系統(tǒng)使用機(jī)器學(xué)習(xí)來分析晶粒之間的邊界，從而可以在新金屬中選擇所需的特性。從汽車到人造衛(wèi)星，從建筑材料到電子產(chǎn)品，高級(jí)金屬合金在現(xiàn)代生活的關(guān)鍵部分都至關(guān)重要。但是，由于研究人員對(duì)構(gòu)成大多數(shù)金屬的微小晶粒之間的邊界發(fā)生的模糊理解，限制了針對(duì)特定用途創(chuàng)建具有最佳強(qiáng)度，硬度，耐腐蝕性，導(dǎo)電性等性能的新合金的開發(fā)。

研究人員發(fā)現(xiàn)了一種新的方法，可以根據(jù)原始金屬晶粒之間的邊界反應(yīng)來預(yù)測(cè)金屬合金的性能。在此圖像中，彩色圓點(diǎn)表示原子將沿著這些邊界聚集而不是穿透的可能性。圖片由研究人員/麻省理工學(xué)院提供

當(dāng)兩種金屬混合在一起時(shí)，次金屬的原子可能沿著這些晶界聚集，或者它們可能會(huì)擴(kuò)散穿過晶粒內(nèi)的原子晶格。材料的整體性能很大程度上取決于這些原子的行為，但是到目前為止，還沒有系統(tǒng)的方法來預(yù)測(cè)它們的作用。

crs研究人員發(fā)現(xiàn)了一種基于原始金屬晶粒之間的邊界反應(yīng)來預(yù)測(cè)金屬合金性能的新方法。在此圖像中，彩色圓點(diǎn)表示原子將沿著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)合了計(jì)算機(jī)模擬和機(jī)器學(xué)習(xí)過程，可以對(duì)這些性能進(jìn)行各種詳細(xì)的預(yù)測(cè)，從而可以指導(dǎo)新合金在各種應(yīng)用中的開發(fā)。這項(xiàng)研究結(jié)果今天在《自然通訊》雜志上 發(fā)表，該論文由研究生Malik Wagih，博士后Peter Larsen以及材料科學(xué)與工程學(xué)教授Christopher Schuh撰寫。

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(jí)行為是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。盡管單晶中的原子以有序的方式排列，所以相鄰原子之間的關(guān)系是簡(jiǎn)單且可預(yù)測(cè)的，大多數(shù)金屬物體中的多個(gè)微小晶體卻不是這種情況。“在我們稱為晶界的地方，晶體被粉碎在一起。在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料中，存在無數(shù)種這樣的邊界，”他說。

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)向周圍的人打個(gè)比喻。“這有點(diǎn)像在郊區(qū)，您周圍可能有12個(gè)鄰居。在大多數(shù)金屬中，您環(huán)顧四周，會(huì)看到12個(gè)人，并且他們都與您距離相同。這是完全同質(zhì)的。在糧食邊界，您仍然有大約12個(gè)鄰居，但它們之間的距離不同，并且都是方向不同的大小不同的房屋。”

他說，傳統(tǒng)上，那些設(shè)計(jì)新合金的人只是跳過了這個(gè)問題，或者只是以相同的眼光看待晶界的平均特性，即使他們知道事實(shí)并非如此。

相反，該團(tuán)隊(duì)決定通過檢查大量典型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并提供整個(gè)范圍內(nèi)的預(yù)測(cè)值，來嚴(yán)格解決該問題?？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性能，可以增強(qiáng)金屬的硬度和耐腐蝕性，但有時(shí)也會(huì)導(dǎo)致脆化。根據(jù)合金的預(yù)期用途，工程師將嘗試優(yōu)化性能的組合。在這項(xiàng)研究中，研究小組根據(jù)文獻(xiàn)中基本水平上描述的組合，研究了200多種不同的賤金屬和合金金屬組合。然后，研究人員系統(tǒng)地模擬了其中一些化合物，以研究其晶界構(gòu)型。這些用于通過機(jī)器學(xué)習(xí)生成預(yù)測(cè)，然后通過更集中的仿真進(jìn)行了驗(yàn)證。機(jī)器學(xué)習(xí)的預(yù)測(cè)與詳細(xì)的測(cè)量非常匹配。

瓦吉說，結(jié)果，研究人員能夠證明實(shí)際上被認(rèn)為是不可行的許多合金組合是可行的。他說，這項(xiàng)研究匯編的新數(shù)據(jù)庫已在公共領(lǐng)域提供，它可以幫助任何正在設(shè)計(jì)新合金的人。

團(tuán)隊(duì)正在推進(jìn)分析。Schuh說：“在理想世界中，我們要做的是將元素周期表中的每種金屬都加入其中，然后將元素周期表中的所有其他元素添加到元素周期表中。” “因此，您選擇了元素周期表，并將其與之交叉，然后將檢查所有可能的組合。” 他說，對(duì)于大多數(shù)這些組合來說，尚無法獲得基本數(shù)據(jù)，但是隨著越來越多的仿真和收集的數(shù)據(jù)可以將其集成到新系統(tǒng)中。

喬治·梅森大學(xué)的物理學(xué)和天文學(xué)教授尤里·米辛(Yuri Mishin)并未參與這項(xiàng)工作。他說：“合金中固溶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(huì)災(zāi)難性地脆化晶界或改善其內(nèi)聚力和滑動(dòng)阻力。精確控制分離能是設(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)充說：“現(xiàn)有隔離模型的主要限制是對(duì)平均隔離能量的依賴，這是非常粗略的近似值。” 他說，這就是該團(tuán)隊(duì)成功應(yīng)對(duì)的挑戰(zhàn)：“研究質(zhì)量非常好，其核心思想通過為合金元素的分離能力提供快速篩選的框架，具有極大的潛力影響合金設(shè)計(jì)領(lǐng)域。到晶界。”

標(biāo)簽：