Forskere finder en bedre måde at designe metallegeringer på

Avancerede metallegeringer er essentielle i nøgledele af det moderne liv, fra biler til satellitter, fra byggematerialer til elektronik. Men at skabe nye legeringer til specifikke formål, med optimeret styrke, hårdhed, korrosionsbestandighed, ledningsevne, og så videre, har været begrænset af forskernes uklare forståelse af, hvad der sker ved grænserne mellem de små krystallinske korn, der udgør de fleste metaller.

Når to metaller blandes sammen, atomerne i det sekundære metal kan samle sig langs disse korngrænser, eller de kan spredes ud gennem gitteret af atomer i kornene. Materialets overordnede egenskaber bestemmes i høj grad af disse atomers opførsel, men indtil nu har der ikke været nogen systematisk måde at forudsige, hvad de vil gøre.

Forskere ved MIT har nu fundet en måde, ved at bruge en kombination af computersimuleringer og en maskinlæringsproces, at producere den slags detaljerede forudsigelser af disse egenskaber, der kunne guide udviklingen af ​​nye legeringer til en bred vifte af applikationer. Resultaterne er beskrevet i dag i tidsskriftet Naturkommunikation , i et papir af kandidatstuderende Malik Wagih, postdoc Peter Larsen, og professor i materialevidenskab og teknik Christopher Schuh.

Schuh forklarer, at forståelsen af ​​polykrystallinske metallers opførsel på atomniveau, som står for langt størstedelen af ​​de metaller, vi bruger, er en skræmmende udfordring. Mens atomerne i en enkelt krystal er arrangeret i et ordnet mønster, så forholdet mellem tilstødende atomer er enkelt og forudsigeligt, det er ikke tilfældet med de mange små krystaller i de fleste metalgenstande. "Du har krystaller smadret sammen ved det, vi kalder korngrænser. Og i et konventionelt strukturelt materiale, der er millioner og atter millioner af sådanne grænser, " han siger.

Disse grænser er med til at bestemme materialets egenskaber. "Du kan tænke på dem som limen, der holder krystallerne sammen, " siger han. "Men de er uordnede, atomerne er rodet sammen. De matcher ikke nogen af ​​de krystaller, de forbinder." Det betyder, at de tilbyder milliarder af mulige atomarrangementer, han siger, sammenlignet med kun få i en krystal. At skabe nye legeringer involverer "at prøve at designe disse områder inde i et metal, og det er bogstaveligt talt milliarder af gange mere kompliceret end at designe i en krystal."

Schuh drager en analogi til folk i et kvarter. "Det er lidt som at være i en forstad, hvor du måske har 12 naboer omkring dig. I de fleste metaller, du ser dig omkring, du ser 12 personer, og de er alle i samme afstand fra dig. Det er fuldstændig homogent. Hvorimod i en korngrænse, du har stadig noget i retning af 12 naboer, men de er alle på forskellig afstand, og de er alle af forskellig størrelse huse i forskellige retninger."

Traditionelt, han siger, dem, der designer nye legeringer, springer simpelthen over problemet, eller bare se på korngrænsernes gennemsnitlige egenskaber, som om de alle var ens, selvom de ved at det ikke er tilfældet.

I stedet, holdet besluttede at gribe problemet grundigt an ved at undersøge den faktiske fordeling af konfigurationer og interaktioner for et stort antal repræsentative sager, og derefter bruge en maskinlæringsalgoritme til at ekstrapolere fra disse specifikke tilfælde og give forudsagte værdier for en lang række mulige legeringsvariationer.

I nogle tilfælde, gruppering af atomer langs korngrænserne er en ønsket egenskab, der kan forbedre et metals hårdhed og modstandsdygtighed over for korrosion, men det kan også nogle gange føre til skørhed. Afhængigt af den påtænkte anvendelse af en legering, ingeniører vil forsøge at optimere kombinationen af ​​egenskaber. Til denne undersøgelse, holdet undersøgte over 200 forskellige kombinationer af et uædle metal og et legeringsmetal, baseret på kombinationer, der var blevet beskrevet på et grundlæggende niveau i litteraturen. Forskerne simulerede derefter systematisk nogle af disse forbindelser for at studere deres korngrænsekonfigurationer. Disse blev brugt til at generere forudsigelser ved hjælp af maskinlæring, som igen blev valideret med mere fokuserede simuleringer. Maskinlæringsforudsigelserne matchede nøje de detaljerede målinger.

Som resultat, forskerne var i stand til at vise, at mange legeringskombinationer, der var blevet udelukket som ulevedygtige, faktisk viser sig at være gennemførlige, siger Wagih. Den nye database, der er udarbejdet fra denne undersøgelse, som er gjort tilgængelig i det offentlige domæne, kunne hjælpe enhver, der nu arbejder på at designe nye legeringer, han siger.

Holdet går videre med analysen. "I vores ideelle verden, hvad vi ville gøre er at tage hvert metal i det periodiske system, og så ville vi tilføje hvert andet element i det periodiske system til det, " siger Schuh. "Så du tager det periodiske system og krydser det med sig selv, og du ville tjekke alle mulige kombinationer." For de fleste af disse kombinationer, grundlæggende data er endnu ikke tilgængelige, men efterhånden som flere og flere simuleringer udføres og data indsamles, dette kan integreres i det nye system, han siger.

Yuri Mishin, en professor i fysik og astronomi ved George Mason University, som ikke var involveret i dette arbejde, siger "Korngrænsesegregation af opløste elementer i legeringer er et af de mest fundamentale fænomener inden for materialevidenskab. Segregation kan katastrofalt sprøde korngrænser eller forbedre deres sammenhængskraft og glidemodstand. Præcis kontrol af segregationsenergierne er et effektivt værktøj til at designe nye teknologiske materialer med avanceret mekanisk, termisk, eller elektroniske egenskaber."

Men, tilføjer han, "En væsentlig begrænsning ved de eksisterende segregationsmodeller er afhængigheden af ​​en gennemsnitlig segregationsenergi, hvilket er en meget grov tilnærmelse." Det er udfordringen, han siger, at dette team med succes har adresseret:"Forskningskvaliteten er fremragende, og kerneideen har et betydeligt potentiale til at påvirke legeringsdesignfeltet ved at give en ramme for hurtig screening af legeringselementer for deres evne til at adskille til korngrænser."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.