作者:大卫·L
麻省理工学院钱德勒 研究人员发现了一种新的方法来预测金属合金的性能，这种方法是基于原生金属晶粒间的反应
在这张图片中，彩色的点表示原子将沿着这些边界聚集而不是穿透的可能性
学分:麻省理工学院 从汽车到卫星，从建筑材料到电子产品，先进的金属合金在现代生活的关键部分是必不可少的
但是，由于研究人员对构成大多数金属的微小晶粒之间的边界发生了什么的模糊理解，开发具有优化的强度、硬度、耐腐蚀性、导电性等特殊用途的新型合金受到了限制
当两种金属混合在一起时，第二种金属的原子可能沿着这些晶界聚集，或者它们可能通过晶粒内的原子晶格扩散
这种材料的整体性质很大程度上是由这些原子的行为决定的，但是到目前为止还没有系统的方法来预测它们会做什么
麻省理工学院的研究人员现在已经找到了一种方法，利用计算机模拟和机器学习过程的结合，对这些特性进行各种详细的预测，从而可以指导开发用于各种应用的新型合金
这些发现发表在今天的《自然通讯》杂志上，由研究生马利克·瓦吉、博士后皮特·拉尔森和材料科学与工程教授克里斯托弗·舒赫撰写的论文中
舒赫解释说，理解多晶金属的原子级行为是一项艰巨的挑战，多晶金属占我们使用的金属的绝大多数
虽然单晶中的原子排列有序，因此相邻原子之间的关系简单且可预测，但大多数金属物体中的多个微小晶体并非如此
“在我们称之为晶界的地方，晶体被打碎了
在传统的结构材料中，有数以百万计的这样的边界，”他说
这些边界有助于确定材料的属性
“你可以把它们想象成把水晶粘在一起的胶水，”他说
“但它们是无序的，原子是混杂的
他们和他们要加入的水晶都不匹配
“这意味着它们提供了数十亿种可能的原子排列，他说，相比之下，晶体中只有几个
创造新合金包括“试图设计金属内部的那些区域，这比设计晶体要复杂几十亿倍
" 舒赫用邻居做了个类比
“这有点像在郊区，你周围可能有12个邻居
在大多数金属中，你环顾四周，你会看到12个人，他们离你的距离相同
这完全是同质的
然而在一个颗粒边界，你仍然有12个邻居，但是他们都在不同的距离，他们都是不同方向的不同大小的房子
" 他说，传统上，那些设计新合金的人只是跳过这个问题，或者只是看晶界的平均性质，就好像它们都是一样的，尽管他们知道事实并非如此
相反，该团队决定通过检查大量代表性情况下的配置和相互作用的实际分布来严格处理这个问题，然后使用机器学习算法从这些特定情况中进行推断，并为一系列可能的合金变化提供预测值
在某些情况下，沿晶界聚集的原子是一种理想的性能，可以提高金属的硬度和耐腐蚀性，但有时也会导致脆化
根据合金的预期用途，工程师将试图优化性能的组合
在这项研究中，研究小组检查了200多种不同的贱金属和合金金属的组合，这些组合都是在文献的基础上描述的
研究人员随后系统地模拟了其中一些化合物，以研究它们的晶界构型
这些被用来生成使用机器学习的预测，这些预测又被更集中的模拟验证
机器学习的预测与详细的测量非常吻合
瓦吉说，因此，研究人员能够证明，许多被排除在外的合金组合事实上是可行的
他说，根据这项研究编辑的新数据库已经在公共领域提供，可以帮助任何正在设计新合金的人
该小组正在加紧进行分析
“在我们的理想世界里，我们要做的是把元素周期表中的每一种金属都带走，然后把元素周期表中的其他元素都加进去，”舒赫说
“所以你拿着元素周期表，把它和它自己交叉，你会检查每一个可能的组合
“对于大多数这些组合，基本数据还不可用，但随着越来越多的模拟完成和数据收集，这些可以整合到新系统中，”他说
乔治梅森大学的物理学和天文学教授尤里·米申没有参与这项工作，他说:“合金中溶质元素的晶界偏聚是材料科学中最基本的现象之一
偏析会严重脆化晶界或提高其内聚力和抗滑性
精确控制分离能是设计具有先进机械、热或电子特性的新技术材料的有效工具
" 但是，他补充说，“现有分离模型的一个主要限制是依赖平均分离能，这是一个非常粗略的近似值
他说，这是该团队成功应对的挑战:“研究质量非常好，核心理念通过提供一个快速筛选合金元素的框架，使其能够分离到晶界，从而对合金设计领域产生重大影响。”
"
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
