انتشارات طبیعت! دانشگاه شیان جیائوتنگ رکورد جدیدی را برای ترکیب استحکام تسلیم و انعطاف پذیری کششی ایجاد کرده است.

استحکام تسلیم بالا و انعطاف پذیری کششی برای کاربردهای مهندسی مواد فلزی بسیار مهم است. در حال حاضر، تنها چند فولاد-با استحکام بالا{2}}به استحکام تسلیم حجیم (σy) 2 GPa دست می‌یابند. با این حال، آنها فاقد ظرفیت سخت کاری کافی در طول تغییر شکل پلاستیک هستند، که منجر به تغییر شکل یکنواخت گزارش شده در آزمایش‌های کششی استاندارد تک محوری می‌شود که از جریان پلاستیک دندانه‌دار ناشی از نوارهای تغییر شکل موضعی تشکیل شده است، نه ازدیاد طول یکنواخت واقعی (ɛu). این فولادهای بسیار{6}}استحکام{{7}، مانند فولادهای ماراژینگ، معمولاً دارای کشیدگی یکنواخت بسیار کم (مثلاً ɛu ~ 5%) هستند. اگرچه مکانیسم کلاسیک تقویت{12}فاز دوم می‌تواند به طور موثر استحکام تسلیم مواد را بهبود بخشد، سطح استحکام بخشی با کسر حجمی کم فاز دوم در آلیاژ (اغلب <50 حجم) محدود می‌شود که منجر به کاهش شدید انعطاف پذیری کششی می‌شود. بنابراین، طراحی آلیاژهایی با هر دو قدرت تسلیم σy ~ 2 GPa و طول یکنواخت ɛu به طور قابل توجهی بالاتر از 10٪ یک چالش بزرگ در علم مواد است.

در پاسخ به چالش‌های فوق، پروفسور ژانگ جینیو، پروفسور ما ان و آکادمیسین سان جون از آزمایشگاه کلید ملی استحکام مواد فلزی در دانشگاه شیان جیائوتنگ، استفاده از رسوب‌های ترکیبی بین فلزی با کسر حجم بالا را پیشنهاد کردند، یعنی فاز L12 نانومدول منسجم و فاز ریز پلاستیکی غیرغنی F را تقویت می‌کنند. ماتریس آلیاژ پیچیده آهن بر اساس دستاوردهای قبلی آنها (Acta Mater، 2022، 233: 117981؛ Scripta Mater، 2023، 222: 115058). به منظور دستیابی به استحکام فوق{10}بالا و انعطاف پذیری کششی یکنواخت بزرگ در دمای اتاق، مفهوم طراحی این آلیاژ عبارت است از: i) افزایش استحکام آن با کسر حجمی بالا از فاز نانو همدوس L12 با انرژی مرزی دامنه وارونگی بالا، و ب) معرفی کسر حجمی بالا از فاز میکرو ناهمدوس B2 با مدول کم؛ از یک طرف، رابط های غیر منسجم در جلوگیری از حرکت نابجایی و بهبود استحکام تسلیم موثرتر از رابط های منسجم هستند. از سوی دیگر، معرفی عناصر آلیاژی متعدد، مرز دامنه ضد فاز B2 را کاهش می‌دهد تا انعطاف‌پذیری آن را افزایش دهد، و به این ذرات اجازه می‌دهد تا به عنوان واحدهای ذخیره‌سازی جابجایی عمل کرده و توانایی سخت شدن کار را بهبود بخشند.

مفهوم طراحی آلیاژهای چند عنصر اصلی منجر به فضای انتخاب ترکیبی عظیمی برای آلیاژهای پیچیده می‌شود که مشکلات بی‌سابقه‌ای برای طراحی آلیاژهای{0}}با عملکرد بالا بر اساس روش‌های سنتی «آزمایش و خطا» ایجاد می‌کند. برای این منظور، اعضای تیم غربالگری مؤلفه را با استفاده از روش‌های یادگیری ماشین به کمک دانش دامنه انجام دادند. مهم ترین عنصر Ta (به جای عنصر Ti) آلیاژی هم افزایی از طریق عنصر سبک با حلالیت جامد بالا Al و L12 مرزهای حوزه فاز مخالف به دست آمد، که در نتیجه فاز بارش دوگانه L{4}B2 تقویت شده Fe35Ni29Co21Al12Ta3 (در درصد) آلیاژ پیچیده (شکل 1). کسر حجمی فاز نانو L12 (غنی از Al، Ta) و فاز میکرو B2 (غنی از Al، ضعیف در Ta) به ترتیب به 67% حجمی و ~15% حجمی رسید. هر دو رابط منسجم L12/FCC و رابط غیر منسجم B2/FCC قادر به تعامل قوی با نابجایی بودند (شکل 2). نه تنها می‌تواند نابجایی ایجاد کند، بلکه می‌تواند نابجایی‌ها را نیز ذخیره کند، به خصوص فاز میکرونی B2 با مدول پایین را می‌توان با (FCC+L12) مقایسه کرد. ترکیب در دمای اتاق، به طور قابل توجهی بهتر از همه آلیاژهای گزارش شده تا به امروز (شکل 4). استراتژی طراحی آلیاژ پیشنهاد شده توسط تیم همچنین ایده‌های جدیدی را برای طراحی سایر آلیاژهای{31} با کارایی بالا ارائه می‌کند.

