研究人员开发确定金属延展性的独特量子力学方法

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发布时间：2023-08-17

光子盒研究院

来自埃姆斯国家实验室和得克萨斯农工大学的科学家团队开发出了一种预测金属延展性的新方法。这种基于量子力学的方法满足了对廉价、高效、高通量的延展性预测方法的需求。

研究结果以“A ductility metric for refractory-based multi-principal-element alloys”为题，发表在《材料学报》上。

研究小组在难熔多元素合金上演示了这种方法的有效性。这些材料在高温条件下的应用备受关注，但它们往往缺乏必要的延展性，无法应用于航空航天、核聚变反应堆和陆基涡轮机等领域。

延展性是指材料在不开裂或断裂的情况下承受物理应变的能力。据埃姆斯实验室科学家、理论设计工作负责人Prashant Singh介绍，目前还没有预测金属延展性的可靠方法。此外，试错实验既昂贵又耗时，尤其是在极端条件下。

原子建模的典型方法是使用对称的刚性球体。然而，Singh解释说，在实际材料中，原子大小不一、形状各异；当混合具有不同大小原子的元素时，原子会不断调整以适应固定的空间。这种行为会造成局部原子畸变(distortion)。

新的分析方法结合了局部原子畸变来确定材料是脆性还是延展性。它还扩展了当前方法的功能。“对于微小的成分变化，它们（当前方法）在区分韧性和脆性系统方面效率不高。但新方法可以捕捉到这种非微小的细节，因为现在我们在方法中增加了量子力学特征，而这是以前所缺少的。”Singh 解释说。

这种新的高通量测试方法的另一个优点是效率高。Singh表示，它可以快速测试数千种材料。这种速度和能力使得预测哪些材料组合值得进行实验成为可能——这就最大限度地减少了通过实验方法发现这些材料所需的时间和资源。

为了确定他们的延展性测试效果如何，埃姆斯国家实验室科学家Gaoyuan Ouyang领导了团队的实验工作。他们对一组预测的难熔多主元素合金（RMPEAs）进行了验证测试：RMPEAs 是一种有可能用于高温环境的材料，如航空航天推进系统、核反应堆、涡轮机和其他能源应用。

拟议的 LLD 指标用于表征 bcc 难熔金属的延展性。

研究小组发现，较高（增加）的电荷活性是体心立方金属延展性提高的原因。黄色区域代表间隙（原子之间的区域）中较高的电子电荷，对应于电荷活性的增加，从而导致较高的延展性。浅蓝色区域是电荷活性较弱的间隙。在这张图片中，每个原子都用不同的颜色表示，如上文所述的钽（Ta）、钼（Mo）和钨（W）。蓝色、粉色和红色等值线显示了每个位点周围的电荷分布。

通过验证测试，研究小组发现：预测的韧性金属在高应力下发生了显著变形，而脆性金属则在类似载荷下开裂，这证实了新量子力学方法的稳健性。

参考链接：

[1]https://www.eurekalert.org/news-releases/998473

[2]https://phys.org/news/2023-08-unique-quantum-mechanical-approach-metal.html