计算炼金术揭示合金强化的起源机制

《npj Computational Materials》：Computational alchemy clarifies origins of alloy strengthening

本研究针对传统固溶强化(SSS)理论在复杂浓缩合金(CCA)中的适用性挑战，通过“计算炼金术”创新方法，系统调控原子尺寸失配(Δr)和弹性刚度失配(Δμ)，结合大规模分子动力学(MD)模拟（~108原子），首次量化了两种失配对合金强度的独立与协同作用。结果表明，刚度失配的强化贡献显著高于尺寸失配，且二者组合存在协同（B1型合金）或拮抗（B2型合金）效应，为高强合金设计提供了新范式。该研究发表于《npj Computational Materials》，为多组元合金强化机制提供了颠覆性认知。

　　

在材料科学领域，提升金属力学性能的核心手段之一是固溶强化(Solid Solution Strengthening, SSS)。传统理论认为，通过向基体金属中添加少量溶质原子，利用其与基体之间的原子尺寸差异和弹性模量差异，可阻碍位错运动从而增强材料强度。这一理论在稀合金中已得到充分验证，然而，随着复杂浓缩合金(Complex Concentrated Alloys, CCA)的兴起——这类合金由四种及以上元素以近等比例混合，且无明确“主体”元素——经典理论面临严峻挑战。在CCA中，多种元素共存导致原子尺寸失配(Δr)和弹性刚度失配(Δμ)的耦合作用复杂化，其强化机制难以通过实验直接解析，因为每种元素的尺寸与刚度参数固定不可独立调控。此外，现有理论模型对两种失配的相对贡献存在争议，多数研究高估尺寸失配的作用而低估刚度失配的影响。

为澄清这一基础问题，劳伦斯利弗莫尔国家实验室的Aoyan Liang、Vasily V. Bulatov等团队在《npj Computational Materials》发表研究，提出“计算炼金术”(Computational Alchemy)这一创新策略。该方法通过修改钽(Ta)的嵌入原子模型(Embedded Atom Method, EAM)势函数，生成虚拟元素，使其原子尺寸和刚度可独立连续调节，进而构建出Δr与Δμ参数空间全覆盖的“炼金合金”。研究人员通过大规模分子动力学(MD)模拟（体系规模达5500万原子），在单晶BCC结构中进行压缩变形实验（应变率10⁸s^?1，温度300 K），系统量化了合金强度随两种失配的变化规律。

关键方法包括：

1. 1.
   势函数调控：基于Zhou等人的Ta的EAM势，通过缩放平衡距离参数(re)和能量相关参数，生成虚拟元素，精确控制其原子半径和剪切模量；
2. 2.
   合金构建：将虚拟元素按设定比例随机分布至BCC晶格，保持平均原子尺寸(r_a)和平均刚度(μ_a)与基体Ta一致，确保强度变化仅源于失配参数；
3. 3.
   大规模MD模拟：使用LAMMPS软件，在三维周期性边界条件下进行单轴压缩，以流动应力（真应变0.15–0.40区间平均值）作为强度指标；
4. 4.
   失配类型分类：根据元素相对于平均值的尺寸/刚度关系，将合金分为七类（如B1、B2、T1-T4、Q），以分析协同/拮抗效应；
5. 5.
   模型验证：采用基于密度泛函理论(DFT)训练的光谱邻域分析势(Spectral Neighbor Analysis Potential, SNAP)对Nb-Mo-Ta-W体系进行对比模拟，验证趋势普适性。

研究结果

1. 刚度与尺寸失配的独立强化作用

当仅存在刚度失配(Δμ)时（Δr=0），合金强度随Δμ增大而单调上升，且Δμ可准确预测强化幅度（图2a,b）。最大Δμ达0.6时，合金在变形中非晶化，表明仅刚度失配即可诱发结构失稳。类似地，仅尺寸失配(Δr)实验（Δμ=0）显示强度随Δr增加而提高，但其稳定范围（Δr<0.06）远窄于刚度失配（图2c,d）。在可比较范围内，刚度失配的强化贡献显著高于尺寸失配，例如在难熔金属合金中，刚度失配最大可带来72%强度提升，而尺寸失配仅20%。

2. 双失配组合的协同与拮抗效应

通过91种二元合金的模拟，发现失配组合方式决定强化效果（图4）。在B1型合金（组元为“小-软”+“大-硬”）中，双失配呈现协同效应，净强化高于单独贡献之和；而B2型合金（“大-软”+“小-硬”）则表现为拮抗效应，强化效果显著低于叠加值。多组元合金（三元、四元）的强度与相同失参的二元合金接近，表明组元数量对强化影响微弱，失配参数才是核心决定因素。

3. 位错机制与模型验证

分析表明，合金塑性由螺位错(screw dislocation)主导，而非近期理论主张的刃位错优势。原子位置均方根位移(RMSD)与强度无直接关联，否定了局部晶格畸变作为强化指标的传统观点。SNAP势模拟结果与EAM模型高度一致，进一步证实刚度失配的主导作用及双失配组合效应的普适性（图7）。

结论与意义

本研究通过计算炼金术与大尺度MD模拟，颠覆了传统固溶强化认知：

1. 1.
   刚度失配的核心作用：在CCA强化中，刚度失配贡献优于尺寸失配，尤其在难熔合金中更为显著；
2. 2.
   失配组合的定向设计：B1型合金（小-软/大-硬组合）可实现协同强化，为高强材料开发提供新路径；
3. 3.
   组元数无关性：只要失配参数可控，二元与多组元合金强化效果等效，简化了合金设计复杂度；
4. 4.
   方法学创新：计算炼金术突破了真实元素参数固定的限制，实现了“参数空间连续采样”，为材料理论提供了全新研究范式。

该研究不仅澄清了CCA强化机制，更展示了“非真实模型”在揭示物理本质中的独特价值，为高通量合金设计与理论发展奠定了坚实基础。