyeria de materials metàl·lics. Actualment, només uns quants acers d'ultra-alta- resistència aconsegueixen un límit elàstic a granel (σy) de 2 GPa. No obstant això, no tenen capacitat suficient d'enduriment per treball durant la deformació plàstica, cosa que fa que la deformació uniforme informada a les proves de tracció uniaxials estàndard estigui composta per un flux de plàstic serrat causat per bandes de deformació localitzades, en lloc d'un autèntic allargament uniforme (ɛu). Aquests acers d'ultra-alta- resistència, com ara els acers maraging, solen tenir un allargament uniforme molt baix (per exemple, ɛu ~ 5%). Tot i que el mecanisme clàssic d'enfortiment de la segona-fase pot millorar eficaçment la resistència a la fluència dels materials, el nivell d'enfortiment està limitat per la fracció de baix volum de la segona fase de l'aliatge (sovint < 50% en volum), el que provoca una forta disminució de la plasticitat a la tracció. Per tant, dissenyar aliatges amb un límit de fluència σy ~ 2 GPa i un allargament uniforme ɛu significativament superior al 10% és un repte important en la ciència dels materials.
En resposta als reptes anteriors, el professor Zhang Jinyu, el professor Ma En i l'acadèmic Sun Jun del Laboratori Clau Nacional de Resistència del Material Metall de la Universitat de Xi'an Jiaotong van proposar l'ús de precipitats de compostos intermetàl·lics de fracció ultra-de gran volum, és a dir, fase nano L12 coherent i no coherent de baix mòdul de plàstic dur B2, fase micro de resistència basada en els seus al·ligacions anteriors basades en la matriu B2 i el complex de matriu C. (Acta Mater, 2022, 233: 117981; Scripta Mater, 2023, 222: 115058). Per tal d'aconseguir una resistència ultra-i una gran ductilitat de tracció uniforme a temperatura ambient, el concepte de disseny d'aquest aliatge és: i) augmentar la seva resistència amb una fracció de gran volum de nanofase L12 coherent amb una gran energia de límit de domini d'inversió, i ii) introduir una fracció de gran volum de microfase B2 no coherent de baix mòdul; D'una banda, les interfícies no coherents són més efectives per dificultar el moviment de dislocació i millorar la força de fluència que les interfícies coherents. D'altra banda, la introducció de múltiples elements d'aliatge redueix el límit del domini antifase de B2 per augmentar la seva plasticitat, permetent que aquestes partícules actuïn com a unitats d'emmagatzematge de dislocacions i millorin la capacitat d'enduriment.
El concepte de disseny d'aliatges d'elements múltiples dóna com a resultat un gran espai de selecció de composició per als aliatges complexos, que planteja dificultats sense precedents per dissenyar aliatges d'alt rendiment-basats en mètodes tradicionals de "assaig i error". Amb aquesta finalitat, els membres de l'equip van realitzar una selecció de components mitjançant mètodes d'aprenentatge automàtic assistits per coneixement del domini. L'aliatge sinèrgic de l'element Ta (en lloc de l'element Ti) més significatiu es va aconseguir mitjançant l'element lleuger d'alta solubilitat sòlida Al i els límits del domini de fase oposada L12, donant lloc a l'aliatge complex Fe35Ni29Co21Al12Ta3 (at.%) reforçat en la fase de precipitació dual L{12+B2 (figura 1). Les fraccions de volum de la nanofase L12 (rica en Al, Ta) i la microfase B2 (rica en Al, pobres en Ta) eren tan altes com ~ 67% vol. i ~ 15% vol, respectivament. Tant la interfície L12/FCC coherent com la interfície B2/FCC no coherent van poder interactuar fortament amb les dislocacions (figura 2). No només pot generar dislocacions, sinó que també pot emmagatzemar dislocacions, especialment la fase de micres B2 de mòdul baix que es pot comparar amb (FCC+L12) La major densitat de dislocacions emmagatzemades a la matriu (Figura 3) millora significativament el rendiment d'enduriment de l'aliatge, millorant així el seu rendiment / tracció, la resistència a la ductilitat i la resistència sense precedents. combinació de plasticitat a temperatura ambient, significativament millor que tots els aliatges reportats fins ara (figura 4). L'estratègia de disseny d'aliatges proposada per l'equip també ofereix noves idees per al disseny d'altres aliatges-d'alt rendiment.
