【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】金屬材料的高屈服強(qiáng)度與拉伸塑性對(duì)于其工程應(yīng)用至關(guān)重要。目前僅少數(shù)超高強(qiáng)鋼的塊體屈服強(qiáng)度(σy)能夠達(dá)到2 GPa水平，但它們?cè)谒苄宰冃芜^程中缺乏足夠的加工硬化能力，導(dǎo)致其標(biāo)準(zhǔn)單軸拉伸試驗(yàn)中報(bào)道的均勻變形實(shí)際上是由局域變形帶引起的鋸齒塑性流變組成，并非真正的均勻延伸率(?u)。這些超高強(qiáng)鋼，例如馬氏體時(shí)效鋼的均勻延伸率通常很低(例如?u~5%)。盡管經(jīng)典的第二相強(qiáng)化機(jī)制能夠有效地提升材料的屈服強(qiáng)度，但強(qiáng)化水平受限于合金中較低的第二相體積分?jǐn)?shù)(常常<50 vol.%)，并造成拉伸塑性急劇降低。因此，如何設(shè)計(jì)兼具屈服強(qiáng)度σy~2 GPa和均勻延伸率?u明顯高于10%的合金，是材料科學(xué)領(lǐng)域面臨的重大挑戰(zhàn)。
 

　　針對(duì)上述挑戰(zhàn)，西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張金鈺教授、馬恩教授和孫軍院士在前期成果(Acta Mater, 2022, 233: 117981；Scripta Mater, 2023, 222: 115058)的基礎(chǔ)上，提出使用超高體積分?jǐn)?shù)的金屬間化合物析出相，即共格 L12納米相和非共格低模量硬質(zhì)塑性B2微米相，耦合強(qiáng)化FCC富鐵復(fù)雜合金基體。為了實(shí)現(xiàn)室溫超高強(qiáng)度-大均勻拉伸延性，該合金的設(shè)計(jì)思想是：i)以超高體積分?jǐn)?shù)的具有高反相疇界能的共格L12納米相并增加其強(qiáng)度，ii)引入高體積分?jǐn)?shù)的低模量非共格B2微米相；一方面非共格界面比共格界面更加有效地阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)以提高屈服強(qiáng)度，另一方面多種合金元素的引入降低B2的反相疇界能以增加其塑性，使這些顆粒作為位錯(cuò)存儲(chǔ)單元提高加工硬化能力。
 

　　多主元合金的設(shè)計(jì)理念導(dǎo)致復(fù)雜合金擁有巨大的成分選擇空間，這對(duì)基于傳統(tǒng)的“試錯(cuò)法”設(shè)計(jì)高性能合金帶來(lái)了前所未有的困難。為此，團(tuán)隊(duì)成員基于領(lǐng)域知識(shí)輔助的機(jī)器學(xué)習(xí)方法進(jìn)行了成分篩選，通過高固溶度的輕元素Al和L12相反相疇界能提升最顯著的元素Ta(而非元素Ti)協(xié)同合金化，獲得了L12+B2雙析出相強(qiáng)化Fe35Ni29Co21Al12Ta3(at.%)復(fù)雜合金(圖1)，其L12納米相(富Al、Ta)和B2微米相(富Al、貧Ta)的體積分?jǐn)?shù)分別高達(dá)~67 vol.%與~15 vol.%，共格L12/FCC界面和非共格B2/FCC界面均能夠與位錯(cuò)發(fā)生強(qiáng)烈的交互作用(圖2)，不僅能夠產(chǎn)生位錯(cuò)還能夠存貯位錯(cuò)，特別是低模量B2微米相能夠比(FCC+L12)基體存儲(chǔ)更高密度的位錯(cuò)(圖3)，顯著提升了合金的加工硬化性能，從而提高其屈服/抗拉強(qiáng)度與拉伸延性，使得合金在室溫下實(shí)現(xiàn)了前所未有的強(qiáng)度-塑性組合，明顯優(yōu)于迄今為止已報(bào)道的所有合金(圖4)。團(tuán)隊(duì)提出的合金設(shè)計(jì)策略也為其他高性能合金設(shè)計(jì)提供了新思路。
 

　　圖1. (a)基于領(lǐng)域知識(shí)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型(主動(dòng)學(xué)習(xí)循環(huán)由六個(gè)步驟組成)預(yù)測(cè)具有超強(qiáng)塑性的FeNiCoAlTa復(fù)雜合金，(b)理論預(yù)測(cè)屈服強(qiáng)度與實(shí)驗(yàn)測(cè)量屈服強(qiáng)度相符合，證實(shí)了機(jī)器學(xué)習(xí)模型的可靠性，(c)實(shí)驗(yàn)測(cè)量屈服強(qiáng)度與模型迭代次數(shù)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了最優(yōu)成分的Fe35Ni29Co21Al12Ta3復(fù)雜合金。

 

　　圖2. (a-d) 具有三相組織的Fe35Ni29Co21Al12Ta3復(fù)雜合金室溫變形與界面特征，即位錯(cuò)能夠切過L12納米相，并存儲(chǔ)于低模量的B2微米相，L12/FCC共格與B2/FCC非共格界面均存在位錯(cuò)；(e)原子探針分析復(fù)雜合金的化學(xué)成分與分布特征，以及多主元L12納米相和B2微米相的元素構(gòu)成。
 

　　圖3. Fe35Ni29Co21Al12Ta3復(fù)雜合金中各組成相的位錯(cuò)密度隨應(yīng)變量(a1-d1) ε=0、(a2-d2) ε=8%和(a3-d3) ε=20%的演化，表明低模量B2微米相能夠比(FCC+L12)基體存儲(chǔ)更高密度的位錯(cuò)。
 

　　圖4. (a-b)不同成分的復(fù)雜合金的工程應(yīng)力-應(yīng)變和真應(yīng)力-應(yīng)變曲線，(c) Fe35Ni29Co21Al12Ta3復(fù)雜合金的加工硬化性能與其他2GPa級(jí)超高強(qiáng)金屬材料(D&P鋼、馬氏體鋼、中高熵合金)對(duì)比，(d，e) Fe35Ni29Co21Al12Ta3復(fù)雜合金的屈服強(qiáng)度-均勻拉伸延伸率匹配和屈服強(qiáng)度-強(qiáng)塑積匹配與其他金屬材料對(duì)比，室溫力學(xué)性能組合明顯超越目前報(bào)道的其他金屬材料。
 

　　該研究成果以“Machine-learning design of ductile FeNiCoAlTa alloys with high strength”(“機(jī)器學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)具有高強(qiáng)度塑性的合金”)為題在線發(fā)表于《Nature》(《自然》)。西安交通大學(xué)材料學(xué)院博士生Yasir Sohail、張崇樂分別為該論文的第一、第二作者，張金鈺教授、馬恩教授和孫軍院士為論文共同通訊作者，參與該工作的還包括劉剛教授、薛德禎教授、楊洋副教授和博士生張東東、高少華、范曉軒和張航。西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室是該工作的唯一通訊單位和完成單位。該工作是西安交通大學(xué)材料學(xué)院外籍留學(xué)生首次以第一作者發(fā)表《Nature》文章。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、111引智基地、陜西省科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)等項(xiàng)目資助。表征及測(cè)試工作得到西安交通大學(xué)分析測(cè)試共享中心、材料學(xué)院實(shí)驗(yàn)技術(shù)中心和上海光源的大力支持。