ความแข็งแรงของผลผลิตสูงและความเป็นพลาสติกแรงดึงถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการใช้งานทางวิศวกรรมของวัสดุโลหะ ในปัจจุบัน มีเหล็กที่มีความแข็งแรงสูงพิเศษ-สูง-เพียงไม่กี่ชนิดเท่านั้นที่มีกำลังรับผลผลิตรวม (σy) ที่ 2 GPa อย่างไรก็ตาม พวกมันขาดความสามารถในการชุบแข็งในการทำงานที่เพียงพอในระหว่างการเปลี่ยนรูปพลาสติก ส่งผลให้เกิดการเสียรูปสม่ำเสมอที่รายงานในการทดสอบแรงดึงแกนเดียวมาตรฐานซึ่งประกอบด้วยการไหลของพลาสติกแบบหยักที่เกิดจากแถบการเปลี่ยนรูปเฉพาะจุด แทนที่จะเป็นการยืดตัวสม่ำเสมอที่แท้จริง (ɛu) เหล็กกล้าที่มีความแข็งแรงสูง-สูง-เป็นพิเศษเหล่านี้ เช่น เหล็กกล้ามาราจจิ้ง โดยทั่วไปจะมีการยืดตัวสม่ำเสมอที่ต่ำมาก (เช่น ɛu ~ 5%) แม้ว่ากลไกการเสริมกำลังระยะที่สอง-แบบคลาสสิกสามารถปรับปรุงกำลังรับผลผลิตของวัสดุได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่ระดับการเสริมกำลังนั้นถูกจำกัดด้วยเศษส่วนที่มีปริมาตรต่ำของเฟสที่สองในโลหะผสม (มักจะ < 50 โดยปริมาตร%) ส่งผลให้ค่าแรงดึงพลาสติกลดลงอย่างมาก ดังนั้น การออกแบบโลหะผสมที่มีทั้งความแข็งแรงของผลผลิต σy ~ 2 GPa และการยืดตัวที่สม่ำเสมอ ɛu สูงกว่า 10% อย่างมีนัยสำคัญจึงเป็นความท้าทายที่สำคัญในวัสดุศาสตร์
เพื่อตอบสนองต่อความท้าทายข้างต้น ศาสตราจารย์ Zhang Jinyu ศาสตราจารย์ Ma En และนักวิชาการ Sun Jun จากห้องปฏิบัติการหลักแห่งชาติด้านความแข็งแรงของวัสดุโลหะที่มหาวิทยาลัย Xi'an Jiaotong ได้เสนอการใช้การตกตะกอนของสารประกอบระหว่างโลหะที่มีเศษส่วนปริมาณสูงพิเศษ- กล่าวคือ เฟสนาโน L12 ที่ต่อเนื่องกันและไมโครเฟสพลาสติกแข็งโมดูลัสต่ำที่ไม่สอดคล้องกัน เพื่อจับคู่และเสริมความแข็งแกร่งให้กับเมทริกซ์โลหะผสมที่ซับซ้อนของเหล็กอุดมของ FCC โดยอิงตามความสำเร็จก่อนหน้านี้ (Acta Mater, 2022, 233: 117981; สคริปตาเมเตอร์, 2023, 222: 115058) เพื่อให้บรรลุความแข็งแรงสูงเป็นพิเศษ-และมีความเหนียวแรงดึงสม่ำเสมอมากที่อุณหภูมิห้อง แนวคิดการออกแบบของโลหะผสมนี้คือ: i) เพิ่มความแข็งแรงด้วยเศษส่วนที่มีปริมาตรสูงของเฟสนาโน L12 ที่ต่อเนื่องกันพร้อมพลังงานขอบเขตโดเมนผกผันสูง และ ii) เพื่อแนะนำเศษส่วนที่มีปริมาตรสูงของไมโครเฟส B2 แบบโมดูลัสที่ไม่ต่อเนื่องกันต่ำ ในแง่หนึ่ง อินเทอร์เฟซที่ไม่สอดคล้องกันจะมีประสิทธิภาพมากกว่าในการขัดขวางการเคลื่อนที่ของความคลาดเคลื่อน และปรับปรุงความแข็งแกร่งของผลผลิตมากกว่าอินเทอร์เฟซที่สอดคล้องกัน ในทางกลับกัน การนำองค์ประกอบอัลลอยด์หลายชนิดมาช่วยลดขอบเขตโดเมนต้านเฟสของ B2 เพื่อเพิ่มความเป็นพลาสติก ทำให้อนุภาคเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นหน่วยกักเก็บความคลาดเคลื่อนและปรับปรุงความสามารถในการชุบแข็งงาน
