חוזק תפוקה גבוה וגמישות מתיחה הם חיוניים ליישומים הנדסיים של חומרים מתכתיים. נכון לעכשיו, רק כמה פלדות אולטרה-גבוהות- משיגות חוזק תפוקה בתפזורת (σy) של 2 GPa. עם זאת, אין להם יכולת התקשות עבודה מספקת במהלך דפורמציה פלסטית, וכתוצאה מכך העיוות האחיד המדווח במבחני מתיחה חד-ציריים סטנדרטיים מורכב מזרימה פלסטית משוננת הנגרמת על ידי פסי דפורמציה מקומיים, במקום התארכות אחידה אמיתית (ɛu). לפלדות אלו בעלות חוזק אולטרה-גבוה-, כגון פלדות מריג'ינג, יש בדרך כלל התארכות אחידה נמוכה מאוד (למשל, ɛu ~ 5%). למרות שמנגנון חיזוק השלב השני הקלאסי יכול לשפר ביעילות את חוזק התפוקה של חומרים, רמת החיזוק מוגבלת על ידי חלק הנפח הנמוך של השלב השני בסגסוגת (לעתים קרובות < 50 כרך%), מה שמוביל לירידה חדה בפלסטיות המתיחה. לכן, עיצוב סגסוגות בעלות חוזק תפוקה σy ~ 2 GPa והתארכות אחידה ɛu גבוהה משמעותית מ-10% הוא אתגר מרכזי במדעי החומרים.
בתגובה לאתגרים שלעיל, פרופסור ג'אנג ג'יניו, פרופסור מא אן והאקדמיה סאן ג'ון ממעבדת המפתח הלאומית לחוזק חומרי מתכת באוניברסיטת שיאן ג'יאוטונג הציעו שימוש במשקעים של תרכובת בין-מתכתית בנפח גבוה במיוחד, כלומר שלב ננו L12 קוהרנטי ושלב בלתי קוהרנטי של חוזק פלסטיק קשיח B2 וחוזק נמוך של ברזל B2 ו-FCC. מטריצה המבוססת על הישגיהם הקודמים (Acta Mater, 2022, 233: 117981; Scripta Mater, 2023, 222: 115058). על מנת להשיג חוזק גבוה במיוחד וגמישות מתיחה אחידה גדולה בטמפרטורת החדר, תפיסת התכנון של סגסוגת זו היא: i) להגדיל את החוזק שלה עם חלק נפח גבוה של שלב ננו L12 קוהרנטי עם אנרגיית גבול תחום היפוך גבוהה, ו-ii) להכניס חלק גדול של נפח גבוה של מיקרו פאזה B2 לא קוהרנטית עם מודול נמוך; מצד אחד, ממשקים לא קוהרנטיים יעילים יותר במניעת תנועת נקע ושיפור חוזק התפוקה מאשר ממשקים קוהרנטיים. מצד שני, הכנסת מספר אלמנטים סגסוגים מפחיתה את גבול תחום האנטי פאזה של B2 כדי להגביר את הפלסטיות שלו, מה שמאפשר לחלקיקים אלה לפעול כיחידות אחסון של נקע ולשפר את יכולת הקשחת העבודה.
תפיסת העיצוב של סגסוגות מרובות אלמנטים מביאה למרחב בחירה קומפוזיציוני עצום עבור סגסוגות מורכבות, מה שמציב קשיים חסרי תקדים לתכנון סגסוגות עם ביצועים גבוהים- המבוססים על שיטות "ניסוי וטעייה" מסורתיות. לשם כך, חברי הצוות ערכו סינון רכיבים תוך שימוש בשיטות למידת מכונה בעזרת ידע בתחום. הסגסוגת הסינרגטית המשמעותית ביותר של יסוד Ta (ולא יסוד Ti) הושגה באמצעות מסיסות מוצקה גבוהה של אלמנט קל Al ו-L12 מול גבולות תחום הפאזה, וכתוצאה מכך שלב המשקעים הכפול L12+B2 חיזק את Fe35Ni29Co21Al12Ta3 (ב-%) סגסוגת מורכבת 1 (איור). חלקי הנפח של L12 ננו פאזה (עשיר ב-Al, Ta) ו-B2 מיקרו פאזה (עשיר באל, עני ב-Ta) היו גבוהים עד ~67 נפח% ו~15 נפח%, בהתאמה. גם ממשק L12/FCC הקוהרנטי וגם ממשק B2/FCC הלא קוהרנטי הצליחו ליצור אינטראקציה חזקה עם נקעים (איור 2). לא רק שהוא יכול ליצור נקעים, אלא שהוא יכול גם לאחסן נקעים, במיוחד ניתן להשוות את שלב המודולוס הנמוך B2 מיקרון ל- (FCC+L12) הצפיפות הגבוהה יותר של נקעים המאוחסנים במטריצה (איור 3) משפרת באופן משמעותי את ביצועי הקשחת העבודה של הסגסוגת, ובכך משפרת את התפוקה/המתיחה והחוזק הבלתי-מתוח שלה להשגת חוזק מתיחה ובלתי מתיחה. שילוב פלסטיות בטמפרטורת החדר, טוב משמעותית מכל הסגסוגות שדווחו עד כה (איור 4). אסטרטגיית עיצוב הסגסוגות שהציע הצוות מספקת גם רעיונות חדשים לעיצוב של סגסוגות אחרות עם ביצועים גבוהים.{31}
איור 1. (א) מודל למידת מכונה מבוסס ידע בתחום (המורכב משישה מחזורי למידה פעילים) מנבא את הסגסוגת המורכבת FeNiCoAlTa עם סופר פלסטיות. (ב) חוזק התפוקה החזוי התיאורטי תואם את חוזק התפוקה שנמדד בניסוי, ומאשר את המהימנות של מודל למידת המכונה. (ג) הקשר בין חוזק התפוקה שנמדד בניסוי לבין מספר איטרציות המודל חושף את ההרכב האופטימלי של סגסוגת מורכבת Fe35Ni29Co21Al12Ta3.
