高い降伏強度と引張可塑性は、金属材料の工学用途にとって非常に重要です。現在、2 GPa の体積降伏強さ (σy) を達成できる超高張力鋼--はほんのわずかです。ただし、塑性変形中の十分な加工硬化能力が不足しているため、標準的な一軸引張試験で報告される均一変形は、真の均一伸び (ɛu) ではなく、局所的な変形バンドによって引き起こされる鋸歯状の塑性流動で構成されます。マレージング鋼などの超高強度鋼--は、通常、均一伸びが非常に低くなります（例: ɛu ~ 5%）。古典的な第二相-の強化メカニズムは材料の降伏強度を効果的に向上させることができますが、合金中の第二相の体積分率が低い（多くの場合<50体積％）ため、強化レベルは制限され、引張可塑性の急激な低下につながります。したがって、降伏強さ σy ~ 2 GPa と 10% を大幅に上回る均一伸び ɛu の両方を備えた合金を設計することは、材料科学における大きな課題です。
上記の課題に対応して、西安交通大学金属材料強度国家重点研究所の Zhang Jinyu 教授、Ma En 教授、Sun Jun 院士は、これまでの成果に基づいて、超高体積分率の金属間化合物析出物、つまり凝集性の L12 ナノ相と非凝集性の低弾性率硬質プラスチック B2 ミクロ相を使用して、FCC に富んだ鉄錯体合金マトリックスを結合および強化することを提案しました (Acta Mater, 2022、233: 117981; Scripta Mater、2023、222: 115058)。室温での超高強度と均一な引張延性を実現するためのこの合金の設計コンセプトは、i) 高い反転ドメイン境界エネルギーを持つコヒーレントな L12 ナノ相を体積分率で多く使用して強度を高めること、および ii) 体積分率の低い低弾性の非コヒーレント B2 ミクロ相を導入することです。一方で、非コヒーレント界面は、コヒーレント界面よりも転位の動きを妨げ、降伏強度を向上させる効果があります。一方、複数の合金元素の導入により、B2 の逆相ドメイン境界が減少して可塑性が向上し、これらの粒子が転位蓄積ユニットとして機能し、加工硬化能力が向上します。
多主元素合金の設計コンセプトでは、複雑な合金の組成選択の余地が膨大になり、従来の「試行錯誤」方法に基づいて高性能合金を設計する場合、前例のない困難が生じます。{0}この目的を達成するために、チームメンバーは、ドメイン知識を支援した機械学習手法を使用してコンポーネントのスクリーニングを実施しました。最も重要な元素 (Ti ではなく) の Ta の相乗合金化は、高固溶度の軽元素 Al と L12 の逆相ドメイン境界を通じて達成され、その結果、L12+B2 二重析出相が強化された Fe35Ni29Co21Al12Ta3 (at.%) 複合合金が得られました (図 1)。 L12 ナノ相 (Al、Ta に富む) と B2 ミクロ相 (Al に富み、Ta に乏しい) の体積分率は、それぞれ約 67 体積% と約 15 体積% と高かった。コヒーレントな L12/FCC 界面と非コヒーレントな B2/FCC 界面はどちらも転位と強力に相互作用することができました (図 2)。転位を生成するだけでなく、転位を蓄積することもできます。特に、低弾性率の B2 ミクロン相は (FCC+L12) と比較できます。マトリックスに蓄積された転位の高密度化 (図 3) により、合金の加工硬化性能が大幅に向上し、それによって降伏/引張強さと引張延性が向上し、これまでに報告されているすべての合金よりも大幅に優れた、室温での前例のない強度塑性の組み合わせを合金が達成できるようになります (図 4)。チームが提案した合金設計戦略は、他の高性能合金の設計にも新しいアイデアを提供します。-
図 1. (a) ドメイン知識ベースの機械学習モデル (6 つのアクティブ学習サイクルで構成) は、超塑性を備えた FeNiCoAlTa 複合合金を予測します。 (b) 理論的に予測された降伏強度は実験的に測定された降伏強度と一致しており、機械学習モデルの信頼性が確認されています。 (c) 実験的に測定された降伏強度とモデルの反復回数の関係により、Fe35Ni29Co21Al12Ta3 複合合金の最適組成が明らかになります。
図2. (a-d) 三相構造を持つFe35Ni29Co21Al12Ta3複合合金の室温変形と界面特性-、つまり、転位はL12ナノ相を貫通し、低弾性率のB2ミクロ相に蓄積することができます。転位は、L12/FCC コヒーレント インターフェイスと B2/FCC 非コヒーレント インターフェイスの両方に存在します。 （e）複雑な合金の化学組成と分布特性、および多主成分L12ナノ相とB2ミクロ相の元素組成の原子プローブ分析。
図 3. ひずみ (a1-d1) ε=0、(a2-d2) ε=8%、および (a3-d3) ε=20% の Fe35Ni29Co21Al12Ta3 複合合金の各構成相の転位密度の変化。これは、低弾性率の B2 ミクロン相が (FCC+L12) マトリックスよりも高い転位密度を蓄積できることを示しています。
図4. (a-b) 異なる組成の複合合金の工学応力-ひずみおよび真応力-ひずみ曲線、(c) Fe35Ni29Co21Al12Ta3複合合金と他の2GPaグレードの超高強度金属材料(D&P鋼、マルテンサイト鋼、中高エントロピー合金)との加工硬化性能の比較-、および(d、e) Fe35Ni29Co21Al12Ta3複合合金と他の金属材料との降伏強度の均一引張伸びのマッチングと降伏強度の強いプラスチック製品のマッチングの比較。室温での機械的特性の組み合わせは、報告されている他の金属材料よりも大幅に優れています。
研究結果は、「高強度延性FeNiCoAlTa合金の機械学習設計」というタイトルでNature誌にオンライン掲載された。西安交通大学材料科学工学部の博士課程学生であるヤシル・ソハイル氏とチャン・チョングル氏は、それぞれこの論文の第一著者と第二著者である。 Zhang Jinyu 教授、Marx 教授、および学者 Sun Jun 氏はこの論文の共同責任著者です。 Liu Gang教授、Xue Dezhen、Yang Yang准教授、博士課程のZhang Donddong、Gao Shaohua、Fan Xiaoxuan、Zhang Hangもこの研究に参加した。西安交通大学の金属材料強度国家重点実験室が、この研究の唯一の伝達および完了部門である。西安交通大学材料科学部の留学生が筆頭著者としてNatureの論文を発表するのは今回が初めてである。この研究は、中国国家自然科学財団、111 人材紹介基地、陝西省科学技術イノベーション チーム プロジェクト、および中央大学基礎研究事業基金から資金提供を受けています。特性評価と試験の作業は、西安交通大学の分析試験共有センター、材料科学部の実験技術センター、および上海光源から強力な支援を受けています。