L'elevato carico di snervamento e la plasticità alla trazione sono cruciali per le applicazioni ingegneristiche dei materiali metallici. Attualmente, solo pochi acciai ultra-altoresistenziali- raggiungono un limite di snervamento (σy) di 2 GPa. Tuttavia, mancano di una capacità di incrudimento sufficiente durante la deformazione plastica, con il risultato che la deformazione uniforme riportata nei test di trazione uniassiali standard è composta da un flusso plastico seghettato causato da bande di deformazione localizzate, piuttosto che da un vero allungamento uniforme (ɛu). Questi acciai ad altissima-alta-resistenza, come gli acciai Maraging, hanno tipicamente un allungamento uniforme molto basso (ad esempio, ɛu ~ 5%). Sebbene il classico meccanismo di rafforzamento della seconda fase- possa effettivamente migliorare la resistenza allo snervamento dei materiali, il livello di rafforzamento è limitato dalla bassa frazione di volume della seconda fase nella lega (spesso < 50 vol.%), che porta a una forte diminuzione della plasticità a trazione. Pertanto, progettare leghe con un carico di snervamento σy ~ 2 GPa e un allungamento uniforme ɛu significativamente superiore al 10% rappresenta una sfida importante nella scienza dei materiali.
In risposta alle sfide di cui sopra, il professor Zhang Jinyu, il professor Ma En e l'accademico Sun Jun del National Key Laboratory of Metal Material Strength presso l'Università di Xi'an Jiaotong hanno proposto l'uso di precipitati di composti intermetallici con frazioni di volume ultra-elevato, ovvero la nanofase L12 coerente e la microfase B2 di plastica dura a basso modulo non coerente, per accoppiare e rafforzare la matrice di lega complessa di ferro ricca di FCC sulla base dei risultati precedenti (Acta Mater, 2022, 233: 117981; Scripta Mater, 2023, 222: 115058). Per ottenere una resistenza ultra-elevata e una duttilità a trazione uniforme a temperatura ambiente, il concetto di progettazione di questa lega è: i) aumentare la sua resistenza con una frazione ad alto volume di nanofase L12 coerente con elevata energia al contorno del dominio di inversione e ii) introdurre una frazione ad alto volume di microfase B2 non coerente a basso modulo; Da un lato, le interfacce non coerenti sono più efficaci nell’ostacolare il movimento delle dislocazioni e nel migliorare la resistenza allo snervamento rispetto alle interfacce coerenti. D'altra parte, l'introduzione di più elementi di lega riduce il confine del dominio antifase di B2 per aumentarne la plasticità, consentendo a queste particelle di agire come unità di stoccaggio delle dislocazioni e migliorare la capacità di incrudimento.
Il concetto di progettazione delle leghe con elementi principali multipli comporta un enorme spazio di selezione compositiva per le leghe complesse, il che pone difficoltà senza precedenti per la progettazione di leghe ad alte-prestazioni basate sui tradizionali metodi di "prova ed errore". A tal fine, i membri del team hanno condotto uno screening dei componenti utilizzando metodi di apprendimento automatico assistito dalla conoscenza del dominio. La lega sinergica dell'elemento Ta (piuttosto che dell'elemento Ti) più significativa è stata ottenuta attraverso i confini opposti del dominio di fase Al e L12 dell'elemento leggero ad alta solubilità solida, risultando nella lega complessa Fe35Ni29Co21Al12Ta3 (at.%) a doppia precipitazione B2 (Figura 1). Le frazioni di volume della nanofase L12 (ricca di Al, Ta) e della microfase B2 (ricca di Al, povera di Ta) erano rispettivamente pari a ~67 vol.% e ~15 vol.%. Sia l'interfaccia coerente L12/FCC che l'interfaccia non coerente B2/FCC erano in grado di interagire fortemente con le dislocazioni (Figura 2). Non solo può generare dislocazioni, ma può anche immagazzinare dislocazioni, in particolare la fase B2 micron a basso modulo può essere paragonata a (FCC+L12). La maggiore densità di dislocazioni immagazzinate nella matrice (Figura 3) migliora significativamente le prestazioni di incrudimento della lega, migliorando così la sua resistenza allo snervamento/resistenza alla trazione e la duttilità alla trazione, consentendo alla lega di ottenere una combinazione di plasticità di resistenza senza precedenti a temperatura ambiente, significativamente migliore di tutte le leghe riportate fino ad oggi (Figura 4). La strategia di progettazione delle leghe proposta dal team fornisce anche nuove idee per la progettazione di altre-leghe ad alte prestazioni.
