높은 항복 강도와 인장 가소성은 금속 재료의 엔지니어링 응용에 매우 중요합니다. 현재 소수의 초-고강도-강만이 2 GPa의 벌크 항복 강도(σy)를 달성합니다. 그러나 소성 변형 중 충분한 가공 경화 능력이 부족하여 표준 일축 인장 시험에서 보고된 균일한 변형은 진정한 균일 연신율(ɛu)이 아닌 국부적인 변형 밴드에 의해 발생하는 톱니 모양의 소성 흐름으로 구성됩니다. 마레이징 강과 같은 초-고-강도 강은 일반적으로 균일한 연신율이 매우 낮습니다(예: ɛu ~ 5%). 고전적인 2차 -단계 강화 메커니즘은 재료의 항복 강도를 효과적으로 향상시킬 수 있지만 합금 내 2차 단계의 낮은 부피 비율(종종 < 50vol.%)로 인해 강화 수준이 제한되어 인장 가소성이 급격히 감소합니다. 따라서 항복 강도 σy ~ 2 GPa와 10%보다 훨씬 높은 균일 연신율 ɛu를 모두 갖는 합금을 설계하는 것은 재료 과학의 주요 과제입니다.
위의 과제에 대응하여 Xi'an Jiaotong University의 금속 재료 강도에 대한 국가 핵심 연구소의 Zhang Jinyu 교수, Ma En 교수 및 학자 Sun Jun은 이전 성과(Acta Mater, Acta Mater, Acta Mater, Acta Mater, Acta Mater, Acta Mater, Acta Mater, Acta Mater, 2022, 233: 117981; Scripta Mater, 2023, 222: 115058). 실온에서 초고강도 및 크고 균일한 인장 연성을 달성하기 위해 이 합금의 설계 개념은 i) 높은 반전 영역 경계 에너지를 갖는 높은 부피 비율의 응집성 L12 나노 상의 강도를 증가시키고, ii) 낮은 계수의 비 응집성 B2 마이크로 상의 높은 부피 비율을 도입하는 것입니다. 한편, 비일관성 인터페이스는 응집성 인터페이스보다 전위 이동을 방해하고 항복 강도를 향상시키는 데 더 효과적입니다. 반면에, 다중 합금 원소의 도입은 B2의 역상 도메인 경계를 감소시켜 가소성을 증가시켜 이들 입자가 전위 저장 단위로 작용하고 가공 경화 능력을 향상시킬 수 있게 합니다.
다중 주원소 합금의 설계 개념으로 인해 복잡한 합금에 대한 조성 선택 공간이 엄청나게 넓어졌으며, 이는 기존의 '시행 착오' 방법을 기반으로 고성능 합금을 설계하는 데 전례 없는 어려움을 초래합니다.{0}} 이를 위해 팀원들은 도메인 지식 지원 기계 학습 방법을 사용하여 구성 요소 심사를 수행했습니다. 가장 중요한 원소인 Ta(Ti 원소가 아님) 시너지 합금화는 고용도가 높은 경원소 Al과 L12 반대 위상 도메인 경계를 통해 달성되었으며, 그 결과 L12+B2 이중 석출 상 강화 Fe35Ni29Co21Al12Ta3(at.%) 복합 합금이 생성되었습니다(그림 1). L12 나노상(Al, Ta 풍부) 및 B2 마이크로상(Al 풍부, Ta 부족)의 부피 분율은 각각 ~67vol.% 및 ~15vol.%로 높았습니다. 응집성 L12/FCC 인터페이스와 비일관성 B2/FCC 인터페이스 모두 전위와 강력하게 상호작용할 수 있었습니다(그림 2). 전위를 생성할 수 있을 뿐만 아니라 전위를 저장할 수도 있습니다. 특히 낮은 계수의 B2 미크론 상은 (FCC+L12)와 비교할 수 있습니다. 매트릭스에 저장된 전위의 밀도가 높을수록(그림 3) 합금의 가공 경화 성능이 크게 향상되어 항복/인장 강도 및 인장 연성이 향상되어 합금이 상온에서 전례 없는 강도 가소성 조합을 달성할 수 있으며 이는 현재까지 보고된 모든 합금보다 훨씬 우수합니다(그림 4). 팀이 제안한 합금 설계 전략은 다른 고성능 합금 설계에 대한 새로운 아이디어도 제공합니다.
