Kekuatan leleh yang tinggi dan plastisitas tarik sangat penting untuk aplikasi rekayasa material logam. Saat ini, hanya sedikit baja berkekuatan ultra-tinggi-yang mencapai kekuatan luluh massal (σy) sebesar 2 GPa. Akan tetapi, bahan tersebut tidak memiliki kapasitas pengerasan kerja yang cukup selama deformasi plastis, sehingga deformasi seragam yang dilaporkan dalam uji tarik uniaksial standar terdiri dari aliran plastik bergerigi yang disebabkan oleh pita deformasi lokal, dan bukan perpanjangan seragam sebenarnya (ɛu). Baja berkekuatan ultra-tinggi-ini, seperti baja maraging, biasanya memiliki perpanjangan seragam yang sangat rendah (misalnya, ɛu ~ 5%). Meskipun mekanisme penguatan fase kedua yang klasik dapat secara efektif meningkatkan kekuatan luluh material, tingkat penguatan dibatasi oleh fraksi volume fase kedua yang rendah dalam paduan (seringkali <50 vol.%), yang menyebabkan penurunan tajam dalam plastisitas tarik. Oleh karena itu, merancang paduan dengan kekuatan luluh σy ~ 2 GPa dan perpanjangan seragam ɛu yang jauh lebih tinggi dari 10% merupakan tantangan besar dalam ilmu material.
Menanggapi tantangan di atas, Profesor Zhang Jinyu, Profesor Ma En, dan Akademisi Sun Jun dari Laboratorium Kunci Nasional Kekuatan Bahan Logam di Universitas Xi'an Jiaotong mengusulkan penggunaan endapan senyawa intermetalik fraksi volume ultra-tinggi, yaitu fase nano L12 koheren dan fase mikro B2 plastik keras modulus rendah non koheren, untuk memasangkan dan memperkuat matriks paduan kompleks kaya besi FCC berdasarkan pencapaian mereka sebelumnya (Acta Mater, 2022, 233: 117981; Scripta Mater, 2023, 222: 115058). Untuk mencapai kekuatan ultra-tinggi dan keuletan tarik seragam yang besar pada suhu kamar, konsep desain paduan ini adalah: i) untuk meningkatkan kekuatannya dengan fraksi volume tinggi fase nano L12 koheren dengan energi batas domain inversi tinggi, dan ii) untuk memperkenalkan fraksi volume tinggi fase mikro B2 modulus rendah non koheren; Di satu sisi, antarmuka non koheren lebih efektif dalam menghambat gerakan dislokasi dan meningkatkan kekuatan luluh dibandingkan antarmuka koheren. Di sisi lain, pengenalan beberapa elemen paduan mengurangi batas domain antifase B2 untuk meningkatkan plastisitasnya, memungkinkan partikel-partikel ini bertindak sebagai unit penyimpanan dislokasi dan meningkatkan kemampuan pengerasan kerja.
Konsep desain paduan elemen multi-prinsipal menghasilkan ruang pemilihan komposisi yang sangat besar untuk paduan kompleks, yang menimbulkan kesulitan yang belum pernah terjadi sebelumnya dalam merancang paduan-berperforma tinggi berdasarkan metode "trial and error" tradisional. Untuk mencapai tujuan ini, anggota tim melakukan penyaringan komponen menggunakan metode pembelajaran mesin yang dibantu pengetahuan domain. Paduan sinergis unsur Ta (bukan unsur Ti) yang paling signifikan dicapai melalui kelarutan padat tinggi unsur ringan Al dan L12 batas domain fase berlawanan, menghasilkan fase pengendapan ganda L12+B2 yang memperkuat paduan kompleks Fe35Ni29Co21Al12Ta3 (at.%) (Gambar 1). Fraksi volume fase nano L12 (kaya Al, Ta) dan fase mikro B2 (kaya Al, miskin Ta) masing-masing mencapai ~67 vol.% dan ~15 vol.%. Baik antarmuka L12/FCC yang koheren maupun antarmuka B2/FCC yang tidak koheren mampu berinteraksi secara kuat dengan dislokasi (Gambar 2). Tidak hanya dapat menghasilkan dislokasi, tetapi juga dapat menyimpan dislokasi, terutama modulus rendah fase mikron B2 dapat dibandingkan dengan (FCC+L12) Kepadatan dislokasi yang lebih tinggi yang disimpan dalam matriks (Gambar 3) secara signifikan meningkatkan kinerja pengerasan kerja paduan, sehingga meningkatkan hasil/kekuatan tarik dan keuletan tariknya, memungkinkan paduan tersebut mencapai kombinasi kekuatan plastisitas yang belum pernah terjadi sebelumnya pada suhu kamar, jauh lebih baik daripada semua paduan yang dilaporkan hingga saat ini (Gambar 4). Strategi desain paduan yang diusulkan oleh tim juga memberikan ide-ide baru untuk desain paduan berkinerja tinggi lainnya.
