El alto límite elástico y la plasticidad a la tracción son cruciales para las aplicaciones de ingeniería de materiales metálicos. Actualmente, sólo unos pocos aceros de ultra-alta-resistencia alcanzan un límite elástico aparente (σy) de 2 GPa. Sin embargo, carecen de suficiente capacidad de endurecimiento por trabajo durante la deformación plástica, lo que resulta en que la deformación uniforme reportada en las pruebas de tracción uniaxiales estándar esté compuesta de flujo plástico dentado causado por bandas de deformación localizadas, en lugar de un verdadero alargamiento uniforme (ɛu). Estos aceros de ultra-alta-resistencia, como los aceros martensíticos, suelen tener un alargamiento uniforme muy bajo (p. ej., ɛu ~ 5%). Aunque el clásico mecanismo de fortalecimiento de la segunda fase-puede mejorar efectivamente el límite elástico de los materiales, el nivel de fortalecimiento está limitado por la baja fracción de volumen de la segunda fase en la aleación (a menudo < 50 vol.%), lo que lleva a una fuerte disminución de la plasticidad a la tracción. Por lo tanto, diseñar aleaciones con un límite elástico σy ~ 2 GPa y un alargamiento uniforme ɛu significativamente superior al 10% es un desafío importante en la ciencia de materiales.
En respuesta a los desafíos anteriores, el profesor Zhang Jinyu, el profesor Ma En y el académico Sun Jun del Laboratorio Nacional Clave de Resistencia de Materiales Metálicos de la Universidad Xi'an Jiaotong propusieron el uso de precipitados de compuestos intermetálicos de fracción de volumen ultra-alto, concretamente la nanofase coherente L12 y la microfase B2 de plástico duro no coherente de bajo módulo, para acoplar y fortalecer la matriz de aleación del complejo de hierro rico en FCC basándose en sus logros anteriores (Acta Mater, 2022, 233: 117981; Scripta Mater, 2023, 222: 115058). Para lograr una resistencia ultra-alta y una gran ductilidad a la tracción uniforme a temperatura ambiente, el concepto de diseño de esta aleación es: i) aumentar su resistencia con una fracción de volumen alto de nanofase L12 coherente con energía límite de dominio de inversión alta, y ii) introducir una fracción de volumen alto de microfase B2 no coherente de módulo bajo; Por un lado, las interfaces no coherentes son más efectivas para obstaculizar el movimiento de dislocación y mejorar el límite elástico que las interfaces coherentes. Por otro lado, la introducción de múltiples elementos de aleación reduce el límite del dominio antifase de B2 para aumentar su plasticidad, permitiendo que estas partículas actúen como unidades de almacenamiento de dislocaciones y mejoren la capacidad de endurecimiento por trabajo.
El concepto de diseño de aleaciones de elementos múltiples principales genera un enorme espacio de selección de composición para aleaciones complejas, lo que plantea dificultades sin precedentes para diseñar aleaciones de alto-rendimiento basadas en métodos tradicionales de "prueba y error". Con este fin, los miembros del equipo realizaron una selección de componentes utilizando métodos de aprendizaje automático asistidos por conocimiento del dominio. La aleación sinérgica más significativa del elemento Ta (en lugar del elemento Ti) se logró a través de los límites de dominio de fase opuestos del elemento ligero de alta solubilidad sólida Al y L12, lo que resultó en la aleación compleja de Fe35Ni29Co21Al12Ta3 (% at.) reforzada con fase de precipitación dual L12+B2 (Figura 1). Las fracciones de volumen de la nanofase L12 (rica en Al, Ta) y la microfase B2 (rica en Al, pobre en Ta) alcanzaron ~67% en volumen y ~15% en volumen, respectivamente. Tanto la interfaz coherente L12/FCC como la interfaz no coherente B2/FCC pudieron interactuar fuertemente con las dislocaciones (Figura 2). No solo puede generar dislocaciones, sino que también puede almacenar dislocaciones, especialmente la fase de micrones B2 de módulo bajo que se puede comparar con (FCC+L12). La mayor densidad de dislocaciones almacenadas en la matriz (Figura 3) mejora significativamente el rendimiento de endurecimiento por trabajo de la aleación, mejorando así su rendimiento/resistencia a la tracción y ductilidad a la tracción, lo que permite que la aleación alcance una combinación de resistencia y plasticidad sin precedentes a temperatura ambiente, significativamente mejor que todas las aleaciones reportadas hasta la fecha (Figura 4). La estrategia de diseño de aleaciones propuesta por el equipo también proporciona nuevas ideas para el diseño de otras aleaciones de alto-rendimiento.
