Suur voolavuspiir ja tõmbeplastilisus on metallmaterjalide insenerirakenduste jaoks üliolulised. Praegu saavutavad vaid vähesed üli-kõrge-tugevad terased voolavuspiiri (σy) 2 GPa. Kuid neil puudub plastilise deformatsiooni ajal piisav töökõvenemisvõime, mille tulemuseks on standardsetes üheteljelistes tõmbekatsetes teatatud ühtlane deformatsioon, mis koosneb lokaalsete deformatsiooniribade põhjustatud sakilise plastivoolust, mitte tõelisest ühtlasest pikenemisest (ɛu). Nendel ülitugevatel-terastel, nagu martensiitterased, on tavaliselt väga väike ühtlane pikenemine (nt ɛu ~ 5%). Kuigi klassikaline teise -faasi tugevdusmehhanism võib tõhusalt parandada materjalide voolavuspiiri, piirab tugevdamise taset sulami teise faasi väike mahuosa (sageli < 50 mahuprotsenti), mis viib tõmbeplastilisuse järsu vähenemiseni. Seetõttu on materjaliteaduses suureks väljakutseks sulamite projekteerimine nii voolavuspiiriga σy ~ 2 GPa kui ka ühtlase pikenemisega ɛu, mis on oluliselt suurem kui 10%.
Vastuseks ülaltoodud väljakutsetele tegid professor Zhang Jinyu, professor Ma En ja akadeemik Sun Jun Xi'an Jiaotongi ülikooli metallimaterjalide tugevuse riiklikust võtmelaboratooriumist ettepaneku kasutada ultra-suure fraktsiooniga metallidevahelisi liitsademeid, nimelt koherentset L12 nanokompleksi nanofaasi ja mittekoherentset B2-mikromoodulit tugevdavat plastmassi ja B2-madala mooduli sidumist. sulamimaatriks nende varasemate saavutuste põhjal (Acta Mater, 2022, 233: 117981; Scripta Mater, 2023, 222: 115058). Toatemperatuuril ülikõrge tugevuse ja suure ühtlase tõmbetugevuse saavutamiseks on selle sulami konstruktsioonikontseptsioon järgmine: i) suurendada selle tugevust koherentse L12 nanofaasi suure mahuosaga, millel on kõrge inversioonipiirkonna piirenergia, ja ii) lisada väikese mooduliga mittekoherentse B2 mikrofaasi suure mahuosa; Ühest küljest on mittekoherentsed liidesed tõhusamad dislokatsiooni liikumise takistamisel ja voolavuspiiri parandamisel kui koherentsed liidesed. Teisest küljest vähendab mitme legeeriva elemendi kasutuselevõtt B2 faasivastase domeeni piiri, et suurendada selle plastilisust, võimaldades neil osakestel toimida dislokatsiooni säilitamise üksustena ja parandada töö kõvenemisvõimet.
Mitme põhielemendiga sulamite disainikontseptsioon toob kaasa tohutu valikuruumi keeruliste sulamite jaoks, mis tekitab traditsioonilistel katse-eksituse meetodil põhinevate suure jõudlusega -sulamite kujundamisel enneolematuid raskusi. Selleks viisid meeskonnaliikmed läbi komponentide sõelumise, kasutades domeeniteadmiste abil toetatud masinõppe meetodeid. Kõige olulisem elemendi Ta (mitte elemendi Ti) sünergiline legeerimine saavutati suure tahke lahustuvusega kerge elemendi Al ja L12 vastasfaasidomeeni piiride kaudu, mille tulemuseks oli L12+B2 kahesadestamisfaasis tugevdatud Fe35Ni29Co21Al12Ta3 (at.%) komplekssulam (joonis 1). L12 nanofaasi (rikas Al, Ta) ja B2 mikrofaasi (rikas Al, vaene Ta) mahuosa oli vastavalt ~67 mahuprotsenti ja ~15 mahuprotsenti. Nii koherentne L12 / FCC liides kui ka mittekoherentne B2 / FCC liides suutsid nihestustega tugevalt suhelda (joonis 2). See mitte ainult ei saa tekitada nihestumisi, vaid võib ka salvestada nihkeid, eriti madala mooduliga B2 mikroni faasi saab võrrelda (FCC+L12). Maatriksis salvestatud dislokatsioonide suurem tihedus (joonis 3) suurendab oluliselt sulami töökõvenemist, parandades seeläbi selle voolavus-/tõmbetugevust ja tõmbetugevuse kombinatsiooni, mis võimaldab saavutada ebatäpsust, plastilisust ja elastsust. temperatuur, oluliselt parem kui kõik seni teatatud sulamid (joonis 4). Meeskonna pakutud sulamite disainistrateegia pakub uusi ideid ka muude suure jõudlusega sulamite{31}}kujunduseks.
