西安交通大學

《自然》再發文

研發的復雜合金創造屈服強度與拉伸塑性組合的新紀錄！

□ 論文標題：Machine-learning design of ductile FeNiCoAlTa alloys with high strength（機器學習設計具有高強度塑性的合金）

□ 作者信息：西安交通大學材料學院博士生Yasir Sohail、張崇樂分別為該論文的第一、第二作者；張金鈺教授、馬恩教授和孫軍院士為論文共同通訊作者；參與該工作的還有劉剛教授、薛德禎教授、楊洋副教授和博士生張東東、高少華、范曉軒和張航。

□ 作者單位：西安交通大學金屬材料強度全國重點實驗室是該工作的唯一通訊單位和完成單位。

表征及測試工作得到西安交通大學分析測試共享中心、材料學院實驗技術中心和上海光源的大力支持。

研究背景

金屬材料的高屈服強度與拉伸塑性對于其工程應用至關重要。目前僅少數超高強鋼的塊體屈服強度（σy）能夠達到2GPa水平，但它們在塑性變形過程中缺乏足夠的加工硬化能力，導致其標準單軸拉伸試驗中報道的均勻變形實際上是由局域變形帶引起的鋸齒塑性流變組成，并非真正的均勻延伸率（?u）。這些超高強鋼，例如馬氏體時效鋼的均勻延伸率通常很低（例如?u~5%）。盡管經典的第二相強化機制能夠有效地提升材料的屈服強度，但強化水平受限于合金中較低的第二相體積分數（常常<50 vol.%），并造成拉伸塑性急劇降低。因此，如何設計兼具屈服強度σy~2GPa和均勻延伸率?u明顯高于10%的合金，是材料科學領域面臨的重大挑戰。

研究成果

針對上述挑戰，西安交通大學金屬材料強度全國重點實驗室張金鈺教授、馬恩教授和孫軍院士在前期成果（Acta Mater, 2022, 233: 117981；Scripta Mater, 2023, 222: 115058）的基礎上，提出使用超高體積分數的金屬間化合物析出相，即共格 L12納米相和非共格低模量硬質塑性B2微米相，耦合強化FCC富鐵復雜合金基體。

為了實現室溫超高強度-大均勻拉伸延性，該合金的設計思想是：i)以超高體積分數的具有高反相疇界能的共格L12納米相并增加其強度，

ii)引入高體積分數的低模量非共格B2微米相；一方面非共格界面比共格界面更加有效地阻礙位錯運動以提高屈服強度，另一方面多種合金元素的引入降低B2的反相疇界能以增加其塑性，使這些顆粒作為位錯存儲單元提高加工硬化能力。

多主元合金的設計理念導致復雜合金擁有巨大的成分選擇空間，這對基于傳統的“試錯法”設計高性能合金帶來了前所未有的困難。

為此，團隊成員基于領域知識輔助的機器學習方法進行了成分篩選，通過高固溶度的輕元素Al和L12相反相疇界能提升最顯著的元素Ta（而非元素Ti）協同合金化，獲得了L12+B2雙析出相強化Fe35Ni29Co21Al12Ta3（at.%）復雜合金（圖1），其L12納米相（富Al、Ta）和B2微米相（富Al、貧Ta）的體積分數分別高達~67 vol.%與~15 vol.%，共格L12/FCC界面和非共格B2/FCC界面均能夠與位錯發生強烈的交互作用（圖2），不僅能夠產生位錯還能夠存貯位錯，特別是低模量B2微米相能夠比（FCC+L12）基體存儲更高密度的位錯（圖3），顯著提升了合金的加工硬化性能，從而提高其屈服/抗拉強度與拉伸延性，使得合金在室溫下實現了前所未有的強度-塑性組合，明顯優于迄今為止已報道的所有合金（圖4）。團隊提出的合金設計策略也為其他高性能合金設計提供了新思路。

圖1. (a)基于領域知識的機器學習模型（主動學習循環由六個步驟組成）預測具有超強塑性的FeNiCoAlTa復雜合金，(b)理論預測屈服強度與實驗測量屈服強度相符合，證實了機器學習模型的可靠性，(c)實驗測量屈服強度與模型迭代次數的關系，發現了最優成分的Fe35Ni29Co21Al12Ta3復雜合金。

圖2. (a-d) 具有三相組織的Fe35Ni29Co21Al12Ta3復雜合金室溫變形與界面特征，即位錯能夠切過L12納米相，并存儲于低模量的B2微米相，L12/FCC共格與B2/FCC非共格界面均存在位錯；(e)原子探針分析復雜合金的化學成分與分布特征，以及多主元L12納米相和B2微米相的元素構成。

圖3. Fe35Ni29Co21Al12Ta3復雜合金中各組成相的位錯密度隨應變量(a1-d1) ε=0、(a2-d2) ε=8%和(a3-d3) ε=20%的演化，表明低模量B2微米相能夠比(FCC+L12)基體存儲更高密度的位錯。

圖4. (a-b)不同成分的復雜合金的工程應力-應變和真應力-應變曲線，(c) Fe35Ni29Co21Al12Ta3復雜合金的加工硬化性能與其他2GPa級超高強金屬材料（D&P鋼、馬氏體鋼、中高熵合金）對比，(d，e) Fe35Ni29Co21Al12Ta3復雜合金的屈服強度-均勻拉伸延伸率匹配和屈服強度-強塑積匹配與其他金屬材料對比，室溫力學性能組合明顯超越目前報道的其他金屬材料。

來源：西安交大材料學院。