تعتبر قوة الإنتاجية العالية واللدونة الشدية أمرًا بالغ الأهمية للتطبيقات الهندسية للمواد المعدنية. في الوقت الحالي، لا يحقق سوى عدد قليل فقط من الفولاذ-عالي القوة-قوة إنتاج مجمعة (σy) تبلغ 2 جيجا باسكال. ومع ذلك، فهي تفتقر إلى القدرة الكافية على تصلب العمل أثناء تشوه البلاستيك، مما يؤدي إلى أن التشوه الموحد الذي تم الإبلاغ عنه في اختبارات الشد أحادية المحور القياسية يتكون من تدفق بلاستيكي مسنن ناتج عن نطاقات تشوه موضعية، بدلاً من الاستطالة الموحدة الحقيقية (ɛu). هذه الفولاذ فائق القوة-عالي القوة-، مثل الفولاذ الماراج، عادةً ما يكون له استطالة موحدة منخفضة جدًا (على سبيل المثال، ɛu ~ 5%). على الرغم من أن آلية تقوية المرحلة الثانية-الكلاسيكية يمكنها تحسين مقاومة خضوع المواد بشكل فعال، إلا أن مستوى التقوية محدود بجزء الحجم المنخفض من المرحلة الثانية في السبيكة (غالبًا < 50 حجمًا%)، مما يؤدي إلى انخفاض حاد في مرونة الشد. ولذلك، فإن تصميم السبائك ذات قوة الخضوع σy ~ 2 GPa واستطالة موحدة ɛu أعلى بكثير من 10% يمثل تحديًا كبيرًا في علم المواد.
استجابة للتحديات المذكورة أعلاه، اقترح البروفيسور Zhang Jinyu والبروفيسور Ma En والأكاديمي Sun Jun من المختبر الرئيسي الوطني لقوة المواد المعدنية في جامعة Xi'an Jiaotong استخدام رواسب المركب الفلزية ذات الحجم الكبير جدًا-وهي على وجه التحديد الطور النانوي L12 المتماسك والطور الصغير B2 من البلاستيك الصلب ذو المعامل المنخفض غير المتماسك، لإقران وتعزيز مصفوفة سبائك الحديد المعقدة الغنية بلجنة الاتصالات الفيدرالية (FCC) استنادًا إلى إنجازاتهم السابقة (Acta Mater، 2022، 233: 117981؛ سكربتا ماتر، 2023، 222: 115058). من أجل تحقيق قوة عالية للغاية وليونة شد موحدة كبيرة في درجة حرارة الغرفة، فإن مفهوم تصميم هذه السبيكة هو: 1) زيادة قوتها بجزء كبير الحجم من الطور L12 النانوي المتماسك مع طاقة حدودية عالية لنطاق الانعكاس، و2) تقديم جزء كبير الحجم من الطور الصغير B2 ذو المعامل المنخفض وغير المتماسك؛ من ناحية، تعتبر الواجهات غير المتماسكة أكثر فعالية في إعاقة حركة الخلع وتحسين قوة الخضوع من الواجهات المتماسكة. من ناحية أخرى، فإن إدخال عناصر صناعة السبائك المتعددة يقلل من حدود مجال الطور المضاد لـ B2 لزيادة اللدونة، مما يسمح لهذه الجزيئات بالعمل كوحدات تخزين خلع وتحسين قدرة تصلب العمل.
يؤدي مفهوم تصميم السبائك ذات العناصر الرئيسية المتعددة إلى توفير مساحة كبيرة للاختيار التركيبي للسبائك المعقدة، الأمر الذي يمثل صعوبات غير مسبوقة في تصميم السبائك-عالية الأداء استنادًا إلى أساليب "التجربة والخطأ" التقليدية. ولتحقيق هذه الغاية، أجرى أعضاء الفريق فحصًا للمكونات باستخدام أساليب التعلم الآلي بمساعدة المعرفة بالمجال. تم تحقيق العنصر الأكثر أهمية Ta (بدلاً من العنصر Ti) في صناعة السبائك التآزرية من خلال عنصر الضوء عالي الذوبان Al و L12 حدود مجال الطور المعاكس، مما أدى إلى تعزيز مرحلة الترسيب المزدوج L 12+ B2 Fe35Ni29Co21Al12Ta3 (في.٪) سبيكة معقدة (الشكل 1). كانت أجزاء الحجم من الطور L12 nano (الغني بـ Al، Ta) والطور الصغير B2 (الغني بـ Al، الفقير بـ Ta) عالية تصل إلى ~ 67 مجلدًا٪ و~ 15 مجلدًا٪ على التوالي. كانت كل من واجهة L12/FCC المتماسكة وواجهة B2/FCC غير المتماسكة قادرة على التفاعل بقوة مع الاضطرابات (الشكل 2). لا يمكن أن تولد الاضطرابات فحسب، بل يمكنها أيضًا تخزين الاضطرابات، لا سيما يمكن مقارنة الطور المنخفض للمعامل B2 ميكرون بـ (FCC+L12). إن الكثافة العالية للخلع المخزنة في المصفوفة (الشكل 3) تعزز بشكل كبير أداء تصلب العمل للسبائك، وبالتالي تحسين إنتاجها/قوة الشد وليونة الشد، مما يمكّن السبيكة من تحقيق مجموعة لدونة قوة غير مسبوقة في درجة حرارة الغرفة، أفضل بكثير من جميع السبائك المبلغ عنها حتى الآن (الشكل 4). توفر إستراتيجية تصميم السبائك التي اقترحها الفريق أيضًا أفكارًا جديدة لتصميم سبائك أخرى عالية الأداء-.
