Η υψηλή αντοχή διαρροής και η ελαστική πλαστικότητα είναι ζωτικής σημασίας για τις μηχανικές εφαρμογές μεταλλικών υλικών. Επί του παρόντος, μόνο μερικοί χάλυβες εξαιρετικά-υψηλής- αντοχής επιτυγχάνουν αντοχή χύδην διαρροής (σy) 2 GPa. Ωστόσο, δεν διαθέτουν επαρκή ικανότητα σκλήρυνσης κατά τη διάρκεια της πλαστικής παραμόρφωσης, με αποτέλεσμα η ομοιόμορφη παραμόρφωση που αναφέρεται σε τυπικές μονοαξονικές δοκιμές εφελκυσμού να αποτελείται από οδοντωτή πλαστική ροή που προκαλείται από εντοπισμένες ζώνες παραμόρφωσης, αντί για πραγματική ομοιόμορφη επιμήκυνση (ɛu). Αυτοί οι χάλυβες εξαιρετικά-υψηλής- αντοχής, όπως οι χάλυβες maraging, έχουν συνήθως πολύ χαμηλή ομοιόμορφη επιμήκυνση (π.χ. ɛu ~ 5%). Αν και ο κλασικός μηχανισμός ενίσχυσης δεύτερης-φάσης μπορεί να βελτιώσει αποτελεσματικά την αντοχή διαρροής των υλικών, το επίπεδο ενίσχυσης περιορίζεται από το χαμηλό κλάσμα όγκου της δεύτερης φάσης στο κράμα (συχνά < 50 vol.%), οδηγώντας σε απότομη μείωση της πλαστικότητας εφελκυσμού. Επομένως, ο σχεδιασμός κραμάτων με αντοχή διαρροής σy ~ 2 GPa και ομοιόμορφη επιμήκυνση ɛu σημαντικά μεγαλύτερη από 10% είναι μια σημαντική πρόκληση στην επιστήμη των υλικών.
Σε απάντηση στις παραπάνω προκλήσεις, ο καθηγητής Zhang Jinyu, ο καθηγητής Ma En και ο ακαδημαϊκός Sun Jun από το Εθνικό Εργαστήριο Ισχύος Μεταλλικών Υλικών στο Πανεπιστήμιο Xi'an Jiaotong πρότειναν τη χρήση υπερ-υψηλού όγκου κλάσματος διαμεταλλικών ιζημάτων, δηλαδή συνεκτικής L12 νανο φάσης και ενίσχυσης της φάσης μικρού σκληρού τύπου B2, μη σκληρού πλαστικού σε συνοχή. μήτρα κράματος σύνθετου σιδήρου με βάση τα προηγούμενα επιτεύγματά τους (Acta Mater, 2022, 233: 117981; Scripta Mater, 2023, 222: 115058). Προκειμένου να επιτευχθεί εξαιρετικά{10}}υψηλή αντοχή και μεγάλη ομοιόμορφη ολκιμότητα σε εφελκυσμό σε θερμοκρασία δωματίου, η σχεδιαστική ιδέα αυτού του κράματος είναι: i) να αυξήσει την αντοχή του με ένα κλάσμα υψηλού όγκου συνεκτικής νανοφάσης L12 με οριακή ενέργεια υψηλής περιοχής αντιστροφής και ii) να εισαγάγει ένα κλάσμα υψηλού όγκου μη συνεκτικής μικροφάσης Β2 χαμηλού συντελεστή. Από τη μία πλευρά, οι μη συνεκτικές διεπαφές είναι πιο αποτελεσματικές στην παρεμπόδιση της κίνησης εξάρθρωσης και στη βελτίωση της αντοχής διαρροής από τις συνεκτικές διεπαφές. Από την άλλη πλευρά, η εισαγωγή πολλαπλών στοιχείων κράματος μειώνει το όριο του τομέα αντιφάσεως του Β2 για να αυξήσει την πλαστικότητά του, επιτρέποντας σε αυτά τα σωματίδια να λειτουργούν ως μονάδες αποθήκευσης εξάρθρωσης και να βελτιώνουν την ικανότητα σκλήρυνσης εργασίας.