Figura 1. (a) Un modello di apprendimento automatico basato sulla conoscenza del dominio (costituito da sei cicli di apprendimento attivo) prevede la lega complessa FeNiCoAlTa con super plasticità. (b) La resistenza allo snervamento prevista teorica è coerente con la resistenza allo snervamento misurata sperimentalmente, confermando l'affidabilità del modello di apprendimento automatico. (c) La relazione tra il carico di snervamento misurato sperimentalmente e il numero di iterazioni del modello rivela la composizione ottimale della lega complessa Fe35Ni29Co21Al12Ta3.
Figura 2. (a-d) Deformazione a temperatura ambiente e caratteristiche dell'interfaccia della lega complessa Fe35Ni29Co21Al12Ta3 con struttura trifase, ovvero le dislocazioni possono tagliare la nanofase L12 e immagazzinarla nella microfase B2 a basso modulo. Esistono dislocazioni sia sull'interfaccia coerente L12/FCC che su quella non coerente B2/FCC; (e) Analisi con sonda atomica della composizione chimica e delle caratteristiche di distribuzione delle leghe complesse, nonché della composizione elementare della nanofase L12 multiprincipale e della microfase B2.
Figura 3. Evoluzione della densità di dislocazioni di ciascuna fase costituente nella lega complessa Fe35Ni29Co21Al12Ta3 con deformazione (a1-d1) ε=0, (a2-d2) ε=8% e (a3-d3) ε=20%, indicando che la fase a basso modulo B2 micron può immagazzinare una densità di dislocazioni maggiore rispetto alla (FCC+L12) matrice.
Figura 4. (a-b) Curve di sollecitazione-deformazione e sollecitazione reale-deformazione di leghe complesse con composizioni diverse, (c) Confronto delle prestazioni di incrudimento della lega complessa Fe35Ni29Co21Al12Ta3 con altri materiali metallici a resistenza ultra-di grado 2GPa (acciaio D&P, acciaio martensitico, leghe ad entropia medio-alta) e (d, e) Confronto del carico di snervamento, dell'allungamento a trazione uniforme e dell'abbinamento del prodotto plastico forte del carico di snervamento della lega complessa Fe35Ni29Co21Al12Ta3 con altri materiali metallici. La combinazione di proprietà meccaniche a temperatura ambiente è significativamente superiore a quella di altri materiali metallici riportati.
I risultati della ricerca sono stati pubblicati online su Nature con il titolo "Progettazione con apprendimento automatico di leghe duttili FeNiCoAlTa ad alta resistenza". Yasir Sohail e Zhang Chongle, dottorandi della Scuola di Scienza e Ingegneria dei Materiali dell'Università di Xi'an Jiaotong, sono rispettivamente il primo e il secondo autore dell'articolo. I professori Zhang Jinyu, Marx e l’accademico Sun Jun sono coautori corrispondenti dell’articolo. Hanno partecipato al lavoro anche i professori Liu Gang, Xue Dezhen, il professore associato Yang Yang e gli studenti di dottorato Zhang Dongdong, Gao Shaohua, Fan Xiaoxuan e Zhang Hang. Il Laboratorio Chiave Nazionale per la Resistenza dei Materiali Metallici presso l'Università di Xi'an Jiaotong è l'unica unità di comunicazione e completamento di questo lavoro. Questo lavoro è la prima volta che gli studenti stranieri della Scuola di Scienza dei Materiali dell'Università di Xi'an Jiaotong hanno pubblicato un articolo su Nature come primo autore. Questo lavoro ha ricevuto finanziamenti dalla National Natural Science Foundation of China, dalla 111 Talent Introduction Base, dal Shaanxi Provincial Science and Technology Innovation Team Project e dal Central University Basic Research Business Fund. Il lavoro di caratterizzazione e test ha ricevuto un forte sostegno dal Centro condiviso di analisi e test dell'Università di Xi'an Jiaotong, dal Centro di tecnologia sperimentale della Scuola di scienza dei materiali e da Shanghai Light Source.