推进Multiprincipal合金

人类文明中最重要的进步是人类使用材料的进步。石器时代让位于青铜时代，而青铜时代又让位于铁器时代。新材料破坏了当时的技术，改善了生活和人类状况。

现代技术同样可以直接追溯到制造材料的创新，例如计算机芯片的硅和基础设施的最先进的钢的使用。然而，几个世纪以来，材料和合金的设计都依赖于一种基本元素的使用，也就是主要元素的使用，在这种元素上加入少量的其他元素。以钢为例，在其主要元素铁(Fe)中加入微量的碳可以改善其性能。当加入少量的其他元素时，钢可以被量身定做，例如，增强耐蚀性或增强强度。    

追溯到2004年提出的一个想法，在过去的几年里，出现了一种新的合金设计范式，即三种或三种以上元素以大致相等的比例混合在一起。这种被称为多主元素合金(MPEAs)的材料，或通常被称为高熵合金的这些合金的子集，模糊了元素的大多数和少数群体之间的区别。这种组成集体材料的原子伙伴的更加完美的结合，展示了令人兴奋的特性，使得它们比传统的同类材料表现得更好。

“这些材料表现出特殊的组合强度、延性和破坏宽容,”加州大学圣芭芭拉分校的一个研究小组写道——包括材料教授丹•Gianola Tresa鳕鱼和艾琳Beyerlein,博士后研究员“王——和他们的同事在今天发表的一篇论文在《科学》杂志上。“耐火合金(由元素周期表上的九种金属元素制成，具有很高的耐热和耐磨性)在与许多技术应用相关的极端高温下使用是很有吸引力的候选材料。”

MPEAs推动了耐高温MPEAs的开发，首次制造于2010年。但是使用多种合金几乎无限增加了可能的合金“配方”的数量。“大量的组合,可以实现为利用先进的计算筛选和机器学习目标的材料有最有趣的和可取的属性子集。

”对于这些成功的作法,criti-cal,合金设计过程遵循的理解所需的特定属性的起源,”朱莉Cairney写道,航空航天学院教授机械和机械电子工程,在悉尼大学,在澳大利亚,一个同伴。

UCSB团队和肯塔基大学、美国海军研究实验室和美国空军研究实验室的同事在他们的科学论文中提出了一种提高预测哪些合金可能具有宝贵性能能力的方法。

首当其冲的这些属性是一种合金变形的能力,即被塑造或弯曲,无开裂和维持材料完整过度负荷和高温下发现在极端环境中,比如在飞机翅膀,火箭发动机和工业涡轮机。

“在原子层面上，由于原子的移动，材料会变形或改变形状，”Gianola实验室的博士后Wang解释说。

金属的晶体结构是由排列成高度规则网格的原子层堆叠而成。当金属变形时，原子在网格上相互移动或滑动。分隔原子移动和没有移动的区域的线叫做位错。位错的性质，包括它们移动的容易程度和位置，因此对材料的变形行为非常重要。

尽管MPE合金具有诸多优势，但其设计进展缓慢。虽然传统的试错方法效率不高，但从2017年开始，更多的研究致力于发展理论，试图找出一种特定合金具有理想性能的潜在原因。

“但是，”王说，“这个理论的一些关键要素缺乏实验证据。”当我开始这个项目的时候，我的第一个问题是，与传统的合金相比，MPEAs有什么特别之处?由于我们对机械性能感兴趣，我们关注的是位错。”

在这项研究中，研究人员使用电子显微镜来研究位错的配置，并揭示了在模型合金中产生理想性能的机械起源。结合Irene Beyerlein小组的原子模拟，他们显示出不同元素的随机场为位错运动打开了多条路径，这是传统合金所没有的特征。

“对于传统的位错，由于所有的原子都是一样的，在一个位错处打破原子键的力是单值的，”Beyerlein说。对于MPE位错，这个力不能是确定的。一个MPE位错的结构被重新定义，因为它试图通过随机变化的原子环境。

她补充说:“在我们的原子计算中，我们采用了期待意外的方法，不仅探测常规模式，还探测了其他更高的滑移模式，这些模式在迄今的文献中通常被忽略了。”“我们还进行了数千次计算，揭示了临界位错力的变化范围有多大，以及更高模式的滑移有多有利。”

这项研究是由波洛克领导并由海军研究办公室提供资金支持的大型合作项目的一部分，UCSB研究人员卡洛斯·利瓦伊和安东·范德温也参与了该项目，旨在获得关于如何更好地探索浩瀚的耐火合金空间的基本见解。

波洛克说:“虽然我们对组成复杂的合金很感兴趣，但在探索大的组成空间方面进展缓慢。”“通过MPE项目，我们召集了一个团队，使用新兴的计算、机器学习和实验工具，这使我们能够发现新的行为，并快速探索新的合成领域。”我们感兴趣的耐火材料的极高熔点使得过去制造和研究它们非常困难，但我们的新方法，结合3D打印的可能性，完全改变了这一现状。”

“这项工作是结合实验、模拟和理论的真正力量的象征，”Gianola说。许多研究人员对这种协同作用只说不做，但如果实验组和模拟组之间没有持续的来回切换，这项研究就不可能取得如此大的进展。未来看起来非常光明。”