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研究背景

隨著對高性能材料需求的增長，包括多主元素合金 (MPEAs)在內的復雜合金在多晶和非晶態中的研究和應用日益增加。MPEAs由兩個或兩個以上的主元素組成，并可能包含非主元素。自2004年首次發現以來，有關MPEAs的文獻數量呈指數級增長。2010年發現的基于高熔點耐火元素的MPEAs，可以在高溫下保持高強度，成為航空航天和高超音速等領域的理想候選材料。2020年，研究人員匯編了約630種不同MPEAs的力學性能數據。由于金屬特別是MPEAs的成分空間廣泛且結構復雜，鍵強度與宏觀機械性能之間的結構-性能關系研究面臨巨大挑戰。這些障礙促使需要開發基于物理的簡單有效的描述符，以加速材料設計。結合強度與金屬宏觀強度的關系對于理解MPEAs的力學性能和設計MPEAs材料具有重要意義。

成果簡介

基于晶界在金屬強度中的作用，吉林大學高旺團隊引入了一個預測模型，通過內聚能和原子半徑來確定金屬的晶界能和強度。該方案源于緊密結合模型的d帶特性和斷裂鍵，并證明了不同金屬的排斥/吸引效應對鍵強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、晶格結構、高熵和非晶效應引起的鍵強度的區別。這些發現通過利用易于獲取的材料特性，構建了金屬的結合強度、晶界能和強度的物理圖譜，并為高強度合金的設計提供了可靠的方法。相關成果以“A roadmap from the bond strength to the grain-boundary energies and macro strength of metals”為題于2025年1月13日發表在Nature Commmunications上。

作者簡介

高旺，吉林大學教授，博士生導師。2004和2009年分別獲吉林大學材料學專業學士和博士學位。2009-2014受聘于德國烏爾姆大學和德國馬普學會柏林弗里茨哈伯研究所理論部，從事博士后研究工作。2014年至今于吉林大學材料科學與工程學院任教授。入選教育部新世紀優秀人才支持計劃和海外高層次青年人才引進計劃。目前，主要從事金屬材料損傷與強韌化理論計算研究。近年來在Sci. Adv., Nat. Commun., Phys. Rev. Lett., Acta Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.等國際學術期刊上發表學術論文。

圖文導讀

該項工作提出了一種直接來源于鍵強度的內在描述符，通過結合結合能和原子半徑來確定和預測金屬的強度。描述符構建了面心立方（FCC）、六方密堆積（HCP）和體心立方（BCC）金屬的晶界能量預測框架，以及金屬鍵強度、晶界能量和強度的綜合物理圖像。此外，通過混合定律（RoM）估算，這些描述符可以應用于多晶和非晶態的MPEAs。描述符是由d帶性質和斷鍵機制啟發，并與經典的模量理論相關聯，反映了堅實的物理基礎。這些發現對于理解和預測金屬的強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。體心立方（BCC）金屬的GB能量(a) E_coh/r₀⁵和(b) E_coh /r₀^2.5。藍色方塊和橙色圓點代表BCC過渡金屬（TMs）和主族金屬（MGMs）。六方密堆積（HCP，綠色圓點）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（藍點）和(f) MGMs的E_coh /r₀^2.5（橙點）的平均GB能量。準確度用平均絕對誤差（MAE）和回歸系數（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，藍色方塊）和主族金屬（MGMs，橙色圓點）的宏觀性質之間的相關性（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）最大抗剪強度τ_max。準確度用回歸系數（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。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的斷裂強度σ_f?、（f）帶有(E_coh/r₀^2.5)_RoM?的描述符T_g/。準確度用回歸系數（R²）來衡量。藍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。

結論展望

本文提出了基于內聚能和原子半徑的描述符來表征金屬的鍵強度，并建立了從鍵強度到晶界能量和宏觀強度的定量結構-性能關系。從緊密結合模型的d帶特征和斷鍵機制出發，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，對比實驗和理論結果顯示出良好的預測精度和廣泛的適用性。

該框架揭示了排斥（吸引）效應在TMs和HEAs （MGMs和BMGs）鍵強度相關性質變化中起核心作用的物理圖像，從而闡明了元素組成、晶格結構、高熵效應和非晶效應在決定金屬強度中的作用。

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切球半徑，顯示出堅實的物理基礎。這些發現不僅為從原子水平的角度理解鍵合強度與宏觀性能之間的關系提供了堅實的物理指導，而且為加速高性能合金，特別是對于MPEAs的設計提供了有效的工具（也適用于與機器學習方法相結合）。

文獻信息

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).

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