Une limite d'élasticité élevée et une plasticité à la traction sont cruciales pour les applications techniques des matériaux métalliques. Actuellement, seuls quelques aciers à ultra-haute résistance-atteignent une limite d'élasticité globale (σy) de 2 GPa. Cependant, ils n'ont pas une capacité d'écrouissage suffisante lors de la déformation plastique, ce qui fait que la déformation uniforme signalée dans les essais de traction uniaxiale standard est composée d'un écoulement plastique dentelé provoqué par des bandes de déformation localisées, plutôt que d'un véritable allongement uniforme (ɛu). Ces aciers à ultra-haute résistance-, tels que les aciers maraging, ont généralement un allongement uniforme très faible (par exemple, ɛu ~ 5 %). Bien que le mécanisme classique de renforcement de la deuxième phase puisse améliorer efficacement la limite d'élasticité des matériaux, le niveau de renforcement est limité par la faible fraction volumique de la deuxième phase dans l'alliage (souvent < 50 vol. %), ce qui entraîne une forte diminution de la plasticité en traction. Par conséquent, concevoir des alliages présentant à la fois une limite d’élasticité σy ~ 2 GPa et un allongement uniforme ɛu nettement supérieur à 10 % constitue un défi majeur en science des matériaux.
En réponse aux défis ci-dessus, le professeur Zhang Jinyu, le professeur Ma En et l'académicien Sun Jun du National Key Laboratory of Metal Material Strength de l'Université Xi'an Jiaotong ont proposé l'utilisation de précipités de composés intermétalliques à fraction volumique ultra-élevée, à savoir la phase nano cohérente L12 et la phase micro B2 en plastique dur à faible module non cohérent, pour coupler et renforcer la matrice d'alliage complexe de fer riche en fer FCC sur la base de leurs réalisations précédentes (Acta Mater, 2022, 233 : 117981 ; Scripta Mater, 2023, 222 : 115058). Afin d'obtenir une résistance ultra élevée et une grande ductilité en traction uniforme à température ambiante, le concept de conception de cet alliage est le suivant : i) augmenter sa résistance avec une fraction volumique élevée de phase nano L12 cohérente avec une énergie limite de domaine d'inversion élevée, et ii) d'introduire une fraction volumique élevée de microphase B2 non cohérente à faible module ; D’une part, les interfaces non cohérentes sont plus efficaces pour empêcher le mouvement des dislocations et améliorer la limite d’élasticité que les interfaces cohérentes. D'autre part, l'introduction de plusieurs éléments d'alliage réduit la limite du domaine anti-phase de B2 pour augmenter sa plasticité, permettant à ces particules d'agir comme des unités de stockage de dislocations et d'améliorer la capacité d'écrouissage.
Le concept de conception des alliages à plusieurs éléments principaux entraîne un énorme espace de sélection de composition pour les alliages complexes, ce qui pose des difficultés sans précédent pour la conception d'alliages à hautes-performances basés sur des méthodes traditionnelles d'essais et d'erreurs. À cette fin, les membres de l’équipe ont effectué une sélection des composants à l’aide de méthodes d’apprentissage automatique assistées par la connaissance du domaine. L'alliage synergique de l'élément Ta (plutôt que de l'élément Ti) le plus important a été obtenu grâce aux limites de domaine de phase opposée des éléments légers à haute solubilité solide Al et L12, ce qui a donné lieu à l'alliage complexe Fe35Ni29Co21Al12Ta3 (at.%) renforcé par la phase de précipitation double L12+B2 (Figure 1). Les fractions volumiques de la phase nano L12 (riche en Al, Ta) et de la phase micro B2 (riche en Al, pauvre en Ta) atteignaient respectivement environ 67 % en volume et environ 15 % en volume. L’interface cohérente L12/FCC et l’interface non cohérente B2/FCC étaient capables d’interagir fortement avec les dislocations (Figure 2). Non seulement il peut générer des dislocations, mais il peut également stocker des luxations, en particulier la phase micronique B2 à faible module peut être comparée à (FCC + L12). La densité plus élevée de dislocations stockées dans la matrice (Figure 3) améliore considérablement les performances d'écrouissage de l'alliage, améliorant ainsi sa limite d'élasticité/résistance à la traction et sa ductilité à la traction, permettant à l'alliage d'atteindre une combinaison de résistance et de plasticité sans précédent à température ambiante, nettement meilleure que tous les alliages rapportés à ce jour (Figure 4). La stratégie de conception d'alliages proposée par l'équipe fournit également de nouvelles idées pour la conception d'autres alliages à haute -performance.