Η σχεδιαστική ιδέα των κραμάτων πολλαπλών βασικών στοιχείων έχει ως αποτέλεσμα έναν τεράστιο χώρο επιλογής σύνθεσης για σύνθετα κράματα, κάτι που δημιουργεί πρωτοφανείς δυσκολίες για το σχεδιασμό κραμάτων υψηλής απόδοσης-με βάση τις παραδοσιακές μεθόδους "δοκιμών και σφαλμάτων". Για το σκοπό αυτό, τα μέλη της ομάδας διεξήγαγαν έλεγχο στοιχείων χρησιμοποιώντας μεθόδους μηχανικής εκμάθησης υποβοηθούμενης από τη γνώση τομέα. Το πιο σημαντικό συνεργικό κράμα στοιχείου Ta (αντί του στοιχείου Ti) επιτεύχθηκε μέσω του ελαφρού στοιχείου υψηλής διαλυτότητας Al και L12 στα όρια της αντίθετης περιοχής φάσης, με αποτέλεσμα η φάση διπλής κατακρήμνισης L12+Β2 να ενισχυθεί με σύνθετο κράμα Fe35Ni29Co21Al12Ta3 (σε %) (Εικόνα 1). Τα κλάσματα όγκου της νανοφάσης L12 (πλούσια σε Al, Ta) και της μικροφάσης Β2 (πλούσια σε Al, φτωχή σε Ta) ήταν τόσο υψηλά όσο~67% vol.% και~15 vol.%, αντίστοιχα. Τόσο η συνεκτική διεπαφή L12/FCC όσο και η μη συνεκτική διεπαφή B2/FCC ήταν σε θέση να αλληλεπιδρούν έντονα με τις εξαρθρώσεις (Εικόνα 2). Όχι μόνο μπορεί να δημιουργήσει εξαρθρήματα, αλλά μπορεί επίσης να αποθηκεύσει εξαρθρήματα, ειδικά η φάση μικρού B2 με χαμηλό συντελεστή μπορεί να συγκριθεί με (FCC+L12) Η υψηλότερη πυκνότητα εξαρθρώσεων που αποθηκεύεται στη μήτρα (Εικόνα 3) ενισχύει σημαντικά την απόδοση σκλήρυνσης εργασίας του κράματος, βελτιώνοντας έτσι τη διαρροή/αντίσταση εφελκυσμού και την ελαστικότητα του κράματος. συνδυασμός σε θερμοκρασία δωματίου, σημαντικά καλύτερος από όλα τα κράματα που έχουν αναφερθεί μέχρι σήμερα (Εικόνα 4). Η στρατηγική σχεδιασμού κράματος που προτείνεται από την ομάδα παρέχει επίσης νέες ιδέες για το σχεδιασμό άλλων κραμάτων υψηλής απόδοσης.
Σχήμα 1. (α) Ένα μοντέλο μηχανικής μάθησης βασισμένο στη γνώση τομέα (που αποτελείται από έξι ενεργούς κύκλους μάθησης) προβλέπει το σύνθετο κράμα FeNiCoAlTa με σούπερ πλαστικότητα. (β) Η θεωρητική προβλεπόμενη ισχύς διαρροής είναι συνεπής με την πειραματικά μετρούμενη αντοχή διαρροής, επιβεβαιώνοντας την αξιοπιστία του μοντέλου μηχανικής εκμάθησης. (γ) Η σχέση μεταξύ της πειραματικά μετρημένης αντοχής διαρροής και του αριθμού των επαναλήψεων του μοντέλου αποκαλύπτει τη βέλτιστη σύνθεση του συμπλόκου κράματος Fe35Ni29Co21Al12Ta3.
Σχήμα 2. (α-δ) Παραμόρφωση θερμοκρασίας δωματίου και χαρακτηριστικά διεπαφής του σύνθετου κράματος Fe35Ni29Co21Al12Ta3 με δομή τριών- φάσεων, δηλαδή οι εξαρθρώσεις μπορούν να κόψουν τη νανοφάση L12 και να αποθηκεύσουν σε μικροφάση Β2 χαμηλού συντελεστή. Εξαρθρώσεις υπάρχουν τόσο σε συνεκτικές διεπαφές L12/FCC όσο και σε μη συνεκτικές διεπαφές B2/FCC. (ε) Ανάλυση ατομικού ανιχνευτή της χημικής σύστασης και των χαρακτηριστικών κατανομής των σύνθετων κραμάτων, καθώς και της στοιχειακής σύνθεσης της πολλαπλής κύριας νανοφάσης L12 και της μικροφάσης Β2.
