研究人員找到了設計金屬合金的更好方法

高級金屬合金在現代生活的關鍵部分必不可少，從汽車到衛星，從建筑材料到電子產品。但是，由于研究人員對構成大多數金屬的微小晶粒之間的邊界處發生的事情的模糊理解，限制了為特定用途創造具有優化強度、硬度、耐腐蝕性、導電性等的新合金。

當兩種金屬混合在一起時，第二金屬的原子可能會沿著這些晶界聚集，或者它們可能會通過晶粒內的原子晶格擴散開。材料的整體特性很大程度上取決于這些原子的行為，但直到現在還沒有系統的方法來預測它們會做什么。

crs研究人員發現了一種新方法，可以根據主要金屬晶粒之間邊界處的反應來預測金屬合金的性能。在此圖像中，彩色圓點表示原子沿這些邊界聚集而不是穿透的可能性。麻省理工學院的研究人員現在已經找到了一種方法，結合使用計算機模擬和機器學習過程，對這些特性進行各種詳細的預測，可以指導開發用于各種應用的新合金。這些發現今天在《自然通訊》雜志上發表，在研究生 Malik Wagih、博士后 Peter Larsen 和材料科學與工程教授 Christopher Schuh 的論文中有所描述 。

Schuh 解釋說，了解占我們使用的絕大多數金屬的多晶金屬的原子級行為是一項艱巨的挑戰。雖然單晶中的原子排列有序，因此相鄰原子之間的關系簡單且可預測，但大多數金屬物體中的多個微小晶體并非如此。“你有晶體在我們所謂的晶界處粉碎在一起。在傳統的結構材料中，有數百萬個這樣的邊界，”他說。

這些邊界有助于確定材料的屬性。“你可以把它們想象成把晶體粘在一起的膠水，”他說。“但它們是無序的，原子是混亂的。它們與它們加入的任何一種晶體都不匹配。” 他說，這意味著它們提供了數十億種可能的原子排列，而晶體中只有少數幾種。創造新合金涉及“試圖在金屬內部設計這些區域，這比在晶體中設計復雜數十億倍。”

Schuh 對附近的人進行了類比。“這有點像在郊區，你周圍可能有 12 個鄰居。在大多數金屬中，你環顧四周，你會看到 12 個人，他們都離你相同的距離。這是完全同質的。而在晶界中，你仍然有大約 12 個鄰居，但它們都處于不同的距離，而且都是不同方向的不同大小的房子。”

他說，傳統上，那些設計新合金的人只是簡單地跳過這個問題，或者只是看看晶界的平均特性，好像它們都一樣，即使他們知道事實并非如此。

相反，該團隊決定通過檢查大量代表性案例的配置和交互的實際分布，然后使用機器學習算法從這些特定案例中推斷出來，并提供整個范圍的預測值，從而嚴格地解決這個問題。可能的合金變化。

在某些情況下，原子沿晶界聚集是一種理想的特性，可以提高金屬的硬度和耐腐蝕性，但有時也會導致脆化。根據合金的預期用途，工程師將嘗試優化性能組合。在這項研究中，該團隊根據文獻中基本水平描述的組合，檢查了 200 多種賤金屬和合金金屬的不同組合。然后，研究人員系統地模擬了其中一些化合物，以研究它們的晶界構型。這些用于使用機器學習生成預測，然后通過更集中的模擬進行驗證。機器學習預測與詳細測量結果非常吻合。

因此，研究人員能夠證明，許多被排除為不可行的合金組合實際上是可行的，Wagih 說。他說，根據這項研究編制的新數據庫已在公共領域提供，可以幫助任何正在設計新合金的人。

該團隊正在推進分析。“在我們的理想世界中，我們要做的是獲取元素周期表中的每一種金屬，然后我們將元素周期表中的所有其他元素添加到其中，”Schuh 說。“所以你把元素周期表和它本身交叉，你會檢查每一個可能的組合。” 他說，對于大多數這些組合，基本數據尚不可用，但隨著越來越多的模擬和數據收集完成，這些數據可以集成到新系統中。

喬治梅森大學物理學和天文學教授 Yuri Mishin 沒有參與這項工作，他說：“合金中溶質元素的晶界偏析是材料科學中最基本的現象之一。偏析會使晶界發生災難性的脆化或提高它們的內聚力和滑動阻力。精確控制偏析能是設計具有先進機械、熱或電子特性的新技術材料的有效工具。”

但是，他補充道，“現有分離模型的一個主要限制是依賴平均分離能量，這是一個非常粗略的近似值。” 他說，這就是該團隊成功解決的挑戰：“研究質量非常好，核心思想通過提供一個框架來快速篩選合金元素的分離能力，具有影響合金設計領域的巨大潛力。到晶界。”