Alta resistência ao escoamento e plasticidade à tração são cruciais para as aplicações de engenharia de materiais metálicos. Atualmente, apenas alguns aços de ultra-alta-resistência atingem um limite de escoamento em massa (σy) de 2 GPa. No entanto, eles não possuem capacidade suficiente de endurecimento por trabalho durante a deformação plástica, resultando na deformação uniforme relatada em testes de tração uniaxial padrão sendo composta por fluxo plástico serrilhado causado por bandas de deformação localizadas, em vez de alongamento uniforme verdadeiro (ɛu). Esses aços de ultra-alta-resistência, como os aços maraging, normalmente têm um alongamento uniforme muito baixo (por exemplo, ɛu ~ 5%). Embora o mecanismo clássico de reforço de segunda{12}fase possa efetivamente melhorar o limite de escoamento dos materiais, o nível de reforço é limitado pela baixa fração volumétrica da segunda fase na liga (frequentemente <50 vol.%), levando a uma diminuição acentuada na plasticidade à tração. Portanto, projetar ligas com um limite de escoamento σy ~ 2 GPa e um alongamento uniforme ɛu significativamente superior a 10% é um grande desafio na ciência dos materiais.
Em resposta aos desafios acima, o professor Zhang Jinyu, o professor Ma En e o acadêmico Sun Jun do National Key Laboratory of Metal Material Strength da Xi'an Jiaotong University propuseram o uso de precipitados de compostos intermetálicos de fração volumétrica ultra-alta, ou seja, nanofase L12 coerente e microfase B2 de plástico rígido de baixo módulo não coerente, para acoplar e fortalecer a matriz de liga do complexo de ferro rico em FCC com base em suas conquistas anteriores (Acta Mater, 2022, 233: 117981; A fim de alcançar ultra-resistência e grande ductilidade à tração uniforme à temperatura ambiente, o conceito de projeto desta liga é: i) aumentar sua resistência com uma fração de alto volume de nanofase L12 coerente com alta energia de limite de domínio de inversão, e ii) introduzir uma fração de alto volume de microfase B2 não coerente de baixo módulo; Por um lado, as interfaces não coerentes são mais eficazes em impedir o movimento de discordância e melhorar o limite de escoamento do que as interfaces coerentes. Por outro lado, a introdução de múltiplos elementos de liga reduz o limite do domínio antifase de B2 para aumentar a sua plasticidade, permitindo que estas partículas atuem como unidades de armazenamento de discordâncias e melhorem a capacidade de endurecimento por trabalho.
O conceito de projeto de ligas de elementos múltiplos resulta em um enorme espaço de seleção de composição para ligas complexas, o que apresenta dificuldades sem precedentes para o projeto de ligas de alto-desempenho com base em métodos tradicionais de "tentativa e erro". Para esse fim, os membros da equipe realizaram a triagem de componentes usando métodos de aprendizado de máquina assistidos por conhecimento de domínio. A liga sinérgica do elemento Ta (em vez do elemento Ti) mais significativa foi alcançada através dos limites de domínio de fase opostos do elemento leve de alta solubilidade sólida Al e L12, resultando na fase de precipitação dupla L12+B2 reforçada com Fe35Ni29Co21Al12Ta3 (at.%) liga complexa (Figura 1). As frações volumétricas da nanofase L12 (rica em Al, Ta) e da microfase B2 (rica em Al, pobre em Ta) foram tão altas quanto ~ 67 vol.% e ~ 15 vol.%, respectivamente. Tanto a interface L12/FCC coerente quanto a interface B2/FCC não coerente foram capazes de interagir fortemente com os deslocamentos (Figura 2). Não apenas pode gerar deslocamentos, mas também pode armazenar deslocamentos, especialmente a fase de mícron de baixo módulo B2 pode ser comparada a (FCC + L12). A maior densidade de deslocamentos armazenados na matriz (Figura 3) aumenta significativamente o desempenho de endurecimento por trabalho da liga, melhorando assim seu rendimento/resistência à tração e ductilidade à tração, permitindo que a liga alcance uma combinação de plasticidade de resistência sem precedentes à temperatura ambiente, significativamente melhor do que todas as ligas relatadas até o momento (Figura 4). A estratégia de projeto de liga proposta pela equipe também fornece novas ideias para o projeto de outras ligas de alto-desempenho.