Σχήμα 3. Εξέλιξη της πυκνότητας εξάρθρωσης κάθε συστατικής φάσης σε σύμπλοκο κράμα Fe35Ni29Co21Al12Ta3 με παραμόρφωση (a1-d1) ε=0, (a2-d2) ε=8%, και (a3-d3) ε=20% ε=20, που υποδεικνύουν ότι οι χαμηλές αποθήκες της φάσης μπορούν να2 από τον πίνακα (FCC+L12).
Σχήμα 4. (α-β) μηχανική καταπόνηση-παραμόρφωση και πραγματική καταπόνηση-καμπύλες παραμόρφωσης σύνθετων κραμάτων με διαφορετικές συνθέσεις, (γ) Σύγκριση της απόδοσης σκλήρυνσης εργασίας του σύνθετου κράματος Fe35Ni29Co21Al12Ta3 με άλλα υλικά ποιότητας 2GPa χάλυβα υψηλής αντοχής{10}μετάλλων υψηλής αντοχής κράματα εντροπίας) και (δ, ε) Σύγκριση της αντοχής διαρροής ομοιόμορφη αντιστοίχιση επιμήκυνσης εφελκυσμού και αντοχής διαρροής ισχυρό πλαστικό προϊόν αντιστοίχισης του συμπλόκου κράματος Fe35Ni29Co21Al12Ta3 με άλλα μεταλλικά υλικά. Ο συνδυασμός μηχανικών ιδιοτήτων σε θερμοκρασία δωματίου είναι σημαντικά ανώτερος από άλλα αναφερόμενα μεταλλικά υλικά.
Τα ευρήματα της έρευνας δημοσιεύτηκαν διαδικτυακά στο Nature με τον τίτλο «Μηχανική εκμάθηση σχεδιασμού όλκιμων κραμάτων FeNiCoAlTa με υψηλή αντοχή». Οι Yasir Sohail και Zhang Chongle, διδακτορικοί φοιτητές από τη Σχολή Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών στο Πανεπιστήμιο Xi'an Jiaotong, είναι οι πρώτοι και δεύτεροι συγγραφείς της εργασίας, αντίστοιχα. Οι καθηγητές Zhang Jinyu, Marx και ο ακαδημαϊκός Sun Jun είναι συν-αντίστοιχοι συγγραφείς της εργασίας. Οι καθηγητές Liu Gang, Xue Dezhen, ο αναπληρωτής καθηγητής Yang Yang και οι διδακτορικοί φοιτητές Zhang Dongdong, Gao Shaohua, Fan Xiaoxuan και Zhang Hang συμμετείχαν επίσης στην εργασία. Το National Key Laboratory of Metal Material Strength στο Πανεπιστήμιο Xi'an Jiaotong είναι η μόνη μονάδα επικοινωνίας και ολοκλήρωσης για αυτήν την εργασία. Αυτή η εργασία είναι η πρώτη φορά που ξένοι φοιτητές από τη Σχολή Επιστήμης Υλικών στο Πανεπιστήμιο Xi'an Jiaotong δημοσίευσαν ένα άρθρο στο Nature ως πρώτος συγγραφέας. Αυτή η εργασία έχει λάβει χρηματοδότηση από το Εθνικό Ίδρυμα Φυσικών Επιστημών της Κίνας, τη Βάση Εισαγωγής Ταλέντου 111, το Πρόγραμμα Ομάδας Καινοτομίας Επιστήμης και Τεχνολογίας της Επαρχίας Shaanxi και το Επιχειρηματικό Ταμείο Βασικής Έρευνας του Κεντρικού Πανεπιστημίου. Η εργασία χαρακτηρισμού και δοκιμής έχει λάβει ισχυρή υποστήριξη από το Κοινό Κέντρο Ανάλυσης και Δοκιμών του Πανεπιστημίου Xi'an Jiaotong, το Κέντρο Πειραματικής Τεχνολογίας της Σχολής Επιστήμης Υλικών και την Πηγή Φωτός της Σαγκάης.