環(huán)球科普：一種更好的金屬合金設(shè)計方法


研究人員發(fā)現(xiàn)了一種新的方法，基于在原始金屬晶粒邊界之間的反應(yīng)，以預(yù)測金屬合金的性能。在這幅圖中，彩色的圓點表示原子沿著邊界聚集而非穿透邊界的可能性。圖片來源:麻省理工學(xué)院
從汽車到衛(wèi)星，從建筑材料到電子產(chǎn)品，先進的金屬合金在現(xiàn)代生活的關(guān)鍵部分中必不可少。但是，由于研究人員對構(gòu)成大多數(shù)金屬的微小晶粒之間的邊界一知半解，限制了為特定用途創(chuàng)造具有最佳強度、硬度、耐腐蝕性和導(dǎo)電性等性能的新合金。
當(dāng)兩種金屬混合在一起時，次級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界內(nèi)的原子晶格分散開來。材料的整體性能很大程度上取決于這些原子的行為，但迄今為止還沒有系統(tǒng)方法可以預(yù)測它們的行為。
麻省理工學(xué)院的研究人員現(xiàn)在找到了一種方法，結(jié)合計算機模擬和機器學(xué)習(xí)過程，對這些性質(zhì)進行詳細預(yù)測，從而引導(dǎo)用于各種應(yīng)用的新型合金的開發(fā)。這些發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《自然-通訊》雜志上，論文由研究生Malik Wagih、博士后Peter Larsen以及材料科學(xué)與工程教授Christopher Schuh撰寫。


圖片來源：Pixabay
Schuh解釋說，多晶金屬占我們所使用金屬的絕大部分，了解多晶金屬的原子級行為是一項艱巨的挑戰(zhàn)。雖然單個晶體中的原子排列有序，相鄰原子之間的關(guān)系簡單且可預(yù)測，但大多數(shù)金屬物體中的多個微小晶體卻并非如此。“晶體在我們稱之為晶界的地方糅合在一起，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料中，有成千上萬的這樣的邊界?！?br> 這些邊界有助于確定材料的性質(zhì)。他說:“你可以把它們看作是把晶體粘在一起的膠水?！薄暗撬鼈兪菬o序的，原子是雜亂的。它們與相融合兩邊的晶體都不匹配?！彼f，這意味著它們存在數(shù)十億種可能的原子排列方式，而晶體的排列方式只有幾種。創(chuàng)造新的合金涉及“試圖在金屬內(nèi)部設(shè)計那些區(qū)域，這確實比設(shè)計晶體要復(fù)雜數(shù)十億倍?！?br> Schuh用鄰里鄰居做了一個類比?！斑@有點像住在郊區(qū)，周圍可能有12個鄰居。在大多數(shù)金屬中，你環(huán)顧四周，你會看到12個人，他們離你的距離都是一樣的。這完全是同質(zhì)的。而在一個顆粒邊界，你仍然有大約12個鄰居，但他們都在不同的距離，他們都是不同大小的房子，在不同的方向?！?br> 他說，傳統(tǒng)上，設(shè)計新合金的人會直接忽略這一問題，或者只關(guān)注晶界的平均性質(zhì)，就好像它們都是一樣的，盡管他們知道事實并非如此。
相反,團隊決定通過檢查大量典型案例的配置和交互的實際分布來嚴格地處理這個問題，然后使用機器學(xué)習(xí)算法從這些具體情況進行推斷，并為一系列可能的合金變化提供預(yù)測值。
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抗腐蝕能力，但有時也會導(dǎo)致脆化。根據(jù)一種合金的預(yù)期用途，工程師們將嘗試優(yōu)化其性能組合。在這項研究中，該團隊基于文獻中描述的基本組合，檢測了200多種不同的賤金屬和合金金屬組合。研究人員隨后系統(tǒng)地模擬了其中一些化合物，以研究它們的晶界構(gòu)型。這些數(shù)據(jù)被用于使用機器學(xué)習(xí)生成預(yù)測，而這些預(yù)測又被更多的模擬驗證。機器學(xué)習(xí)的預(yù)測與詳細的測量結(jié)果非常吻合。


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因此，研究人員能夠證明許多被排除在外的合金組合實際上是可行的。Wagih說，這項研究匯編的新數(shù)據(jù)庫已經(jīng)在公共領(lǐng)域開放，可以幫助任意一位正在設(shè)計新合金的人。
該小組正在加緊進行分析?！霸谖覀兝硐朐O(shè)定中，我們要把元素周期表里的每一種金屬都拿出來，然后把元素周期表里的每一種元素都加到這些金屬里去，”Schuh說?！八阅隳弥芷诒恚徊鏅z查每一種可能的組合?！彼f，對于大部分組合，目前還沒有基本數(shù)據(jù)，但隨著越來越多的模擬和數(shù)據(jù)收集的完成，這些組合就可以集成到新系統(tǒng)中。
喬治梅森大學(xué)的物理學(xué)和天文學(xué)教授Yuri Mishin（沒有參與這項工作），他說:“合金中溶質(zhì)元素的晶界偏析是材料科學(xué)中最基本的現(xiàn)象之一。偏析會對晶界產(chǎn)生災(zāi)難性的脆化作用或提高晶界的黏聚力和抗滑性。對偏析能的精確控制是設(shè)計具有先進機械性能、熱學(xué)性能或電子性能的新技術(shù)材料的有效工具。
但是，Yuri Mishin教授補充說，“現(xiàn)有偏析模型的一個主要局限是依賴于平均偏析能，這是一個非常粗糙的近似。”但這個團隊已經(jīng)成功解決了這一挑戰(zhàn)。對于這個研究，他評價道，“研究質(zhì)量是優(yōu)秀的，核心思想具有重要的潛力，通過提供一個基于合金性能的快速篩選框架，將對合金設(shè)計領(lǐng)域界定合金晶界產(chǎn)生影響?！?br>


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