写道氮杂2020年12月14日
高级金属合金在现代生活的关键部分，从汽车到卫星，从建筑材料到电子产品。亚博网站下载但为特定用途创造新合金，具有优化的强度，硬度，耐腐蚀，导电性等，受到研究人员的模糊理解对构成大多数金属的微小晶粒之间的界限发生的事情的影响。
研究人员发现了一种新的方法来预测金属合金的性质，这种方法是基于原始金属晶粒之间的边界反应。在这幅图中，彩色的点表示原子沿着这些边界聚集而不是穿透的可能性。图片由研究人员提供
当两种金属混合在一起时，次级金属的原子可能会沿着这些晶界聚集，或者它们可能会通过晶内的原子晶格向外扩散。材料的整体属性很大程度上是由这些原子的行为决定的，但直到现在还没有系统的方法来预测它们将会做什么。
麻省理工学院(MIT)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，对这些特性进行详细的预测，这可以指导新合金的广泛应用的开发。研究结果发表在今天的杂志上自然通讯，在研究生Malik Wagih，Postdoc Peter Larsen，以及材料科学与工程教授Christopher Schuh。亚博网站下载亚博老虎机网登录
Schuh解释说，理解多晶金属的原子级行为是一项艰巨的挑战，我们使用的绝大多数金属都是多晶金属。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却不是这样。“你有水晶在我们称之为谷物边界的情况下砸在一起。在传统的结构材料中，有数百万的界限，“他说。
这些边界有助于确定材料的性质。“你可以把它们想象成将晶体粘合在一起的胶水，”他说。“但是它们是无序的，原子是混乱的。它们与它们所连接的任何一种晶体都不匹配。”他说，这意味着它们提供了数十亿种可能的原子排列方式，而晶体中只有少数几种。创造新的合金包括试图在金属里面设计这些区域，它的字面上比在晶体中设计更复杂的数十亿次。“
Schuh向社区中的人们汲取了比喻。“这有点像在郊区，你可能会在你身边有12个邻居。在大多数金属中，你环顾四周，你看到12人，他们都远离你的距离。它完全同质化。虽然在谷物边界中，你仍然有12个邻居，但它们都在不同的距离，它们都是不同的方向的不同方面。“
传统上，他说，那些设计新合金的人只是跳过这个问题，或者只是看看谷物边界的平均属性，好像它们都是一样的，即使他们知道这不是这种情况。
相反，该团队通过检查大量代表性情况的实际配置和交互的实际分布，然后使用机器学习算法从这些特定情况推断并提供预测值，并为整个范围提供预测值来严格接近问题可能的合金变化。
在一些情况下，沿着晶界的原子聚类是所需的性质，可以增强金属的硬度和耐腐蚀性，但它有时也可以导致脆化。根据合金的预期用途，工程师将尝试优化属性的组合。对于这项研究，基于在文献中的基本水平上描述的组合，该团队研究了200多种不同的基础金属和合金化金属组合。然后，研究人员系统地模拟了一些这些化合物以研究其晶界配置。这些用于使用机器学习生成预测，这反过来又通过更加集中的模拟验证。机器学习预测与详细测量相匹配。
因此，研究人员能够表明许多合金组合被排除为不可行的实际上是可行的，WAGIH说。他说，从本研究中编制的新数据库已经提供，可以帮助任何人在设计新合金上设计新合金。
该小组正在进行分析工作。“在我们理想的世界中，我们所做的是在周期表中占据每一个金属，然后我们会在周期表中添加每个其他元素，”Schuh说。“所以你拿起周期表，你自己穿过它，你会检查一切可能的组合。”对于大多数组合，基本数据尚不可用，但随着越来越多的仿真以及收集的数据，可以将其集成到新系统中。
没有参与这项工作的乔治梅森大学物理学和天文学教授尤里·米申说合金中溶质元素的晶界偏析是材料科学中最基本的现象之一。亚博网站下载亚博老虎机网登录偏析会使晶界发生灾难性脆化或提高晶界的内聚力和抗滑动能力。对偏析能的精确控制是设计具有先进机械、热或电子性能的新工艺材料的有效工具。亚博网站下载
但是，他补充道，“现有偏析模型的一个主要局限性是依赖平均偏析能，这是一个非常粗略的近似。他说，这就是这个团队成功解决的挑战:“研究质量很好，核心思想通过提供一种用于快速筛选合金元素的框架来影响合金设计领域，以便它们分离晶界的能力。”
该工作得到了美国能源部，基本能源科学厅的支持。亚博老虎机网登录
来源：https://www.mit.edu/education/