شکل 1. (الف) یک مدل یادگیری ماشین مبتنی بر دانش (شامل شش چرخه یادگیری فعال) آلیاژ پیچیده FeNiCoAlTa را با انعطاف پذیری فوق العاده پیش بینی می کند. (ب) قدرت تسلیم پیش‌بینی‌شده نظری با قدرت تسلیم اندازه‌گیری‌شده تجربی مطابقت دارد و قابلیت اطمینان مدل یادگیری ماشین را تأیید می‌کند. (ج) رابطه بین قدرت تسلیم اندازه‌گیری شده تجربی و تعداد تکرارهای مدل، ترکیب بهینه آلیاژ کمپلکس Fe35Ni29Co21Al12Ta3 را نشان می‌دهد.

شکل 2. (الف{1}}د) تغییر شکل دمای اتاق و ویژگی‌های رابط آلیاژ کمپلکس Fe35Ni29Co21Al12Ta3 با ساختار سه فاز، یعنی نابجایی‌ها می‌توانند فاز نانو L12 را قطع کرده و در فاز میکرو B2 مدول پایین ذخیره کنند. نابجایی در هر دو رابط منسجم L12/FCC و رابط غیر منسجم B2/FCC وجود دارد. (ه) تجزیه و تحلیل کاوشگر اتمی ترکیب شیمیایی و ویژگی های توزیع آلیاژهای پیچیده، و همچنین ترکیب عنصری فاز نانو فاز L12 و میکرو فاز B2.

شکل 3. تکامل چگالی نابجایی هر فاز سازنده در آلیاژ کمپلکس Fe35Ni29Co21Al12Ta3 با کرنش (a1-d1) ε=0، (a2-d2) ε=8%، و (a3-d3) ε{14}}، نابجایی فازی پایین تر، نشان دهنده ریزموقعیت های B2. نسبت به ماتریس (FCC+L12).

شکل 4. (الف{1}}ب) تنش مهندسی-کرنش و تنش واقعی-منحنی‌های کرنش آلیاژهای پیچیده با ترکیب‌های مختلف، (ج) مقایسه عملکرد سخت‌کاری آلیاژ پیچیده Fe35Ni29Co21Al12Ta3 با سایر فولادهای با درجه 2GPa با درجه 2GPa فولاد فوق‌العاده، استحکام D martensigh آلیاژهای آنتروپی)، و (د، ه) مقایسه استحکام تسلیم تطبیق کششی یکنواخت و استحکام تسلیم تطبیق محصول پلاستیکی قوی آلیاژ پیچیده Fe35Ni29Co21Al12Ta3 با سایر مواد فلزی. ترکیبی از خواص مکانیکی در دمای اتاق به طور قابل توجهی برتر از سایر مواد فلزی گزارش شده است.
 

یافته های این تحقیق به صورت آنلاین در Nature تحت عنوان «طراحی یادگیری ماشین آلیاژهای انعطاف پذیر FeNiCoAlTa با استحکام بالا» منتشر شد. یاسر سهیل و ژانگ چونگل، دانشجویان دکترا از دانشکده علوم و مهندسی مواد در دانشگاه شیان جیائوتنگ، به ترتیب اولین و دومین نویسنده مقاله هستند. پروفسور ژانگ جینیو، مارکس و آکادمیسین سان جون نویسندگان متناظر مقاله هستند. پروفسورهای لیو گانگ، ژو دژن، دانشیار یانگ یانگ و دانشجویان دکتری ژانگ دونگ دونگ، گائو شائوهوا، فن شیائوکسوان و ژانگ هانگ نیز در این کار شرکت کردند. آزمایشگاه ملی کلید مقاومت مواد فلزی در دانشگاه شیان جیائوتنگ تنها واحد ارتباط و تکمیل این کار است. این شغل برای اولین بار است که دانشجویان خارجی دانشکده علوم مواد در دانشگاه شیان جیائوتنگ، مقاله ای از طبیعت را به عنوان اولین نویسنده منتشر می کنند. این کار از بنیاد ملی علوم طبیعی چین، پایگاه معرفی استعدادهای ۱۱۱، پروژه تیم نوآوری علم و فناوری استانی شانشی، و صندوق کسب و کار تحقیقات پایه دانشگاه مرکزی دریافت کرده است. کار توصیف و آزمایش از مرکز مشترک تجزیه و تحلیل و آزمایش دانشگاه شیان جیائوتنگ، مرکز فناوری تجربی دانشکده علوم مواد و منبع نور شانگهای پشتیبانی قوی دریافت کرده است.