摘要：随着对高性能材料需求的增长，包括多主元素合金 (MPEAs)在内的复杂合金在多晶和非晶态中的研究和应用日益增加。MPEAs由两个或两个以上的主元素组成，并可能包含非主元素。自2004年首次发现以来，有关MPEAs的文献数量呈指数级增长。2010年发现的基于高熔
研究背景
随着对高性能材料需求的增长，包括多主元素合金 (MPEAs)在内的复杂合金在多晶和非晶态中的研究和应用日益增加。MPEAs由两个或两个以上的主元素组成，并可能包含非主元素。自2004年首次发现以来，有关MPEAs的文献数量呈指数级增长。2010年发现的基于高熔点耐火元素的MPEAs，可以在高温下保持高强度，成为航空航天和高超音速等领域的理想候选材料。2020年，研究人员汇编了约630种不同MPEAs的力学性能数据。由于金属特别是MPEAs的成分空间广泛且结构复杂，键强度与宏观机械性能之间的结构-性能关系研究面临巨大挑战。这些障碍促使需要开发基于物理的简单有效的描述符，以加速材料设计。结合强度与金属宏观强度的关系对于理解MPEAs的力学性能和设计MPEAs材料具有重要意义。
成果简介
基于晶界在金属强度中的作用，吉林大学高旺团队引入了一个预测模型，通过内聚能和原子半径来确定金属的晶界能和强度。该方案源于紧密结合模型的d带特性和断裂键，并证明了不同金属的排斥/吸引效应对键强度变化的影响是不同的。该模型不仅适用于纯金属和MPEAs，而且还揭示了由元素组成、晶格结构、高熵和非晶效应引起的键强度的区别。这些发现通过利用易于获取的材料特性，构建了金属的结合强度、晶界能和强度的物理图谱，并为高强度合金的设计提供了可靠的方法。相关成果以“A roadmap from the bond strength to the grain-boundary energies and macro strength of metals”为题于2025年1月13日发表在Nature Commmunications上。
作者简介
高旺，吉林大学教授，博士生导师。2004和2009年分别获吉林大学材料学专业学士和博士学位。2009-2014受聘于德国乌尔姆大学和德国马普学会柏林弗里茨哈伯研究所理论部，从事博士后研究工作。2014年至今于吉林大学材料科学与工程学院任教授。入选教育部新世纪优秀人才支持计划和海外高层次青年人才引进计划。目前，主要从事金属材料损伤与强韧化理论计算研究。近年来在Sci. Adv., Nat. Commun., Phys. Rev. Lett., Acta Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.等国际学术期刊上发表学术论文。
该项工作提出了一种直接来源于键强度的内在描述符，通过结合结合能和原子半径来确定和预测金属的强度。描述符构建了面心立方（FCC）、六方密堆积（HCP）和体心立方（BCC）金属的晶界能量预测框架，以及金属键强度、晶界能量和强度的综合物理图像。此外，通过混合定律（RoM）估算，这些描述符可以应用于多晶和非晶态的MPEAs。描述符是由d带性质和断键机制启发，并与经典的模量理论相关联，反映了坚实的物理基础。这些发现对于理解和预测金属的强度特性具有重要意义。
图1 晶界（GB）能量（EGB）作为描述符的函数。
体心立方（BCC）金属的GB能量(a) Ecoh/r05和(b) Ecoh /r02.5。蓝色方块和橙色圆点代表BCC过渡金属（TMs）和主族金属（MGMs）。六方密堆积（HCP，绿色圆点）和面心立方金属（FCC，紫色方框）的GB能量(c) Ecoh/r05和(d) Ecoh /r02.5。(e) TMs的Ecoh/r05（蓝点）和(f) MGMs的Ecoh /r02.5（橙点）的平均GB能量。准确度用平均绝对误差（MAE）和回归系数（R2）来衡量。所有虚线均由线性拟合得到。
图2 描述符、先前提出的特性与不同过渡金属（TMs，蓝色方块）和主族金属（MGMs，橙色圆点）的宏观性质之间的相关性（a）间隙电子密度ρ0。（b）体积模量B。（c）平均聚变热kBTm/Ω0。（d）最大抗剪强度τmax。准确度用回归系数（R2）来衡量。所有虚线均由线性拟合得到。
图3 合金的宏观性能作为描述符的函数。
Al-Co-Cr-Cu-Fe-Mn-Ni基三维高熵合金（HEAs）和难熔金属基HEAs的杨氏模量E （a）(Ecoh/r05)RoM和（b）(Ecoh/r02.5)RoM。Zr-, Cu-, Ti-, Mg-, Fe-和碱土基大块金属玻璃（BMGs，以二元和多元素合金的形式）的（c）(Ecoh/r05)RoM、（d）(Ecoh/r02.5)RoM、（e）带有(Ecoh/r02.5)RoM的断裂强度σf 、（f）带有(Ecoh/r02.5)RoM 的描述符Tg/。准确度用回归系数（R2）来衡量。蓝色和红色圆圈分别代表HEAs和BMGs。所有虚线均由线性拟合得到。
结论展望
本文提出了基于内聚能和原子半径的描述符来表征金属的键强度，并建立了从键强度到晶界能量和宏观强度的定量结构-性能关系。从紧密结合模型的d带特征和断键机制出发，本文提出的描述符不仅适用于纯金属（包括TMs和MGMs），也适用于HEAs和BMGs，对比实验和理论结果显示出良好的预测精度和广泛的适用性。
该框架揭示了排斥（吸引）效应在TMs和HEAs （MGMs和BMGs）键强度相关性质变化中起核心作用的物理图像，从而阐明了元素组成、晶格结构、高熵效应和非晶效应在决定金属强度中的作用。
本文提出的方案还反映了熔合热、间隙电子密度和电子气体的内切球半径，显示出坚实的物理基础。这些发现不仅为从原子水平的角度理解键合强度与宏观性能之间的关系提供了坚实的物理指导，而且为加速高性能合金，特别是对于MPEAs的设计提供了有效的工具（也适用于与机器学习方法相结合）。
文献信息
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).
来源：MS杨站长