그림 1. (a) 도메인 지식 기반 기계 학습 모델(6개의 활성 학습 주기로 구성)은 초가소성을 갖춘 FeNiCoAlTa 복합 합금을 예측합니다. (b) 이론적 예측 항복 강도는 실험적으로 측정된 항복 강도와 일치하여 기계 학습 모델의 신뢰성을 확인합니다. (c) 실험적으로 측정된 항복 강도와 모델 반복 횟수 사이의 관계는 Fe35Ni29Co21Al12Ta3 복합 합금의 최적 조성을 나타냅니다.
그림 2. (a-d) 3-상 구조를 갖는 Fe35Ni29Co21Al12Ta3 복합 합금의 실온 변형 및 계면 특성, 즉 전위는 L12 나노 상을 절단하여 낮은 계수의 B2 마이크로 상에 저장할 수 있습니다. 전위는 L12/FCC 일관성 및 B2/FCC 비일관성 인터페이스 모두에 존재합니다. (e) 복합 합금의 화학적 조성 및 분포 특성뿐만 아니라 다중 주요 L12 나노상 및 B2 마이크로상의 원소 조성에 대한 원자 탐침 분석.
그림 3. 변형률 (a1-d1) ε=0, (a2-d2) ε=8% 및 (a3-d3) ε=20%를 갖는 Fe35Ni29Co21Al12Ta3 복합 합금의 각 구성 상의 전위 밀도의 진화. 이는 낮은 모듈러스 B2 미크론 상이 (FCC+L12) 매트릭스보다 더 높은 전위 밀도를 저장할 수 있음을 나타냅니다.
그림 4. (a-b) 다양한 조성을 갖는 복합 합금의 엔지니어링 응력-변형률 및 진응력-변형률 곡선, (c) 다른 2GPa 등급 초{10}}고강도 금속 재료(D&P 강, 마르텐사이트 강, 중간 고엔트로피 합금)와 Fe35Ni29Co21Al12Ta3 복합 합금의 가공 경화 성능 비교, (d, e) 비교 Fe35Ni29Co21Al12Ta3 복합 합금과 다른 금속 재료의 항복 강도 균일한 인장 신율 매칭 및 항복 강도 강한 플라스틱 제품 매칭. 실온에서의 기계적 특성의 조합은 보고된 다른 금속 재료보다 훨씬 우수합니다.
이번 연구 결과는 '고강도 연성 FeNiCoAlTa 합금의 기계 학습 설계'라는 제목으로 네이처(Nature) 온라인판에 게재됐다. Xi'an Jiaotong University의 재료 과학 및 공학부 박사 과정 학생인 Yasir Sohail과 Zhang Chongle이 각각 논문의 첫 번째 저자와 두 번째 저자입니다. Zhang Jinyu 교수, Marx 교수, Sun Jun 학자가 이 논문의 공동 교신저자입니다. Liu Gang 교수, Xue Dezhen 교수, Yang Yang 부교수 및 박사 과정 학생 Zhang Dongdong, Gao Shaohua, Fan Xiaoxuan 및 Zhang Hang도 작업에 참여했습니다. Xi'an Jiaotong University의 금속 재료 강도에 대한 국가 핵심 연구소는 이 작업을 위한 유일한 통신 및 완료 단위입니다. 이번 작업은 시안교통대학교 재료과학부 외국인 학생들이 네이처에 제1저자로 논문을 게재한 첫 사례다. 이 연구는 중국 국립자연과학재단, 111인재소개기지, 산시성 과학기술혁신팀 프로젝트, 중앙대학교 기초연구사업기금으로부터 자금을 지원받았다. 특성화 및 테스트 작업은 Xi'an Jiaotong University의 분석 및 테스트 공유 센터, 재료 과학 대학의 실험 기술 센터 및 Shanghai Light Source의 강력한 지원을 받았습니다.