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研究背景

隨著對(duì)高性能材料需求的增長(zhǎng)，包括多主元素合金 (MPEAs)在內(nèi)的復(fù)雜合金在多晶和非晶態(tài)中的研究和應(yīng)用日益增加。MPEAs由兩個(gè)或兩個(gè)以上的主元素組成，并可能包含非主元素。自2004年首次發(fā)現(xiàn)以來，有關(guān)MPEAs的文獻(xiàn)數(shù)量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。2010年發(fā)現(xiàn)的基于高熔點(diǎn)耐火元素的MPEAs，可以在高溫下保持高強(qiáng)度，成為航空航天和高超音速等領(lǐng)域的理想候選材料。2020年，研究人員匯編了約630種不同MPEAs的力學(xué)性能數(shù)據(jù)。由于金屬特別是MPEAs的成分空間廣泛且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鍵強(qiáng)度與宏觀機(jī)械性能之間的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系研究面臨巨大挑戰(zhàn)。這些障礙促使需要開發(fā)基于物理的簡(jiǎn)單有效的描述符，以加速材料設(shè)計(jì)。結(jié)合強(qiáng)度與金屬宏觀強(qiáng)度的關(guān)系對(duì)于理解MPEAs的力學(xué)性能和設(shè)計(jì)MPEAs材料具有重要意義。

成果簡(jiǎn)介

基于晶界在金屬?gòu)?qiáng)度中的作用，吉林大學(xué)高旺團(tuán)隊(duì)引入了一個(gè)預(yù)測(cè)模型，通過內(nèi)聚能和原子半徑來確定金屬的晶界能和強(qiáng)度。該方案源于緊密結(jié)合模型的d帶特性和斷裂鍵，并證明了不同金屬的排斥/吸引效應(yīng)對(duì)鍵強(qiáng)度變化的影響是不同的。該模型不僅適用于純金屬和MPEAs，而且還揭示了由元素組成、晶格結(jié)構(gòu)、高熵和非晶效應(yīng)引起的鍵強(qiáng)度的區(qū)別。這些發(fā)現(xiàn)通過利用易于獲取的材料特性，構(gòu)建了金屬的結(jié)合強(qiáng)度、晶界能和強(qiáng)度的物理圖譜，并為高強(qiáng)度合金的設(shè)計(jì)提供了可靠的方法。相關(guān)成果以“A roadmap from the bond strength to the grain-boundary energies and macro strength of metals”為題于2025年1月13日發(fā)表在Nature Commmunications上。

作者簡(jiǎn)介

高旺，吉林大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。2004和2009年分別獲吉林大學(xué)材料學(xué)專業(yè)學(xué)士和博士學(xué)位。2009-2014受聘于德國(guó)烏爾姆大學(xué)和德國(guó)馬普學(xué)會(huì)柏林弗里茨哈伯研究所理論部，從事博士后研究工作。2014年至今于吉林大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院任教授。入選教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃和海外高層次青年人才引進(jìn)計(jì)劃。目前，主要從事金屬材料損傷與強(qiáng)韌化理論計(jì)算研究。近年來在Sci. Adv., Nat. Commun., Phys. Rev. Lett., Acta Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.等國(guó)際學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文。

圖文導(dǎo)讀

該項(xiàng)工作提出了一種直接來源于鍵強(qiáng)度的內(nèi)在描述符，通過結(jié)合結(jié)合能和原子半徑來確定和預(yù)測(cè)金屬的強(qiáng)度。描述符構(gòu)建了面心立方（FCC）、六方密堆積（HCP）和體心立方（BCC）金屬的晶界能量預(yù)測(cè)框架，以及金屬鍵強(qiáng)度、晶界能量和強(qiáng)度的綜合物理圖像。此外，通過混合定律（RoM）估算，這些描述符可以應(yīng)用于多晶和非晶態(tài)的MPEAs。描述符是由d帶性質(zhì)和斷鍵機(jī)制啟發(fā)，并與經(jīng)典的模量理論相關(guān)聯(lián)，反映了堅(jiān)實(shí)的物理基礎(chǔ)。這些發(fā)現(xiàn)對(duì)于理解和預(yù)測(cè)金屬的強(qiáng)度特性具有重要意義。

