處理金屬材料以優(yōu)化其應(yīng)用性能的新方法

一些固體金屬以各種結(jié)構(gòu)形式存在，這種現(xiàn)象稱為多態(tài)現(xiàn)象。例如，鐵在室溫下采用一種類型的立方晶格（α-鐵），但在高于912°C時會轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N（γ-鐵）。這是一個相變的例子-在溫度或壓力逐漸變化的過程中，材料的原子結(jié)構(gòu)發(fā)生突然變化。長期以來，將與碳合金化的鐵從高溫快速冷卻時發(fā)生的γ-轉(zhuǎn)變?yōu)棣?鐵已被用來生產(chǎn)堅硬的鋼。相比之下，純鐵柔軟而易延展。Meiners

等人在《自然》中撰文。1個報告指出，在構(gòu)成大多數(shù)純金屬的微小晶體之間的界面上，也可能發(fā)生多態(tài)相變。這一發(fā)現(xiàn)提出了一種處理金屬材料以優(yōu)化其應(yīng)用性能的新方法。絕大多數(shù)的固體金屬及其合金是多晶體-數(shù)十億個被稱為晶粒的微小單晶的集合，它們被晶界隔開。這些邊界通常是導(dǎo)致材料變脆并破裂的“薄弱環(huán)節(jié)”。但是，它們也可以用于增強(qiáng)材料，因為某些晶界有效地阻止了位錯滑動（金屬可塑性的基本機(jī)制，涉及晶格缺陷的運(yùn)動）。大約一個世紀(jì)前，人們認(rèn)為2晶界是約一微米厚的非晶層。但是，現(xiàn)代顯微鏡工具發(fā)現(xiàn)3，這些邊界處扭曲的原子結(jié)構(gòu)只有幾埃斯特龍厚，可與原子間的距離相媲美。現(xiàn)在還已知，大多數(shù)晶界的原子結(jié)構(gòu)可以被認(rèn)為是某些原子結(jié)構(gòu)單元4的周期性排列，也就是說，晶界可以被認(rèn)為是具有自己的原子結(jié)構(gòu)的二維晶體，與它們分離的谷物的結(jié)構(gòu)有很大不同。一個關(guān)鍵問題是這些2D結(jié)構(gòu)是否經(jīng)歷與相鄰晶粒中的相變無關(guān)的相變。對于由兩種或兩種以上成分組成的合金，答案是肯定的。這樣的相變已被廣泛地表征在實(shí)驗中，并通過理論和計算模型已經(jīng)描述5，6。這種情況是為純金屬不太清楚：間接證據(jù)7，8暗示，相變是可能在純錫和銅的晶界，但沒有直接觀察已作出。觀察晶界原子結(jié)構(gòu)的變化是一項艱巨的任務(wù)，因為僅需要改變晶界上原子的微小位移即可改變其結(jié)構(gòu)，并且原子在晶界中的移動要比晶粒9中快得多。Meiners

等?，F(xiàn)在報道，晶界相變發(fā)生在純銅中。作者研究了在超凈條件下沉積在藍(lán)寶石襯底上的銅薄膜中的幾個晶界，以排除雜質(zhì)的任何潛在影響。他們使用掃描透射電子顯微鏡直接成像了薄膜樣品中原子列的位置。它們的原子分辨率圖像揭示了在兩個具有相似幾何參數(shù)的晶界中兩個不同原子結(jié)構(gòu)的共存，這在相變過程中是可以預(yù)期的。作者根據(jù)其中的原子形成的圖案將這些結(jié)構(gòu)稱為多米諾和珍珠相（圖1）。然而，僅此觀察并不能構(gòu)成相變的證據(jù)，因為兩相中的一相可能處于高度不穩(wěn)定的狀態(tài)，該狀態(tài)在銅膜的沉積過程中形成，并在冷卻時保留在固態(tài)膜中。因此，作者在晶粒邊界的原子計算機(jī)模擬中使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法（進(jìn)化算法）獲得了進(jìn)一步的證明，該晶粒邊界具有與實(shí)驗觀察到的邊界相同的幾何形狀。模擬表明，珍珠相對應(yīng)于晶界的最低能態(tài)，而多米諾相則處于亞穩(wěn)態(tài)。模擬結(jié)果還表明，當(dāng)應(yīng)力垂直于模擬晶界的平面施加時，亞穩(wěn)態(tài)的多米諾骨相穩(wěn)定。Meiners和同事的工作清楚地證明了相變發(fā)生在純金屬的晶界中，從而為材料設(shè)計開辟了新的機(jī)會。散裝金屬的多晶型物可能的數(shù)量一般限于，但品種晶界結(jié)構(gòu)和它們的可能的多晶型物的亞穩(wěn)態(tài)的（有時被稱為膚色6）基本上是無限的10，11。因此，可以設(shè)想一種處理技術(shù)，該技術(shù)通過產(chǎn)生晶界相（穩(wěn)定或亞穩(wěn)）來優(yōu)化材料的整體性能，該晶界相可以使邊界的正效應(yīng)最大化，而將其負(fù)效應(yīng)最小化。例如，如果可以在鋁中產(chǎn)生晶界多晶型物，從而有效地阻止位錯滑動（以最大化機(jī)械強(qiáng)度）并最小化電子散射（以最小化電阻率），則所得金屬將成為制造架空導(dǎo)線的“理想材料”電源線-無需使用更昂貴的鋁基復(fù)合線。但是，是否可以在實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)晶界上工程相變的全部潛力還有待觀察。原因之一是不清楚如何設(shè)計產(chǎn)生所需晶界相的加工方法。此外，一種稱為晶界工程12的類似概念（使用加工方法來獲得具有所需幾何形狀和特性的晶界，而無需使用相變）至今僅產(chǎn)生了適度的實(shí)際結(jié)果。另一個問題是，大量可能的晶界多晶型物將使系統(tǒng)地確定多晶型物的性能變得困難。高通量基于機(jī)器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)的計算方法將是幫助在這里\l"ref-C