Figure 1. (a) Un modèle d'apprentissage automatique basé sur la connaissance du domaine (composé de six cycles d'apprentissage actif) prédit l'alliage complexe FeNiCoAlTa avec une super plasticité. (b) La limite d'élasticité théorique prévue est cohérente avec la limite d'élasticité mesurée expérimentalement, confirmant la fiabilité du modèle d'apprentissage automatique. (c) La relation entre la limite d'élasticité mesurée expérimentalement et le nombre d'itérations du modèle révèle la composition optimale de l'alliage complexe Fe35Ni29Co21Al12Ta3.
Figure 2. (a-d) Déformation à température ambiante et caractéristiques d'interface de l'alliage complexe Fe35Ni29Co21Al12Ta3 avec une structure triphasée-, c'est-à-dire que les dislocations peuvent couper la phase nano L12 et se stocker dans la phase micro B2 à faible module. Des dislocations existent aux interfaces L12/FCC cohérentes et B2/FCC non cohérentes ; (e) Analyse par sonde atomique de la composition chimique et des caractéristiques de distribution des alliages complexes, ainsi que de la composition élémentaire de la phase nano L12 multi-principale et de la phase micro B2.
Figure 3. Evolution de la densité de dislocations de chaque phase constitutive dans l'alliage complexe Fe35Ni29Co21Al12Ta3 avec déformation (a1-d1) ε=0, (a2-d2) ε=8 % et (a3-d3) ε{=20 %, indiquant que la phase micronique B2 à faible module peut stocker une densité de dislocations plus élevée que la matrice (FCC+L12).
Figure 4. (a-b) Courbes de contrainte d'ingénierie-déformation et de contrainte réelle-d'alliages complexes avec différentes compositions, (c) Comparaison des performances d'écrouissage de l'alliage complexe Fe35Ni29Co21Al12Ta3 avec d'autres matériaux métalliques à ultra-haute résistance de qualité 2GPa (acier D&P, acier martensitique, alliages à entropie moyennement élevée), et (d, e) Comparaison de correspondance d'allongement à la traction uniforme de limite d'élasticité et correspondance de produit en plastique solide de limite d'élasticité de l'alliage complexe Fe35Ni29Co21Al12Ta3 avec d'autres matériaux métalliques. La combinaison des propriétés mécaniques à température ambiante est nettement supérieure à celle des autres matériaux métalliques signalés.
Les résultats de la recherche ont été publiés en ligne dans Nature sous le titre « Conception d’apprentissage automatique d’alliages ductiles FeNiCoAlTa à haute résistance ». Yasir Sohail et Zhang Chongle, doctorants de l'École de science et d'ingénierie des matériaux de l'Université Xi'an Jiaotong, sont respectivement le premier et le deuxième auteurs de l'article. Les professeurs Zhang Jinyu, Marx et l'académicien Sun Jun sont les co-auteurs correspondants de l'article. Les professeurs Liu Gang, Xue Dezhen, le professeur agrégé Yang Yang et les doctorants Zhang Dongdong, Gao Shaohua, Fan Xiaoxuan et Zhang Hang ont également participé aux travaux. Le Laboratoire national clé de résistance des matériaux métalliques de l'Université Jiaotong de Xi'an est la seule unité de communication et de réalisation de ce travail. Ce travail est la première fois que des étudiants étrangers de l'École des sciences des matériaux de l'Université Jiaotong de Xi'an publient un article sur Nature en tant que premier auteur. Ce travail a reçu un financement de la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine, de la 111 Talent Introduction Base, du projet d'équipe d'innovation scientifique et technologique de la province du Shaanxi et du Fonds d'affaires de recherche fondamentale de l'Université centrale. Les travaux de caractérisation et de tests ont reçu un fort soutien de la part du Centre partagé d'analyse et de tests de l'Université Jiaotong de Xi'an, du Centre de technologie expérimentale de l'École des sciences des matériaux et de Shanghai Light Source.