Figura 1. (a) Un model d'aprenentatge automàtic basat en el coneixement del domini (constituït per sis cicles d'aprenentatge actius) prediu l'aliatge complex FeNiCoAlTa amb super plasticitat. (b) La força de fluència prevista teòricament és coherent amb la força de fluència mesurada experimentalment, confirmant la fiabilitat del model d'aprenentatge automàtic. ( c ) La relació entre la resistència a la fluència mesurada experimentalment i el nombre d'iteracions del model revela la composició òptima de l'aliatge complex Fe35Ni29Co21Al12Ta3.
Figura 2. (a-d) Deformació a temperatura ambient i característiques de la interfície de l'aliatge complex Fe35Ni29Co21Al12Ta3 amb estructura trifàsica, és a dir, les dislocacions poden tallar la nanofase L12 i emmagatzemar-les en la microfase B2 de baix mòdul. Les dislocacions existeixen tant a les interfícies coherents L12/FCC com a les interfícies no coherents B2/FCC; (e) Anàlisi de la sonda atòmica de la composició química i les característiques de distribució d'aliatges complexos, així com la composició elemental de la nano fase L12 i la microfase B2.
Figura 3. Evolució de la densitat de dislocació de cada fase constituent en l'aliatge complex Fe35Ni29Co21Al12Ta3 amb deformació (a1-d1) ε=0, (a2-d2) ε=8% i (a3-d3) ε{=20%, cosa que indica que la dilocació de la fase de microns més alta que el mòdul de B2 pot emmagatzemar matriu (FCC+L12).
Figura 4. (a-b) Corbes d'esforç d'enginyeria-deformació-deformació real-d'aliatges complexos amb diferents composicions, (c) Comparació del rendiment d'enduriment per treball de l'aliatge complex Fe35Ni29Co21Al12Ta3 amb altres materials d'ultra-grau 2GPa ultra-d'alta resistència, acers metàl·lics d'alta entropia, acers d'alta entropia i acer marten (D&P) e) Comparació de la concordança de l'allargament uniforme de la resistència a la tracció i la concordança de productes plàstics forts de la resistència a la fluència de l'aliatge complex Fe35Ni29Co21Al12Ta3 amb altres materials metàl·lics. La combinació de propietats mecàniques a temperatura ambient és significativament superior a altres materials metàl·lics reportats.
Els resultats de la investigació es van publicar en línia a Nature sota el títol "Disseny d'aprenentatge automàtic d'aliatges dúctils de FeNiCoAlTa amb alta resistència". Yasir Sohail i Zhang Chongle, estudiants de doctorat de l'Escola de Ciència i Enginyeria de Materials de la Universitat de Xi'an Jiaotong, són els primers i segons autors de l'article, respectivament. Els professors Zhang Jinyu, Marx i l'acadèmic Sun Jun són coautors corresponents de l'article. També van participar en el treball els professors Liu Gang, Xue Dezhen, el professor associat Yang Yang i els estudiants de doctorat Zhang Dongdong, Gao Shaohua, Fan Xiaoxuan i Zhang Hang. El Laboratori Clau Nacional de Resistència de Materials Metal·lics de la Universitat Xi'an Jiaotong és l'única unitat de comunicació i finalització d'aquest treball. Aquesta feina és la primera vegada que estudiants estrangers de l'Escola de Ciència de Materials de la Universitat Xi'an Jiaotong publiquen un article sobre Nature com a primer autor. Aquest treball ha rebut finançament de la Fundació Nacional de Ciències Naturals de la Xina, la Base d'Introducció de Talent 111, el Projecte d'Equip d'Innovació Científica i Tecnològica Provincial de Shaanxi i el Fons Empresarial de Recerca Bàsica de la Universitat Central. El treball de caracterització i prova ha rebut un fort suport del Centre Compartit d'Anàlisi i Proves de la Universitat Jiaotong de Xi'an, el Centre de Tecnologia Experimental de l'Escola de Ciència de Materials i la Font de Llum de Xangai.