Gambar 1. (a) Model pembelajaran mesin berbasis pengetahuan domain (terdiri dari enam siklus pembelajaran aktif) memprediksi paduan kompleks FeNiCoAlTa dengan plastisitas super. (b) Kekuatan luluh yang diprediksi secara teoretis konsisten dengan kekuatan luluh yang diukur secara eksperimental, sehingga mengonfirmasi keandalan model pembelajaran mesin. (c) Hubungan antara kekuatan luluh yang diukur secara eksperimental dan jumlah iterasi model menunjukkan komposisi optimal paduan kompleks Fe35Ni29Co21Al12Ta3.
Gambar 2. (a-d) Deformasi suhu ruangan dan karakteristik antarmuka paduan kompleks Fe35Ni29Co21Al12Ta3 dengan struktur tiga-fasa, yaitu dislokasi yang dapat memotong fasa nano L12 dan disimpan dalam fasa mikro modulus B2 rendah. Dislokasi terjadi pada antarmuka koheren L12/FCC dan antarmuka non koheren B2/FCC; (e) Analisis probe atom terhadap komposisi kimia dan karakteristik distribusi paduan kompleks, serta komposisi unsur fase nano L12 multi prinsip dan fase mikro B2.
Gambar 3. Evolusi densitas dislokasi masing-masing fasa penyusun pada paduan kompleks Fe35Ni29Co21Al12Ta3 dengan regangan (a1-d1) ε=0, (a2-d2) ε=8%, dan (a3-d3) ε=20%, menunjukkan bahwa fasa mikron modulus B2 yang rendah mampu menyimpan densitas dislokasi yang lebih tinggi dibandingkan fasa (FCC+L12) matriks.
Gambar 4. (a-b) Tegangan teknik-regangan dan tegangan sebenarnya-kurva regangan paduan kompleks dengan komposisi berbeda, (c) Perbandingan kinerja pengerasan kerja paduan kompleks Fe35Ni29Co21Al12Ta3 dengan bahan logam berkekuatan ultra-kekuatan tinggi kelas 2GPa lainnya (baja D&P, baja martensit, paduan entropi sedang tinggi), dan (d, e) Perbandingan pencocokan perpanjangan tarik seragam kekuatan luluh dan pencocokan produk plastik kuat kekuatan luluh dari paduan kompleks Fe35Ni29Co21Al12Ta3 dengan bahan logam lainnya. Kombinasi sifat mekanik pada suhu kamar secara signifikan lebih unggul dibandingkan bahan logam lainnya yang dilaporkan.
Temuan penelitian ini dipublikasikan secara online di Nature dengan judul "Desain pembelajaran mesin paduan FeNiCoAlTa ulet dengan kekuatan tinggi". Yasir Sohail dan Zhang Chongle, mahasiswa doktoral dari Fakultas Sains dan Teknik Material di Universitas Xi'an Jiaotong, masing-masing merupakan penulis pertama dan kedua dari makalah ini. Profesor Zhang Jinyu, Marx, dan Akademisi Sun Jun adalah rekan penulis makalah ini. Profesor Liu Gang, Xue Dezhen, Associate Professor Yang Yang, dan mahasiswa doktoral Zhang Dongdong, Gao Shaohua, Fan Xiaoxuan, dan Zhang Hang juga berpartisipasi dalam pekerjaan ini. Laboratorium Kunci Nasional Kekuatan Bahan Logam di Universitas Xi'an Jiaotong adalah satu-satunya unit komunikasi dan penyelesaian untuk pekerjaan ini. Pekerjaan ini adalah pertama kalinya mahasiswa asing dari Fakultas Ilmu Material di Universitas Xi'an Jiaotong menerbitkan artikel Alam sebagai penulis pertama. Pekerjaan ini telah menerima dana dari National Natural Science Foundation of China, 111 Talent Innovation Base, Proyek Tim Inovasi Sains dan Teknologi Provinsi Shaanxi, dan Central University Basic Research Business Fund. Pekerjaan karakterisasi dan pengujian telah mendapat dukungan kuat dari Pusat Bersama Analisis dan Pengujian Universitas Xi'an Jiaotong, Pusat Teknologi Eksperimental dari Sekolah Ilmu Material, dan Sumber Cahaya Shanghai.