量子力学助力预测金属的延展性，温度越高越有效

量子力学助力预测金属的延展性，温度越高越有效

金属材料的延展性是其重要的物理属性之一，它决定了材料在受力时能否发生塑性变形而不破裂。近日，来自艾姆斯国家实验室和德克萨斯农工大学的科学家团队开发出一种基于量子力学的新方法，能够更准确地预测金属的延展性，特别是在高温条件下的表现。

金属延展性的基本概念

金属延展性是物质的物理属性之一，它指的是可锤炼可压延程度。易锻物质不需退火可锤炼可压延。可锻物质，则需退火进行锤炼和压延。脆性物质则在锤炼后压延程度L显得较差。

物体在外力作用下能延伸成细丝而不断裂的性质叫延性；在外力（锤击或滚轧）作用能碾成薄片而不破裂的性质叫展性。如金属的延展性良好，其中金、铂、铜、银、钨、铝都富于延展性。石英、玻璃等非金属材料在高温时也有一定的延展性。

延展性是金属矿物的一种特性，金属键的矿物在外力作用下的一个特征就是产生塑性形变，这就意味着离子能够移动重新排列而失去粘接力，这是金属键矿物具有延展性的根本原因。金属键程度不同，则延展性也有差异。

量子力学在预测金属延展性中的应用

来自艾姆斯国家实验室和德克萨斯农工大学的一组科学家开发了一种预测金属延展性的新方法。这种基于量子力学的方法满足了对一种廉价、高效、高通量的方法来预测延展性的需求。该团队证明了其在难熔多主元素合金上的有效性。这些都是在高温条件下使用的材料，然而，它们在航空航天、聚变反应堆和陆基涡轮机的潜在应用中往往缺乏必要的延展性。

资料来源：美国能源部艾姆斯国家实验室

研究小组发现，更高(增加)的电荷活性是提高体心立方金属延展性的原因。黄色区域表示间隙(原子之间的区域)中较高的电子电荷，对应于导致更高延展性的电荷活动性的增加。浅蓝色区域是电荷活动性较弱的间隙区。在这张图片中，每个原子都用不同的颜色表示，如前所述，钽(Ta)，钼(Mo)和钨(W)。蓝色、粉色和红色等高线表示每个位点周围的电荷分布。

预测金属延展性的挑战

延展性（ductility and malleability），是物质的一种机械性质，表示材料在受力而产生破裂（fracture）之前，其塑性变形的能力。延展性是由延性、展性两个概念相近的机械性质合称。常见金属及许多合金均有延展性。

在材料科学中，延性(Ductility)是材料受到拉伸应力（tensile stress）变形时，特别被注目的材料能力。延性它主要表现在材料被拉伸成线条状时。

展性（Malleability）是另外一个较相似的概念，但它表示为材料受到压缩应力（compressive stress）变形，而不破裂的能力。展性主要表现在材料受到锻造或轧制成薄板时。而金属多具有展性，其中以黄金为最。

延性和展性两者间并不总是相关，如黄金具有良好的延性和展性，但铅仅仅有良好的展性而已。然而，通常上因这两个性质概念相近，常被称为延展性。

延展性描述的是一种材料在不开裂或断裂的情况下承受物理应变的能力。据艾姆斯实验室科学家、理论设计工作负责人普拉尚-辛格（Prashant Singh）介绍，目前还没有预测金属延展性的可靠方法。此外，试错实验既昂贵又耗时，尤其是在极端条件下。

原子建模的典型方法是使用对称的刚性球体。然而，辛格解释说，在实际材料中，原子大小不一，形状各异。当混合具有不同大小原子的元素时，原子会不断调整以适应固定的空间。这种行为会造成局部原子变形。

量子力学增强了延展性预测能力

新的分析方法结合了局部原子畸变来确定材料是脆性还是延展性。它还扩展了当前方法的功能。"它们（当前方法）在区分微小成分变化的韧性和脆性系统方面效率不高。但新方法可以捕捉到这种非微小的细节，因为现在我们在方法中添加了量子力学特征，而这正是我们所缺少的，"辛格说。

这种新型高通量测试方法的另一个优点是效率高。辛格解释说，它可以快速测试数千种材料。这种速度和能力使得预测哪些材料组合值得进行实验成为可能。这就最大限度地减少了通过实验方法发现这些材料所需的时间和资源。

高温应用的验证和影响

为了确定他们的延展性测试效果如何，艾姆斯实验室科学家欧阳高远领导了团队的实验工作。他们对一组预测的难熔多主元素合金（RMPEAs）进行了验证测试。RMPEAs 是一种有可能用于高温环境的材料，例如航空航天推进系统、核反应堆、涡轮机和其他能源应用。

通过验证测试，研究小组发现："预测的韧性金属在高应力下发生了显著变形，而脆性金属则在类似载荷下开裂，这证实了新量子力学方法的稳健性。"

文章来源：世界先进制造技术论坛，量子梦，cnBeta