Joonis 1. (a) Domeeni teadmistepõhine masinõppemudel (koosneb kuuest aktiivsest õppetsüklist) ennustab FeNiCoAlTa komplekssulamit üliplastsusega. (b) Teoreetiline prognoositav voolavuspiir on kooskõlas eksperimentaalselt mõõdetud voolavuspiiriga, mis kinnitab masinõppemudeli usaldusväärsust. ( c ) Seos eksperimentaalselt mõõdetud voolavuspiiri ja mudeli iteratsioonide arvu vahel näitab Fe35Ni29Co21Al12Ta3 komplekssulami optimaalset koostist.
Joonis 2. (a-d) Kolme-faasilise struktuuriga komplekssulami Fe35Ni29Co21Al12Ta3 ruumitemperatuuri deformatsioon ja liidese omadused, st dislokatsioonid võivad läbi lõigata L12 nanofaasi ja säilitada madala mooduliga B2 mikrofaasis. Dislokatsioonid esinevad nii L12/FCC koherentsetes kui ka B2/FCC mittekoherentsetes liidestes; e) keeruliste sulamite keemilise koostise ja jaotusomaduste, samuti mitme peamise L12 nanofaasi ja B2 mikrofaasi elementaarse koostise aatomisondide analüüs.
Joonis 3. Iga koostisosa faasi dislokatsioonitiheduse areng Fe35Ni29Co21Al12Ta3 komplekssulamis koos tüvega (a1-d1) ε=0, (a2-d2) ε=8% ja (a3-d3) ε%, mis näitab B2-madalat moodulit, mis salvestab kõrgemat mikrotihedust. dislokatsioonid kui (FCC+L12) maatriks.
Joonis 4. (a-b) Erineva koostisega keeruliste sulamite tehnilised pinge-deformatsioonid ja tegelik pinge-deformatsioonikõverad, (c) Fe35Ni29Co21Al12Ta3 komplekssulami töökõvastumise võrdlus teiste 2GPa klassi üli{{10}D ülikõrge ja keskmise tugevusega teras, martropteras sulamid) ja (d, e) Fe35Ni29Co21Al12Ta3 komplekssulami voolavuspiiri ühtlase tõmbepikenemise sobitamise ja voolavuspiiri tugeva plasttoote sobitamise võrdlus teiste metallmaterjalidega. Mehaaniliste omaduste kombinatsioon toatemperatuuril on teistest teatatud metallmaterjalidest oluliselt parem.
Uurimistulemused avaldati veebis ajakirjas Nature pealkirja all "Suure tugevusega plastiliste FeNiCoAlTa sulamite masinõppe disain". Xi'an Jiaotongi ülikooli materjaliteaduse ja tehnika kooli doktorandid Yasir Sohail ja Zhang Chongle on artikli esimene ja teine autorid. Professorid Zhang Jinyu, Marx ja akadeemik Sun Jun on artikli kaasautorid. Töös osalesid ka professorid Liu Gang, Xue Dezhen, dotsent Yang Yang ning doktorandid Zhang Dongdong, Gao Shaohua, Fan Xiaoxuan ja Zhang Hang. Xi'an Jiaotongi ülikooli metallimaterjalide tugevuse võtmelabor on selle töö ainus suhtlus- ja lõpetamisüksus. See töö on esimene kord, kui Xi'an Jiaotongi ülikooli materjaliteaduste kooli välistudengid avaldasid esimese autorina loodusartikli. Seda tööd on rahastanud Hiina riiklik loodusteaduste sihtasutus, 111 talentide tutvustamise baas, Shaanxi provintsi teaduse ja tehnoloogia innovatsioonimeeskonna projekt ja Keskülikooli põhiuuringute ärifond. Iseloomustus- ja testimistööd on tugevalt toetanud Xi'an Jiaotongi ülikooli analüüsi- ja testimiskeskus, materjaliteaduste kooli eksperimentaaltehnoloogia keskus ja Shanghai valgusallikas.