Eine hohe Streckgrenze und Zugplastizität sind für die technischen Anwendungen metallischer Werkstoffe von entscheidender Bedeutung. Derzeit erreichen nur wenige ultra-hochfeste-Stähle eine Streckgrenze (σy) von 2 GPa. Allerdings mangelt es ihnen an ausreichender Kaltverfestigungskapazität während der plastischen Verformung, was dazu führt, dass die in standardmäßigen einachsigen Zugversuchen gemeldete gleichmäßige Verformung aus einem gezackten plastischen Fluss besteht, der durch lokalisierte Verformungsbänder verursacht wird, und nicht aus einer echten gleichmäßigen Dehnung (ɛu). Diese ultra-hochfesten Stähle, wie z. B. Maraging-Stähle, weisen typischerweise eine sehr geringe gleichmäßige Dehnung auf (z. B. ɛu ~ 5 %). Obwohl der klassische Verstärkungsmechanismus der zweiten -Phase die Streckgrenze von Materialien effektiv verbessern kann, wird der Verstärkungsgrad durch den geringen Volumenanteil der zweiten Phase in der Legierung (oft < 50 Vol.-%) begrenzt, was zu einem starken Rückgang der Zugplastizität führt. Daher ist die Entwicklung von Legierungen mit einer Streckgrenze σy ~ 2 GPa und einer gleichmäßigen Dehnung ɛu deutlich höher als 10 % eine große Herausforderung in der Materialwissenschaft.
Als Reaktion auf die oben genannten Herausforderungen schlugen Professor Zhang Jinyu, Professor Ma En und Akademiker Sun Jun vom National Key Laboratory of Metal Material Strength an der Xi'an Jiaotong University die Verwendung von Ausscheidungen intermetallischer Verbindungen mit ultrahohem Volumenanteil vor, nämlich der kohärenten L12-Nanophase und der nichtkohärenten Hartplastik-B2-Mikrophase mit niedrigem Modul, um die FCC-reiche Eisenkomplexlegierungsmatrix zu koppeln und zu stärken, basierend auf ihren früheren Erfolgen (Acta Mater, 2022, 233: 117981; Scripta Mater, 2023, 222: 115058). Um eine ultrahohe Festigkeit und eine große gleichmäßige Zugduktilität bei Raumtemperatur zu erreichen, besteht das Designkonzept dieser Legierung darin: i) ihre Festigkeit durch einen hohen Volumenanteil einer kohärenten L12-Nanophase mit hoher Grenzenergie der Inversionsdomäne zu erhöhen und ii) einen hohen Volumenanteil einer nicht kohärenten B2-Mikrophase mit niedrigem Modul einzuführen; Einerseits sind inkohärente Grenzflächen bei der Behinderung der Versetzungsbewegung und der Verbesserung der Streckgrenze wirksamer als kohärente Grenzflächen. Andererseits verringert die Einführung mehrerer Legierungselemente die Antiphasendomänengrenze von B2, um seine Plastizität zu erhöhen, sodass diese Partikel als Versetzungsspeichereinheiten fungieren und die Kaltverfestigungsfähigkeit verbessern können.
Das Designkonzept von Legierungen mit mehreren Hauptelementen führt zu einem riesigen Auswahlspielraum für die Zusammensetzung komplexer Legierungen, was beispiellose Schwierigkeiten bei der Entwicklung von Hochleistungslegierungen auf der Grundlage traditioneller „Versuch-und-Irrtum“-Methoden mit sich bringt. Zu diesem Zweck führten die Teammitglieder ein Komponentenscreening mithilfe domänenwissensgestützter Methoden des maschinellen Lernens durch. Die bedeutsamste synergistische Legierung des Elements Ta (anstelle des Elements Ti) wurde durch das hochfeststofflösliche leichte Element Al und die entgegengesetzten Phasendomänengrenzen von L12 erreicht, was zu der L12+B2-Komplexlegierung mit doppelter Ausfällungsphase, verstärktem Fe35Ni29Co21Al12Ta3 (At.-%) (At.-%), führte (Abbildung 1). Die Volumenanteile der L12-Nanophase (reich an Al, Ta) und der B2-Mikrophase (reich an Al, arm an Ta) betrugen bis zu ~67 Vol.-% bzw. ~15 Vol.-%. Sowohl die kohärente L12/FCC-Schnittstelle als auch die nicht kohärente B2/FCC-Schnittstelle konnten stark mit Versetzungen interagieren (Abbildung 2). Es kann nicht nur Versetzungen erzeugen, sondern auch Versetzungen speichern, insbesondere die B2-Mikron-Phase mit niedrigem Modul kann mit (FCC+L12) verglichen werden. Die höhere Dichte der in der Matrix gespeicherten Versetzungen (Abbildung 3) verbessert die Kaltverfestigungsleistung der Legierung erheblich und verbessert dadurch ihre Streckgrenze/Zugfestigkeit und Zugduktilität, sodass die Legierung bei Raumtemperatur eine beispiellose Festigkeits-Plastizitätskombination erreichen kann, die deutlich besser ist als alle bisher berichteten Legierungen (Abbildung 4). Die vom Team vorgeschlagene Legierungsdesignstrategie liefert auch neue Ideen für das Design anderer Hochleistungslegierungen.