Figura 1. (a) Um modelo de aprendizado de máquina baseado em conhecimento de domínio (consistindo em seis ciclos de aprendizado ativo) prevê a liga complexa FeNiCoAlTa com superplasticidade. (b) O limite de escoamento teórico previsto é consistente com o limite de escoamento medido experimentalmente, confirmando a confiabilidade do modelo de aprendizado de máquina. (c) A relação entre o limite de escoamento medido experimentalmente e o número de iterações do modelo revela a composição ideal da liga complexa Fe35Ni29Co21Al12Ta3.
Figura 2. (a-d) Deformação à temperatura ambiente e características de interface da liga complexa Fe35Ni29Co21Al12Ta3 com estrutura trifásica-, ou seja, discordâncias podem cortar a nanofase L12 e armazenar na microfase B2 de baixo módulo. Existem deslocamentos nas interfaces coerentes L12/FCC e não coerentes B2/FCC; (e) Análise de sonda atômica da composição química e características de distribuição de ligas complexas, bem como a composição elementar da nanofase L12 multiprincipal e da microfase B2.
Figura 3. Evolução da densidade de discordância de cada fase constituinte na liga complexa Fe35Ni29Co21Al12Ta3 com deformação (a1-d1) ε=0, (a2-d2) ε=8% e (a3-d3) ε=20%, indicando que a fase de mícron de baixo módulo B2 pode armazenar maior densidade de discordâncias do que a matriz (FCC + L12).
Figura 4. (a-b) Curvas de tensão de engenharia-deformação e tensão verdadeira-deformação de ligas complexas com diferentes composições, (c) Comparação do desempenho de endurecimento por trabalho da liga complexa Fe35Ni29Co21Al12Ta3 com outros materiais metálicos de ultra{10}}grau 2GPa (aço D&P, aço martensítico, ligas de entropia média alta) e (d, e) Comparação da correspondência de alongamento de tração uniforme de resistência ao escoamento e correspondência de produto plástico forte de resistência ao escoamento da liga complexa Fe35Ni29Co21Al12Ta3 com outros materiais metálicos. A combinação de propriedades mecânicas à temperatura ambiente é significativamente superior a outros materiais metálicos relatados.
Os resultados da pesquisa foram publicados online na Nature sob o título "Projeto de aprendizado de máquina de ligas dúcteis de FeNiCoAlTa com alta resistência". Yasir Sohail e Zhang Chongle, estudantes de doutorado da Escola de Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade Xi'an Jiaotong, são o primeiro e o segundo autores do artigo, respectivamente. Os professores Zhang Jinyu, Marx e o acadêmico Sun Jun são co-autores correspondentes do artigo. Os professores Liu Gang, Xue Dezhen, o professor associado Yang Yang e os estudantes de doutorado Zhang Dongdong, Gao Shaohua, Fan Xiaoxuan e Zhang Hang também participaram do trabalho. O Laboratório Nacional Chave de Resistência de Materiais Metálicos da Universidade Xi'an Jiaotong é a única unidade de comunicação e conclusão deste trabalho. Este trabalho é a primeira vez que estudantes estrangeiros da Escola de Ciência de Materiais da Universidade Xi'an Jiaotong publicam um artigo da Nature como primeiro autor. Este trabalho recebeu financiamento da Fundação Nacional de Ciências Naturais da China, da 111 Base de Introdução de Talentos, do Projeto da Equipe de Inovação Científica e Tecnológica da Província de Shaanxi e do Fundo Empresarial de Pesquisa Básica da Universidade Central. O trabalho de caracterização e teste recebeu forte apoio do Centro Compartilhado de Análise e Teste da Universidade Xi'an Jiaotong, do Centro de Tecnologia Experimental da Escola de Ciência de Materiais e da Fonte de Luz de Xangai.