Figura 1. (a) Un modelo de aprendizaje automático basado en conocimiento de dominio (que consta de seis ciclos de aprendizaje activo) predice la aleación compleja FeNiCoAlTa con súper plasticidad. (b) El límite elástico teórico previsto es consistente con el límite elástico medido experimentalmente, lo que confirma la confiabilidad del modelo de aprendizaje automático. (c) La relación entre el límite elástico medido experimentalmente y el número de iteraciones del modelo revela la composición óptima de la aleación compleja Fe35Ni29Co21Al12Ta3.
Figura 2. (a-d) Deformación a temperatura ambiente y características de interfaz de la aleación compleja Fe35Ni29Co21Al12Ta3 con estructura trifásica-, es decir, las dislocaciones pueden atravesar la nanofase L12 y almacenarse en la microfase B2 de módulo bajo. Existen dislocaciones tanto en las interfaces coherentes L12/FCC como en las no coherentes B2/FCC; (e) Análisis con sonda atómica de la composición química y las características de distribución de aleaciones complejas, así como la composición elemental de la nanofase L12 multiprincipal y la microfase B2.
Figura 3. Evolución de la densidad de dislocaciones de cada fase constituyente en una aleación compleja Fe35Ni29Co21Al12Ta3 con deformación (a1-d1) ε=0, (a2-d2) ε=8% y (a3-d3) ε=20%, lo que indica que la fase de micras B2 de módulo bajo puede almacenar una mayor densidad de dislocaciones que la (FCC+L12). matriz.
Figura 4. (a-b) Curvas de tensión de ingeniería-deformación y tensión verdadera-de aleaciones complejas con diferentes composiciones, (c) Comparación del rendimiento de endurecimiento por trabajo de la aleación compleja Fe35Ni29Co21Al12Ta3 con otros materiales metálicos de resistencia ultra-de grado 2GPa (acero D&P, acero martensítico, aleaciones de entropía media alta), y (d, e) Comparación de la combinación de alargamiento por tracción uniforme del límite elástico y la combinación de productos plásticos fuertes del límite elástico de una aleación compleja Fe35Ni29Co21Al12Ta3 con otros materiales metálicos. La combinación de propiedades mecánicas a temperatura ambiente es significativamente superior a la de otros materiales metálicos reportados.
Los resultados de la investigación se publicaron en línea en Nature con el título "Diseño de aprendizaje automático de aleaciones dúctiles de FeNiCoAlTa con alta resistencia". Yasir Sohail y Zhang Chongle, estudiantes de doctorado de la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad Xi'an Jiaotong, son el primer y segundo autor del artículo, respectivamente. Los profesores Zhang Jinyu, Marx y el académico Sun Jun son coautores correspondientes del artículo. En el trabajo también participaron los profesores Liu Gang, Xue Dezhen, el profesor asociado Yang Yang y los estudiantes de doctorado Zhang Dongdong, Gao Shaohua, Fan Xiaoxuan y Zhang Hang. El Laboratorio Nacional Clave de Resistencia de Materiales Metálicos de la Universidad Xi'an Jiaotong es la única unidad de comunicación y finalización para este trabajo. Este trabajo es la primera vez que estudiantes extranjeros de la Facultad de Ciencia de Materiales de la Universidad Xi'an Jiaotong publican un artículo de Nature como primer autor. Este trabajo ha recibido financiación de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China, la Base de Introducción de Talentos 111, el Proyecto del Equipo Provincial de Innovación en Ciencia y Tecnología de Shaanxi y el Fondo Empresarial de Investigación Básica de la Universidad Central. El trabajo de caracterización y prueba ha recibido un fuerte apoyo del Centro Compartido de Análisis y Pruebas de la Universidad Xi'an Jiaotong, el Centro de Tecnología Experimental de la Escuela de Ciencia de Materiales y Shanghai Light Source.