แนวคิดการออกแบบโลหะผสมที่มีองค์ประกอบหลักหลายองค์ประกอบส่งผลให้มีพื้นที่ในการเลือกองค์ประกอบขนาดใหญ่สำหรับโลหะผสมที่ซับซ้อน ซึ่งก่อให้เกิดปัญหาที่ไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อนในการออกแบบโลหะผสมประสิทธิภาพสูง-โดยอาศัยวิธี "ลองผิดลองถูก" แบบดั้งเดิม ด้วยเหตุนี้ สมาชิกในทีมจึงดำเนินการคัดกรองส่วนประกอบโดยใช้วิธีการเรียนรู้ของเครื่องช่วยความรู้โดเมน โลหะผสมที่สำคัญที่สุดที่เสริมฤทธิ์กันขององค์ประกอบ Ta (แทนที่จะเป็นองค์ประกอบ Ti) ทำได้สำเร็จผ่านขอบเขตโดเมนเฟสตรงข้ามขององค์ประกอบเบาที่มีความสามารถในการละลายของแข็งสูง และ L12 ส่งผลให้เฟสการตกตะกอนคู่ L12+B2 เพิ่มความแข็งแกร่งให้กับโลหะผสมเชิงซ้อน Fe35Ni29Co21Al12Ta3 (at.%) (รูปที่ 1) เศษส่วนปริมาตรของเฟสนาโน L12 (อุดมไปด้วย Al, Ta) และไมโครเฟส B2 (อุดมไปด้วย Al, แย่ใน Ta) สูงถึง ~ 67 vol.% และ ~ 15 vol.% ตามลำดับ ทั้งอินเทอร์เฟซ L12/FCC ที่สอดคล้องกันและอินเทอร์เฟซ B2/FCC ที่ไม่สอดคล้องกันสามารถโต้ตอบกับความคลาดเคลื่อนได้อย่างมาก (รูปที่ 2) ไม่เพียงแต่สามารถสร้างการเคลื่อนตัวได้ แต่ยังสามารถกักเก็บการเคลื่อนตัวได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งโมดูลัส B2 ไมครอนเฟสต่ำสามารถเปรียบเทียบได้กับ (FCC+L12) ความหนาแน่นของการเคลื่อนตัวที่สูงกว่าที่เก็บไว้ในเมทริกซ์ (รูปที่ 3) ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานในการชุบแข็งของโลหะผสมได้อย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งจะช่วยปรับปรุงผลผลิต/ความต้านทานแรงดึงและความเหนียวของแรงดึง ทำให้โลหะผสมสามารถบรรลุการผสมผสานความเป็นพลาสติกที่มีความแข็งแกร่งอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อนที่อุณหภูมิห้อง ซึ่งดีกว่าโลหะผสมที่รายงานทั้งหมดในปัจจุบันอย่างมีนัยสำคัญ (รูปที่ 4) กลยุทธ์การออกแบบโลหะผสมที่เสนอโดยทีมงานยังให้แนวคิดใหม่ๆ สำหรับการออกแบบโลหะผสมประสิทธิภาพสูงอื่นๆ
รูปที่ 1 (a) โมเดลการเรียนรู้ของเครื่องตามความรู้โดเมน (ประกอบด้วยรอบการเรียนรู้เชิงรุก 6 รอบ) ทำนายโลหะผสมที่ซับซ้อนของ FeNiCoAlTa ที่มีความยืดหยุ่นสูง (b) ความแข็งแรงของผลผลิตที่คาดการณ์ตามทฤษฎีนั้นสอดคล้องกับความแข็งแรงของผลผลิตที่วัดได้จากการทดลอง ซึ่งเป็นการยืนยันความน่าเชื่อถือของโมเดลการเรียนรู้ของเครื่อง (c) ความสัมพันธ์ระหว่างกำลังของผลผลิตที่วัดได้จากการทดลองและจำนวนการวนซ้ำของแบบจำลองเผยให้เห็นองค์ประกอบที่เหมาะสมที่สุดของโลหะผสมเชิงซ้อน Fe35Ni29Co21Al12Ta3
รูปที่ 2 (a-d) การเสียรูปของอุณหภูมิห้องและคุณลักษณะส่วนต่อประสานของโลหะผสมเชิงซ้อน Fe35Ni29Co21Al12Ta3 ที่มีโครงสร้างสามเฟส- กล่าวคือ การเคลื่อนตัวสามารถตัดผ่านเฟสนาโน L12 และเก็บไว้ในไมโครเฟสโมดูลัส B2 ต่ำ ความคลาดเคลื่อนมีอยู่ทั้งที่อินเทอร์เฟซที่สอดคล้องกันของ L12/FCC และอินเทอร์เฟซที่ไม่สอดคล้องกันของ B2/FCC (e) การวิเคราะห์โพรบอะตอมขององค์ประกอบทางเคมีและคุณลักษณะการกระจายของโลหะผสมเชิงซ้อน รวมถึงองค์ประกอบองค์ประกอบของเฟสนาโน L12 หลักหลายเฟสและไมโครเฟส B2