Abbildung 1. (a) Ein domänenwissensbasiertes maschinelles Lernmodell (bestehend aus sechs aktiven Lernzyklen) sagt die komplexe Legierung FeNiCoAlTa mit Superplastizität voraus. (b) Die theoretisch vorhergesagte Streckgrenze stimmt mit der experimentell gemessenen Streckgrenze überein, was die Zuverlässigkeit des maschinellen Lernmodells bestätigt. (c) Die Beziehung zwischen der experimentell gemessenen Streckgrenze und der Anzahl der Modelliterationen zeigt die optimale Zusammensetzung der komplexen Legierung Fe35Ni29Co21Al12Ta3.
Abbildung 2. (a-d) Raumtemperaturverformung und Grenzflächeneigenschaften der komplexen Fe35Ni29Co21Al12Ta3-Legierung mit drei-Phasenstruktur, dh Versetzungen können die L12-Nanophase durchschneiden und in der B2-Mikrophase mit niedrigem Modul speichern. Versetzungen gibt es sowohl an kohärenten L12/FCC-Schnittstellen als auch an nichtkohärenten B2/FCC-Schnittstellen; (e) Atomsondenanalyse der chemischen Zusammensetzung und Verteilungseigenschaften komplexer Legierungen sowie der Elementzusammensetzung der Multi-Haupt-L12-Nanophase und B2-Mikrophase.
Abbildung 3. Entwicklung der Versetzungsdichte jeder einzelnen Phase in der komplexen Legierung Fe35Ni29Co21Al12Ta3 mit der Dehnung (a1-d1) ε=0, (a2-d2) ε=8 % und (a3-d3) ε=20 %, was darauf hinweist, dass die B2-Mikrometerphase mit niedrigem Modul eine höhere Versetzungsdichte speichern kann als die (FCC+L12)-Matrix.
Abbildung 4. (a-b) Technische Spannungs-Dehnungs- und tatsächliche Spannungs-Dehnungskurven komplexer Legierungen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen, (c) Vergleich der Kaltverfestigungsleistung der Fe35Ni29Co21Al12Ta3-Komplexlegierung mit anderen ultrahochfesten Metallmaterialien der Güteklasse 2GPa (D&P-Stahl, martensitischer Stahl, Legierungen mit mittlerer hoher Entropie) und (d, e) Vergleich von Streckgrenze, gleichmäßige Zugdehnungsanpassung und Streckgrenze, starke Kunststoffproduktanpassung der komplexen Legierung Fe35Ni29Co21Al12Ta3 mit anderen Metallmaterialien. Die Kombination mechanischer Eigenschaften bei Raumtemperatur ist anderen berichteten Metallmaterialien deutlich überlegen.
Die Forschungsergebnisse wurden online in Nature unter dem Titel „Machine learning design of ductile FeNiCoAlTa Alloys with high Strength“ veröffentlicht. Yasir Sohail und Zhang Chongle, Doktoranden der School of Materials Science and Engineering der Xi'an Jiaotong University, sind die Erst- bzw. Zweitautoren der Arbeit. Die Professoren Zhang Jinyu, Marx und Akademiker Sun Jun sind Mitautoren des Papiers. An der Arbeit waren auch die Professoren Liu Gang, Xue Dezhen, der außerordentliche Professor Yang Yang und die Doktoranden Zhang Dongdong, Gao Shaohua, Fan Xiaoxuan und Zhang Hang beteiligt. Das National Key Laboratory of Metal Material Strength an der Xi'an Jiaotong University ist die einzige Kommunikations- und Abschlusseinheit für diese Arbeit. Dieser Job ist das erste Mal, dass ausländische Studenten der School of Materials Science der Xi'an Jiaotong University als Erstautor einen Nature-Artikel veröffentlicht haben. Diese Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China, der 111 Talent Introduction Base, dem Shaanxi Provincial Science and Technology Innovation Team Project und dem Central University Basic Research Business Fund gefördert. Die Charakterisierungs- und Testarbeiten wurden stark vom Analysis and Testing Shared Center der Xi'an Jiaotong University, dem Experimental Technology Center der School of Materials Science und Shanghai Light Source unterstützt.