Metalik malzemelerin mühendislik uygulamaları için yüksek akma dayanımı ve çekme plastisitesi çok önemlidir. Şu anda yalnızca birkaç ultra-yüksek-mukavemetli çelik 2 GPa'lık toplu akma mukavemetine (σy) ulaşıyor. Bununla birlikte, plastik deformasyon sırasında yeterli iş sertleştirme kapasitesine sahip değildirler, bu da standart tek eksenli çekme testlerinde rapor edilen tekdüze deformasyonun, gerçek tekdüze uzama (ɛu) yerine, lokalize deformasyon bantlarının neden olduğu tırtıklı plastik akıştan oluşmasına neden olur. Bu ultra-yüksek{-mukavemetli çelikler, örneğin maraging çelikleri, tipik olarak çok düşük tek biçimli uzamaya sahiptir (örneğin, ɛu ~ %5). Klasik ikinci faz güçlendirme mekanizması, malzemelerin akma mukavemetini etkili bir şekilde artırabilse de, güçlendirme seviyesi, alaşımdaki ikinci fazın düşük hacim oranıyla (genellikle < %50 hacim) sınırlanır ve bu da çekme plastisitesinde keskin bir düşüşe yol açar. Bu nedenle, hem akma mukavemeti σy ~ 2 GPa hem de tekdüze uzaması ɛu %10'dan önemli ölçüde yüksek olan alaşımların tasarlanması malzeme biliminde büyük bir zorluktur.
Yukarıdaki zorluklara yanıt olarak, Xi'an Jiaotong Üniversitesi Metal Malzeme Mukavemeti Ulusal Anahtar Laboratuvarı'ndan Profesör Zhang Jinyu, Profesör Ma En ve Akademisyen Sun Jun, önceki başarılarına dayanarak FCC açısından zengin demir kompleksi alaşım matrisini birleştirmek ve güçlendirmek için ultra-yüksek hacimli fraksiyonlu intermetalik bileşik çökeltilerinin, yani tutarlı L12 nano fazı ve tutarlı olmayan düşük modüllü sert plastik B2 mikro fazının kullanılmasını önerdi (Acta Mater, 2022, 233: 117981; Scripta Mater, 2023, 222: 115058). Oda sıcaklığında ultra-yüksek mukavemet ve büyük tekdüze çekme sünekliği elde etmek için, bu alaşımın tasarım konsepti şu şekildedir: i) yüksek inversiyon alanı sınır enerjisine sahip tutarlı L12 nano fazının yüksek hacimli fraksiyonuyla mukavemetini arttırmak ve ii) düşük modüllü tutarlı olmayan B2 mikro fazının yüksek hacimli fraksiyonunu eklemek; Bir yandan, tutarlı olmayan arayüzler, dislokasyon hareketini engellemede ve akma mukavemetini arttırmada uyumlu arayüzlere göre daha etkilidir. Öte yandan, birden fazla alaşım elementinin eklenmesi, B2'nin anti faz alanı sınırını azaltarak plastisitesini arttırır, bu parçacıkların dislokasyon depolama birimleri olarak hareket etmesine ve iş sertleştirme yeteneğini geliştirmesine olanak tanır.
Çok temel elementli alaşımların tasarım konsepti, karmaşık alaşımlar için çok büyük bir bileşimsel seçim alanıyla sonuçlanır; bu da, geleneksel "deneme yanılma" yöntemlerine dayanan yüksek-performanslı alaşımların tasarlanması için benzeri görülmemiş zorluklar doğurur. Bu amaçla ekip üyeleri, alan bilgisi destekli makine öğrenimi yöntemlerini kullanarak bileşen taraması gerçekleştirdi. En önemli Ta elementi (Ti elementi yerine) sinerjistik alaşımlaması, yüksek katı çözünürlüğe sahip hafif element Al ve L12 zıt faz alanı sınırları aracılığıyla elde edildi ve bunun sonucunda L12+B2 ikili çökeltme fazı güçlendirilmiş Fe35Ni29Co21Al12Ta3 (%at.) kompleks alaşımı elde edildi (Şekil 1). L12 nano fazının (Al, Ta bakımından zengin) ve B2 mikro fazının (Al açısından zengin, Ta bakımından fakir) hacim oranları sırasıyla hacimce ~%67 ve hacimce ~%15 kadar yüksekti. Hem tutarlı L12/FCC arayüzü hem de tutarlı olmayan B2/FCC arayüzü çıkıklarla güçlü bir şekilde etkileşime girebildi (Şekil 2). Sadece dislokasyonlar oluşturmakla kalmaz, aynı zamanda dislokasyonları da depolayabilir, özellikle düşük modüllü B2 mikron fazı (FCC+L12) ile karşılaştırılabilir. Matriste depolanan dislokasyonların daha yüksek yoğunluğu (Şekil 3), alaşımın işlenerek sertleştirme performansını önemli ölçüde artırır, böylece akma/gerilme mukavemetini ve çekme sünekliğini geliştirerek alaşımın oda sıcaklığında benzeri görülmemiş bir mukavemet plastisite kombinasyonu elde etmesini sağlayarak bugüne kadar rapor edilen tüm alaşımlardan önemli ölçüde daha iyi olur (Şekil 4). Ekibin önerdiği alaşım tasarım stratejisi aynı zamanda diğer yüksek performanslı alaşımların tasarımı için de yeni fikirler sağlıyor.
