基于晶格畸变的多主元合金化学短程有序加速预测新方法

【编辑推荐】针对多主元合金(MPEAs)中化学短程有序(CSRO)传统DFT-MC方法计算量大的瓶颈，西安交通大学团队创新性提出以局部晶格畸变(LLD)为判据的蒙特卡洛模拟框架。该技术使计算速度提升两个数量级，在6种典型面心/体心立方MPEAs中验证了LLD与CSRO的强相关性，为大规模合金设计提供了高效工具。成果发表于《Scripta Materialia》。

　　

多主元合金（Multi-principal element alloys, MPEAs）作为新型结构材料，其性能高度依赖于微观尺度的化学短程有序（Chemical short-range order, CSRO）。传统采用密度泛函理论（Density functional theory, DFT）结合蒙特卡洛（Monte Carlo, MC）模拟的方法虽精度可靠，但面临计算资源消耗大、体系规模受限的困境。这严重制约了材料的高通量筛选和性能优化效率，成为MPEAs设计领域的卡脖子问题。

西安交通大学研究人员在《Scripta Materialia》发表的研究中，独辟蹊径地开发了基于局部晶格畸变（Local-lattice-distortion, LLD）的MC模拟新框架。该团队创新性地用LLD减少量替代传统能量判据来指导原子交换，在保持精度的前提下将计算速度提升超百倍。通过对6种典型面心立方（FCC）和体心立方（BCC）MPEAs的系统验证，首次揭示了LLD与CSRO的定量关联规律。这种"以形变驱动有序"的策略，为破解MPEAs大规模模拟的计算瓶颈提供了钥匙。

关键技术包括：1）建立LLD-MC耦合算法，采用原子位置偏移量作为交换接受准则；2）设计多尺度验证方案，对比DFT-MC结果评估准确性；3）构建包含CrCoNi、NbTiZr等典型体系的测试数据库；4）依托国家自然科学基金（52231001）和西安交大超算平台实现高通量计算。

【研究结果】

1. 方法学验证：在CrMnFeCoNi等体系中获得与DFT-MC一致的CSRO参数，计算耗时从周级缩短至小时级
2. 构效关系发现：BCC合金中LLD对CSRO敏感性高于FCC体系，NbTiZr的畸变能差达0.15 eV/atom
3. 规模拓展性：成功模拟3000原子级系统，揭示长程有序向短程有序的转变临界点

该研究突破了传统模拟方法的尺度限制，建立的LLD-CSRO关联模型为材料基因工程提供了新范式。通过将物理机制转化为可计算的畸变指标，实现了"算得快"与"算得准"的统一。Center for Alloy Innovation and Design (CAID)的这项成果，不仅为MPEAs成分设计装上加速器，其方法论更可推广至金属玻璃、高熵陶瓷等畸变敏感材料体系。State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials的后续工作将聚焦于三维畸变场与力学性能的耦合研究。