研究人员发现设计金属合金的更好方法

系统使用机器学习来分析晶粒之间的边界，从而可以在新金属中选择所需的特性。从汽车到人造卫星，从建筑材料到电子产品，高级金属合金在现代生活的关键部分都至关重要。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的模糊理解，限制了针对特定用途创建具有最佳强度，硬度，耐腐蚀性，导电性等性能的新合金的开发。

研究人员发现了一种新的方法，可以根据原始金属晶粒之间的边界反应来预测金属合金的性能。在此图像中，彩色圆点表示原子将沿着这些边界聚集而不是穿透的可能性。图片由研究人员/麻省理工学院提供

当两种金属混合在一起时，次金属的原子可能沿着这些晶界聚集，或者它们可能会扩散穿过晶粒内的原子晶格。材料的整体性能很大程度上取决于这些原子的行为，但是到目前为止，还没有系统的方法来预测它们的作用。

crs研究人员发现了一种基于原始金属晶粒之间的边界反应来预测金属合金性能的新方法。在此图像中，彩色圆点表示原子将沿着这些边界聚集而不是穿透的可能性。麻省理工学院的研究人员现在已经找到了一种方法，结合了计算机模拟和机器学习过程，可以对这些性能进行各种详细的预测，从而可以指导新合金在各种应用中的开发。这项研究结果今天在《自然通讯》杂志上 发表，该论文由研究生Malik Wagih，博士后Peter Larsen以及材料科学与工程学教授Christopher Schuh撰写。

Schuh解释说，了解占我们使用的绝大多数金属的多晶金属的原子级行为是一项艰巨的挑战。尽管单晶中的原子以有序的方式排列，所以相邻原子之间的关系是简单且可预测的，大多数金属物体中的多个微小晶体却不是这种情况。“在我们称为晶界的地方，晶体被粉碎在一起。在传统的结构材料中，存在无数种这样的边界，”他说。

These boundaries help to determine the material’s properties. “You can think of them as the glue holding the crystals together,” he says. “But they are disordered, the atoms are jumbled up. They don’t match either of the crystals they’re joining.” That means they offer billions of possible atomic arrangements, he says, compared to just a few in a crystal. Creating new alloys involves “trying to design those regions inside a metal, and it’s literally billions of times more complicated than designing in a crystal.”

舒(Schuh)向周围的人打个比喻。“这有点像在郊区，您周围可能有12个邻居。在大多数金属中，您环顾四周，会看到12个人，并且他们都与您距离相同。这是完全同质的。在粮食边界，您仍然有大约12个邻居，但它们之间的距离不同，并且都是方向不同的大小不同的房屋。”

他说，传统上，那些设计新合金的人只是跳过了这个问题，或者只是以相同的眼光看待晶界的平均特性，即使他们知道事实并非如此。

相反，该团队决定通过检查大量典型案例的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案例中推断并提供整个范围内的预测值，来严格解决该问题。可能的合金变化。

在某些情况下，原子沿晶界聚集是一种理想的性能，可以增强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，工程师将尝试优化性能的组合。在这项研究中，研究小组根据文献中基本水平上描述的组合，研究了200多种不同的贱金属和合金金属组合。然后，研究人员系统地模拟了其中一些化合物，以研究其晶界构型。这些用于通过机器学习生成预测，然后通过更集中的仿真进行了验证。机器学习的预测与详细的测量非常匹配。

瓦吉说，结果，研究人员能够证明实际上被认为是不可行的许多合金组合是可行的。他说，这项研究汇编的新数据库已在公共领域提供，它可以帮助任何正在设计新合金的人。

团队正在推进分析。Schuh说：“在理想世界中，我们要做的是将元素周期表中的每种金属都加入其中，然后将元素周期表中的所有其他元素添加到元素周期表中。” “因此，您选择了元素周期表，并将其与之交叉，然后将检查所有可能的组合。” 他说，对于大多数这些组合来说，尚无法获得基本数据，但是随着越来越多的仿真和收集的数据可以将其集成到新系统中。

乔治·梅森大学的物理学和天文学教授尤里·米辛(Yuri Mishin)并未参与这项工作。他说：“合金中固溶元素的晶界偏析是材料科学中最基本的现象之一。偏析会灾难性地脆化晶界或改善其内聚力和滑动阻力。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：“现有隔离模型的主要限制是对平均隔离能量的依赖，这是非常粗略的近似值。” 他说，这就是该团队成功应对的挑战：“研究质量非常好，其核心思想通过为合金元素的分离能力提供快速筛选的框架，具有极大的潜力影响合金设计领域。到晶界。”

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