รูปที่ 3 วิวัฒนาการของความหนาแน่นของการเคลื่อนตัวของแต่ละเฟสส่วนประกอบในโลหะผสมเชิงซ้อน Fe35Ni29Co21Al12Ta3 ที่มีความเครียด (a1-d1) ε=0, (a2-d2) ε=8% และ (a3-d3) ε=20% ซึ่งบ่งชี้ว่าเฟสโมดูลัส B2 ไมครอนต่ำสามารถกักเก็บความหนาแน่นของการเคลื่อนที่ที่สูงกว่า (FCC+L12) เมทริกซ์
รูปที่ 4 (a-b) เส้นโค้งความเครียดทางวิศวกรรม-ความเครียดและความเครียดที่แท้จริง-ของโลหะผสมเชิงซ้อนที่มีองค์ประกอบต่างกัน (c) การเปรียบเทียบประสิทธิภาพในการชุบแข็งงานของโลหะผสมเชิงซ้อน Fe35Ni29Co21Al12Ta3 กับวัสดุโลหะความแข็งแรงสูงพิเศษเกรด 2GPa อื่นๆ (เหล็ก D&P, เหล็กมาร์เทนซิติก, โลหะผสมเอนโทรปีสูงปานกลาง) และ (d, e) การเปรียบเทียบความแข็งแรงของผลผลิต การจับคู่การยืดตัวของแรงดึงสม่ำเสมอและความแข็งแรงของผลผลิตการจับคู่ผลิตภัณฑ์พลาสติกที่แข็งแกร่งของโลหะผสมที่ซับซ้อน Fe35Ni29Co21Al12Ta3 กับวัสดุโลหะอื่น ๆ การรวมกันของคุณสมบัติทางกลที่อุณหภูมิห้องนั้นเหนือกว่าวัสดุโลหะอื่นๆ ที่ได้รับรายงานอย่างมาก
ผลการวิจัยได้รับการเผยแพร่ทางออนไลน์ใน Nature ภายใต้ชื่อ "การออกแบบการเรียนรู้ของเครื่องของโลหะผสม FeNiCoAlTa ที่มีความเหนียวและมีความแข็งแรงสูง" Yasir Sohail และ Zhang Chongle นักศึกษาระดับปริญญาเอกจาก School of Materials Science and Engineering แห่งมหาวิทยาลัย Xi'an Jiaotong เป็นผู้เขียนรายงานฉบับนี้คนแรกและคนที่สองตามลำดับ ศาสตราจารย์ Zhang Jinyu, Marx และนักวิชาการ Sun Jun เป็นผู้เขียนบทความที่เกี่ยวข้องกัน ศาสตราจารย์ Liu Gang, Xue Dezhen, รองศาสตราจารย์ Yang Yang และนักศึกษาระดับปริญญาเอก Zhang Dongdong, Gao Shaohua, Fan Xiaoxuan และ Zhang Hang ก็มีส่วนร่วมในงานนี้ด้วย ห้องปฏิบัติการหลักแห่งชาติด้านความแข็งแกร่งของวัสดุโลหะที่มหาวิทยาลัย Xi'an Jiaotong เป็นหน่วยการสื่อสารและความสมบูรณ์แห่งเดียวสำหรับงานนี้ งานนี้เป็นครั้งแรกที่นักศึกษาต่างชาติจาก School of Materials Science แห่งมหาวิทยาลัย Xi'an Jiaotong ได้ตีพิมพ์บทความเกี่ยวกับธรรมชาติในฐานะผู้เขียนคนแรก งานนี้ได้รับทุนสนับสนุนจากมูลนิธิวิทยาศาสตร์ธรรมชาติแห่งชาติของจีน, ฐานแนะนำผู้มีความสามารถพิเศษ 111 คน, โครงการทีมนวัตกรรมวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีประจำมณฑลส่านซี และกองทุนธุรกิจการวิจัยพื้นฐานของมหาวิทยาลัยกลาง งานวิเคราะห์ลักษณะเฉพาะและการทดสอบได้รับการสนับสนุนอย่างมากจากศูนย์ร่วมการวิเคราะห์และการทดสอบของมหาวิทยาลัย Xi'an Jiaotong, ศูนย์เทคโนโลยีการทดลองของคณะวิชาวัสดุศาสตร์ และแหล่งกำเนิดแสงเซี่ยงไฮ้