Şekil 1. (a) Alan bilgisine dayalı bir makine öğrenme modeli (altı aktif öğrenme döngüsünden oluşan), süper plastisiteye sahip FeNiCoAlTa kompleks alaşımını tahmin eder. (b) Teorik olarak tahmin edilen akma mukavemeti, deneysel olarak ölçülen akma mukavemeti ile tutarlıdır ve makine öğrenimi modelinin güvenilirliğini doğrular. (c) Deneysel olarak ölçülen akma dayanımı ile model yinelemelerinin sayısı arasındaki ilişki, Fe35Ni29Co21Al12Ta3 kompleks alaşımının optimal bileşimini ortaya koymaktadır.
Şekil 2. (a-d) Üç-fazlı yapıya sahip Fe35Ni29Co21Al12Ta3 kompleks alaşımının oda sıcaklığında deformasyonu ve arayüzey özellikleri, yani dislokasyonlar L12 nano fazını kesebilir ve düşük modüllü B2 mikro fazında depolanabilir. Hem L12/FCC uyumlu hem de B2/FCC uyumlu olmayan arayüzlerde dislokasyonlar mevcuttur; (e) Karmaşık alaşımların kimyasal bileşimi ve dağılım özelliklerinin yanı sıra çok temel L12 nano fazı ve B2 mikro fazının elementel bileşiminin atomik prob analizi.
Şekil 3. (a1-d1) ε=0, (a2-d2) ε=8% ve (a3-d3) ε=20% gerinimli Fe35Ni29Co21Al12Ta3 kompleks alaşımındaki her kurucu fazın dislokasyon yoğunluğunun gelişimi, düşük modüllü B2 mikron fazının (FCC+L12)'den daha yüksek dislokasyon yoğunluğunu depolayabildiğini gösterir. matris.
Şekil 4. (a-b) Farklı bileşimlere sahip karmaşık alaşımların mühendislik gerilimi-gerinim ve gerçek gerilim-gerinim eğrileri, (c) Fe35Ni29Co21Al12Ta3 kompleks alaşımının işlenerek sertleşme performansının diğer 2GPa sınıfı ultra-yüksek mukavemetli metal malzemelerle (D&P çeliği, martensitik çelik, orta yüksek entropili alaşımlar) karşılaştırılması ve (d, e) Fe35Ni29Co21Al12Ta3 kompleks alaşımının akma mukavemeti tek tip çekme uzaması eşleşmesi ve akma mukavemeti güçlü plastik ürün eşleşmesinin diğer metal malzemelerle karşılaştırılması. Oda sıcaklığındaki mekanik özelliklerin kombinasyonu, bildirilen diğer metal malzemelerden önemli ölçüde üstündür.
Araştırma bulguları çevrimiçi olarak Nature dergisinde "Yüksek mukavemetli sünek FeNiCoAlTa alaşımlarının makine öğrenimi tasarımı" başlığı altında yayınlandı. Xi'an Jiaotong Üniversitesi Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Okulu'ndan doktora öğrencileri Yasir Sohail ve Zhang Chongle, makalenin sırasıyla birinci ve ikinci yazarlarıdır. Profesörler Zhang Jinyu, Marx ve Akademisyen Sun Jun makalenin ortak yazarlarıdır. Çalışmaya Profesör Liu Gang, Xue Dezhen, Doçent Yang Yang ve doktora öğrencileri Zhang Dongdong, Gao Shaohua, Fan Xiaoxuan ve Zhang Hang de katıldı. Xi'an Jiaotong Üniversitesi'ndeki Ulusal Anahtar Metal Malzeme Mukavemeti Laboratuvarı, bu çalışma için tek iletişim ve tamamlama birimidir. Bu iş, Xi'an Jiaotong Üniversitesi Malzeme Bilimi Okulu'ndan yabancı öğrencilerin ilk yazar olarak bir Nature makalesi yayınladığı ilk seferdir. Bu çalışma Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı, 111 Yetenek Giriş Tabanı, Shaanxi Eyaleti Bilim ve Teknoloji İnovasyon Ekibi Projesi ve Merkezi Üniversite Temel Araştırma İşletme Fonu'ndan fon aldı. Karakterizasyon ve test çalışması, Xi'an Jiaotong Üniversitesi Analiz ve Test Ortak Merkezi, Malzeme Bilimi Okulu Deneysel Teknoloji Merkezi ve Şanghay Işık Kaynağı'ndan güçlü destek aldı.