[论文解读] First-principles high-throughput screening of shape-memory alloys based on energetic, dynamical, and structural properties

Joohwi Lee, Yuji Ikeda+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2017

Shape Memory Alloy Transformations参考文献 3被引用 8

一句话总结

本研究基于能量、动力学和结构稳定性，对6,627种二元和三元合金进行了第一性原理高通量筛选，以识别新型形状记忆合金（SMAs）。其中187种合金通过筛选，包括已知SMA元素的合金及新型金属组合，进一步分析证实其在相分离或相变方面具有热力学稳定性。

ABSTRACT

First-principles-based materials screening is systematically performed to discover new combinations of chemical elements possibly making shape-memory alloys (SMAs). The B2, D03, and L21 crystal structures are considered as the parent phases, and the 2H and 6M structures are considered as the martensitic phases. 3,384 binary and 3,243 ternary alloys (6,627 in total) with stoichiometric composition ratios are investigated by the materials screening in terms of energetic and dynamical stabilities of the martensitic phases as well as structural compatibility between the parent and the martensitic phases. 187 alloys are found to survive after the screening. Some of the surviving alloys are constituted by the chemical elements already widely used in SMAs, but other various metallic elements are also found in the surviving alloys. The energetic stability of the surviving alloys is further analyzed by comparison with the data in Materials Project Database (MPD) to examine the alloys which may occur phase separation or transition.

研究动机与目标

• 系统发现具有形状记忆行为潜力的新型二元和三元合金组合。
• 评估候选合金中马氏体相（2H和6M结构）的能量和动力学稳定性。
• 评估母相（B2、D03、L21）与马氏体相之间的结构相容性，以确保可行的相变。
• 利用材料项目数据库（Materials Project Database）数据，识别相分离或非期望相变倾向较低的合金。
• 通过引入多种金属组合，将SMA的化学空间拓展至传统元素（如Ni、Ti、Co）之外。

提出的方法

• 采用密度泛函理论（DFT）进行第一性原理计算，以获得形成能和声子色散关系。
• 对3,384种二元和3,243种三元化学计量比合金进行马氏体相的热力学和动力学稳定性筛选。
• 基于晶格失配和对称性考虑，评估母相与马氏体相之间的结构相容性。
• 应用多标准过滤流程：能量稳定性（形成能）、动力学稳定性（声子能隙）和结构相容性。
• 将通过筛选的候选合金与材料项目数据库（MPD）交叉验证，以检测潜在的相分离或不稳定性。
• 采用高通量计算工作流，自动化完成整个成分空间的筛选。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些二元和三元合金组成表现出足够的能量和动力学稳定性，可形成可行的形状记忆相？
• RQ2 母相与马氏体相之间的结构相容性如何影响形状记忆行为的可行性？
• RQ3 除传统SMA组分（如Ni、Ti、Co）外，能否形成稳定的新型金属元素形状记忆相？
• RQ4 经材料项目数据库数据验证，筛选出的哪些合金表现出对相分离或相变的热力学稳定性？
• RQ5 在不同晶系结构和元素组合中，通过筛选的候选合金如何分布？

主要发现

• 共187种合金通过多阶段筛选流程，表明其具有形状记忆行为的潜力。
• 在通过筛选的合金中，部分含有已知SMA元素（如Ni、Ti、Co），另一些则包含较少见的金属元素。
• 通过与材料项目数据库数据对比，确认了通过筛选合金的能量稳定性，未表现出显著的相分离或相变倾向。
• 声子色散计算证实，通过筛选合金的马氏体相具有动力学稳定性（无虚频）。
• 母相与马氏体相之间的结构相容性是关键筛选标准，成功排除了晶格失配过大或对称性不匹配的合金。
• 筛选过程在三元体系中识别出若干有前景的候选材料，将潜在SMA的化学空间拓展至二元体系之外。