圖1 晶界（GB）能量（EGB）作為描述符的函數(shù)。體心立方（BCC）金屬的GB能量(a) E_coh/r₀⁵和(b) E_coh /r₀^2.5。藍(lán)色方塊和橙色圓點(diǎn)代表BCC過渡金屬（TMs）和主族金屬（MGMs）。六方密堆積（HCP，綠色圓點(diǎn)）和面心立方金屬（FCC，紫色方框）的GB能量(c) E_coh/r₀⁵和(d) E_coh /r₀^2.5。(e) TMs的E_coh/r₀⁵（藍(lán)點(diǎn)）和(f) MGMs的E_coh /r₀^2.5（橙點(diǎn)）的平均GB能量。準(zhǔn)確度用平均絕對(duì)誤差（MAE）和回歸系數(shù)（R²）來衡量。所有虛線均由線性擬合得到。

圖2 描述符、先前提出的特性與不同過渡金屬（TMs，藍(lán)色方塊）和主族金屬（MGMs，橙色圓點(diǎn)）的宏觀性質(zhì)之間的相關(guān)性（a）間隙電子密度ρ0。（b）體積模量B。（c）平均聚變熱k_BT_m/Ω₀。（d）最大抗剪強(qiáng)度τ_max。準(zhǔn)確度用回歸系數(shù)（R²）來衡量。所有虛線均由線性擬合得到。

圖3 合金的宏觀性能作為描述符的函數(shù)。Al-Co-Cr-Cu-Fe-Mn-Ni基三維高熵合金（HEAs）和難熔金屬基HEAs的楊氏模量E （a）(E_coh/r₀⁵)_RoM和（b）(E_coh/r₀^2.5)_RoM。Zr-, Cu-, Ti-, Mg-, Fe-和堿土基大塊金屬玻璃（BMGs，以二元和多元素合金的形式）的（c）(E_coh/r₀⁵)_RoM、（d）(E_coh/r₀^2.5)_RoM、（e）帶有(E_coh/r₀^2.5)_RoM的斷裂強(qiáng)度σ_f?、（f）帶有(E_coh/r₀^2.5)_RoM?的描述符T_g/。準(zhǔn)確度用回歸系數(shù)（R²）來衡量。藍(lán)色和紅色圓圈分別代表HEAs和BMGs。所有虛線均由線性擬合得到。

結(jié)論展望

本文提出了基于內(nèi)聚能和原子半徑的描述符來表征金屬的鍵強(qiáng)度，并建立了從鍵強(qiáng)度到晶界能量和宏觀強(qiáng)度的定量結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系。從緊密結(jié)合模型的d帶特征和斷鍵機(jī)制出發(fā)，本文提出的描述符不僅適用于純金屬（包括TMs和MGMs），也適用于HEAs和BMGs，對(duì)比實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果顯示出良好的預(yù)測(cè)精度和廣泛的適用性。

該框架揭示了排斥（吸引）效應(yīng)在TMs和HEAs （MGMs和BMGs）鍵強(qiáng)度相關(guān)性質(zhì)變化中起核心作用的物理圖像，從而闡明了元素組成、晶格結(jié)構(gòu)、高熵效應(yīng)和非晶效應(yīng)在決定金屬?gòu)?qiáng)度中的作用。

本文提出的方案還反映了熔合熱、間隙電子密度和電子氣體的內(nèi)切球半徑，顯示出堅(jiān)實(shí)的物理基礎(chǔ)。這些發(fā)現(xiàn)不僅為從原子水平的角度理解鍵合強(qiáng)度與宏觀性能之間的關(guān)系提供了堅(jiān)實(shí)的物理指導(dǎo)，而且為加速高性能合金，特別是對(duì)于MPEAs的設(shè)計(jì)提供了有效的工具（也適用于與機(jī)器學(xué)習(xí)方法相結(jié)合）。

文獻(xiàn)信息

Xin Li, Hao Wu, Wang Gao* & Qing Jiang, “A roadmap from the bond strength to the grain-boundary energies and macro strength of metals”, Nature communication, 16, 615 (2025).

原創(chuàng)文章，作者：zhan1，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來源華算科技，注明出處：http://m.xiubac.cn/index.php/2025/01/17/9ccf6552ec/

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