高級金屬合金在現(xiàn)代生活的關(guān)鍵部分必不可少，從汽車到衛(wèi)星，從建筑材料到電子產(chǎn)品。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處發(fā)生的事情的模糊理解，限制了為特定用途創(chuàng)造具有優(yōu)化強(qiáng)度、硬度、耐腐蝕性、導(dǎo)電性等的新合金。

當(dāng)兩種金屬混合在一起時(shí)，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(nèi)的原子晶格擴(kuò)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(xiàn)在還沒有系統(tǒng)的方法來預(yù)測它們會做什么。

crs研究人員發(fā)現(xiàn)了一種新方法，可以根據(jù)主要金屬晶粒之間邊界處的反應(yīng)來預(yù)測金屬合金的性能。在此圖像中，彩色圓點(diǎn)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(xué)院的研究人員現(xiàn)在已經(jīng)找到了一種方法，結(jié)合使用計(jì)算機(jī)模擬和機(jī)器學(xué)習(xí)過程，對這些特性進(jìn)行各種詳細(xì)的預(yù)測，可以指導(dǎo)開發(fā)用于各種應(yīng)用的新合金。這些發(fā)現(xiàn)今天在《自然通訊》雜志上發(fā)表，在研究生 Malik Wagih、博士后 Peter Larsen 和材料科學(xué)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(shù)金屬的多晶金屬的原子級行為是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。雖然單晶中的原子排列有序，因此相鄰原子之間的關(guān)系簡單且可預(yù)測，但大多數(shù)金屬物體中的多個(gè)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(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料中，有數(shù)百萬個(gè)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(shù)十億種可能的原子排列，而晶體中只有少數(shù)幾種。創(chuàng)造新合金涉及“試圖在金屬內(nèi)部設(shè)計(jì)這些區(qū)域，這比在晶體中設(shè)計(jì)復(fù)雜數(shù)十億倍。”

Schuh 對附近的人進(jìn)行了類比。“這有點(diǎn)像在郊區(qū)，你周圍可能有 12 個(gè)鄰居。在大多數(shù)金屬中，你環(huán)顧四周，你會看到 12 個(gè)人，他們都離你相同的距離。這是完全同質(zhì)的。而在晶界中，你仍然有大約 12 個(gè)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(tǒng)上，那些設(shè)計(jì)新合金的人只是簡單地跳過這個(gè)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(shí)并非如此。

相反，該團(tuán)隊(duì)決定通過檢查大量代表性案例的配置和交互的實(shí)際分布，然后使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法從這些特定案例中推斷出來，并提供整個(gè)范圍的預(yù)測值，從而嚴(yán)格地解決這個(gè)問題?？赡艿暮辖鹱兓?。

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(shí)也會導(dǎo)致脆化。根據(jù)合金的預(yù)期用途，工程師將嘗試優(yōu)化性能組合。在這項(xiàng)研究中，該團(tuán)隊(duì)根據(jù)文獻(xiàn)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(tǒng)地模擬了其中一些化合物，以研究它們的晶界構(gòu)型。這些用于使用機(jī)器學(xué)習(xí)生成預(yù)測，然后通過更集中的模擬進(jìn)行驗(yàn)證。機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測與詳細(xì)測量結(jié)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(shí)際上是可行的，Wagih 說。他說，根據(jù)這項(xiàng)研究編制的新數(shù)據(jù)庫已在公共領(lǐng)域提供，可以幫助任何正在設(shè)計(jì)新合金的人。

該團(tuán)隊(duì)正在推進(jìn)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(gè)可能的組合。” 他說，對于大多數(shù)這些組合，基本數(shù)據(jù)尚不可用，但隨著越來越多的模擬和數(shù)據(jù)收集完成，這些數(shù)據(jù)可以集成到新系統(tǒng)中。

喬治梅森大學(xué)物理學(xué)和天文學(xué)教授 Yuri Mishin 沒有參與這項(xiàng)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。偏析會使晶界發(fā)生災(zāi)難性的脆化或提高它們的內(nèi)聚力和滑動阻力。精確控制偏析能是設(shè)計(jì)具有先進(jìn)機(jī)械、熱或電子特性的新技術(shù)材料的有效工具。”

但是，他補(bǔ)充道，“現(xiàn)有分離模型的一個(gè)主要限制是依賴平均分離能量，這是一個(gè)非常粗略的近似值。” 他說，這就是該團(tuán)隊(duì)成功解決的挑戰(zhàn)：“研究質(zhì)量非常好，核心思想通過提供一個(gè)框架來快速篩選合金元素的分離能力，具有影響合金設(shè)計(jì)領(lǐng)域的巨大潛力。到晶界。”