איור 2. (א-ד) דפורמציה של טמפרטורת החדר ומאפייני ממשק של סגסוגת מורכבת Fe35Ni29Co21Al12Ta3 עם מבנה תלת-פאזי, כלומר נקעים יכולים לחתוך דרך ננו פאזה L12 ולאחסן במיקרו פאזה B2 עם מודול נמוך. נקעים קיימים הן בממשקי L12/FCC קוהרנטיים והן בממשקי B2/FCC לא קוהרנטיים; (ה) ניתוח בדיקה אטומית של ההרכב הכימי ומאפייני ההפצה של סגסוגות מורכבות, כמו גם ההרכב היסודי של רב עיקרי L12 ננו פאזה ו-B2 מיקרו פאזה.
איור 3. התפתחות של צפיפות הנקע של כל שלב מרכיב בסגסוגת המורכבת Fe35Ni29Co21Al12Ta3 עם מתח (a1-d1) ε=0, (a2-d2) ε=8%, ו-(a3-d3) ε{{14} ε{{14} אחסון נמוך יותר צפיפות של נקעים מאשר המטריצה (FCC+L12).
איור 4. (א-ב) מתח הנדסי-מתח ומתח אמיתי-עקומות מתח של סגסוגות מורכבות בהרכבים שונים, (ג) השוואה בין ביצועי הקשחת עבודה של סגסוגת מורכבת Fe35Ni29Co21Al12Ta3 עם אחרים בדרגת 2GPa אולטרה-חומרי פלדה בעלות חוזק בינוני, פלדה מרטנטית וחומרי פלדה גבוהה, חומרי פלדה מרטנית גבוהה (D (ד, ה) השוואה בין התאמת התארכות מתיחה אחידה לחוזק תפוקה והתאמת חוזק תפוקה של מוצר פלסטי חזק של סגסוגת מורכבת Fe35Ni29Co21Al12Ta3 עם חומרי מתכת אחרים. השילוב של תכונות מכניות בטמפרטורת החדר עדיף באופן משמעותי על חומרי מתכת אחרים שדווחו.
ממצאי המחקר פורסמו באינטרנט ב-Nature תחת הכותרת "עיצוב למידה במכונה של סגסוגות FeNiCoAlTa רקיעות עם חוזק גבוה". יאסיר סוהאיל וג'אנג צ'ונגל, דוקטורנטים מבית הספר למדעי החומרים והנדסת חומרים באוניברסיטת שיאן ג'יאוטונג, הם הכותבים הראשון והשני של המאמר, בהתאמה. הפרופסורים ג'אנג ג'יניו, מרקס והאקדמיה סאן ג'ון הם מחברים מקבילים של המאמר. בעבודה השתתפו גם הפרופסורים ליו גאנג, שו דז'ן, פרופסור חבר יאנג יאנג והדוקטורנטים ג'אנג דונגדונג, גאו שאוהואה, פאן שיאוקסואן וג'אנג האנג. מעבדת המפתח הלאומית לחוזק חומר מתכת באוניברסיטת שיאן ג'יאוטונג היא יחידת התקשורת וההשלמה היחידה לעבודה זו. עבודה זו היא הפעם הראשונה שסטודנטים זרים מבית הספר למדעי החומרים באוניברסיטת שיאן ג'יאוטונג מפרסמים מאמר ב-Nature כמחבר הראשון. עבודה זו קיבלה מימון מהקרן הלאומית למדעי הטבע של סין, מבסיס 111 הכשרונות להקדמה, מפרויקט צוות החדשנות של המדע והטכנולוגיה המחוזית של Shaanxi, והקרן לעסקים בסיסיים למחקר של האוניברסיטה המרכזית. עבודת האפיון והבדיקה זכתה לתמיכה חזקה מהמרכז המשותף לניתוח ובדיקה של אוניברסיטת שיאן ג'יאוטונג, מהמרכז הטכנולוגי הניסויי של בית הספר למדעי החומרים ומקור האור של שנחאי.