الشكل 1. (أ) يتنبأ نموذج التعلم الآلي القائم على معرفة المجال (يتكون من ست دورات تعلم نشطة) بسبيكة FeNiCoAlTa المعقدة ذات اللدونة الفائقة. (ب) تتوافق قوة الخضوع المتوقعة نظريًا مع قوة الخضوع المقاسة تجريبيًا، مما يؤكد موثوقية نموذج التعلم الآلي. (ج) تكشف العلاقة بين قوة الخضوع المقاسة تجريبيًا وعدد تكرارات النموذج عن التركيب الأمثل للسبائك المعقدة Fe35Ni29Co21Al12Ta3.
الشكل 2. (أ-د) تشوه درجة حرارة الغرفة وخصائص الواجهة لسبيكة Fe35Ni29Co21Al12Ta3 المعقدة ذات بنية الطور الثلاثة -، أي يمكن للخلع أن يقطع الطور L12 النانوي ويخزن في الطور الصغير ذو المعامل المنخفض B2. توجد الاضطرابات في كل من الواجهات المتماسكة L12/FCC والواجهات غير المتماسكة B2/FCC؛ ( هـ ) تحليل المسبار الذري للتركيب الكيميائي وخصائص التوزيع للسبائك المعقدة، فضلا عن التركيب العنصري لمرحلة النانو L12 الرئيسية والمرحلة الدقيقة B2.
الشكل 3. تطور كثافة الخلع لكل مرحلة مكونة في سبيكة Fe35Ni29Co21Al12Ta3 المعقدة ذات السلالة (a1-d1) ε=0، (a2-d2) ε=8%، و(a3-d3) ε=20%، مما يشير إلى أن المرحلة المنخفضة ذات المعامل B2 ميكرون يمكنها تخزين كثافة أعلى من الخلع من (FCC+L12) مصفوفة.
الشكل 4. (أ-ب) منحنيات الإجهاد الهندسي-الانفعال والإجهاد الحقيقي-منحنيات الانفعال للسبائك المعقدة ذات التركيبات المختلفة، (ج) مقارنة أداء تصلب العمل للسبائك المعقدة Fe35Ni29Co21Al12Ta3 مع مواد معدنية أخرى عالية القوة من الدرجة 2GPa- (فولاذ D&P، فولاذ مارتنسيتي، سبائك ذات إنتروبيا متوسطة عالية)، و(د، ه) مقارنة مطابقة استطالة الشد الموحدة لقوة الخضوع ومطابقة المنتج البلاستيكي القوي لقوة الخضوع للسبائك المعقدة Fe35Ni29Co21Al12Ta3 مع المواد المعدنية الأخرى. إن الجمع بين الخواص الميكانيكية في درجة حرارة الغرفة يتفوق بشكل كبير على المواد المعدنية الأخرى المبلغ عنها.
نُشرت نتائج البحث على الإنترنت في مجلة Nature تحت عنوان "تصميم التعلم الآلي لسبائك FeNiCoAlTa القابلة للسحب ذات القوة العالية". ياسر سهيل وتشانغ تشونغل، طلاب الدكتوراه من كلية علوم وهندسة المواد بجامعة شيان جياوتونغ، هم المؤلفان الأول والثاني للورقة البحثية، على التوالي. الأساتذة تشانغ جينيو وماركس والأكاديمي صن جون هم مؤلفون مشاركين لهذه الورقة. كما شارك في العمل الأساتذة ليو قانغ، وشيوي ديزين، والأستاذ المشارك يانغ يانغ، وطلاب الدكتوراه تشانغ دونغدونغ، وغاو شاوهوا، وفان شياو شيوان، وتشانغ هانغ. يعد المختبر الوطني الرئيسي لقوة المواد المعدنية بجامعة شيان جياوتونغ هو وحدة الاتصال والإكمال الوحيدة لهذا العمل. هذه الوظيفة هي المرة الأولى التي ينشر فيها طلاب أجانب من كلية علوم المواد بجامعة شيان جياوتونغ مقالًا في مجلة Nature باعتباره المؤلف الأول. تلقى هذا العمل تمويلًا من المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين، وقاعدة تقديم المواهب 111، ومشروع فريق الابتكار العلمي والتكنولوجي لمقاطعة شنشي، وصندوق أعمال البحوث الأساسية بالجامعة المركزية. لقد تلقى عمل التوصيف والاختبار دعمًا قويًا من مركز التحليل والاختبار المشترك بجامعة Xi'an Jiaotong، ومركز التكنولوجيا التجريبية بكلية علوم المواد، وShanghai Light Source.