如何将传统金属结构材料的研究与物理学或化学结合起来？ 第1页

能灌水又有点难度的还是多得很，

1，图像分析结合人工智能，至少既能被业界用上又能出论文的有金属材料失效分析，噱头有了，也很适合铝合金。相比于其他合金体系，铝合金各个系列得到了比较好的规范，热处理也比较定型，模式化比较充分，相对适合数据化，但是这好像需要一个团队一起干，加上一点时间。

2，表征的丰富性要上来的话，还是大量使用的钢铁里最丰富，记忆合金啦马氏体啦，微观除了析出相，可表征的东西还是多得很的。结合原位表征和各种场的响应，比如nimnga系可以对磁场力场温度场发生耦合响应。或者传统金属各种约束条件下的相变行为，虽然用处不大，但参数可控，现象丰富。最近的铝合金science强烈的利用了自然时效这个特点，加个力场上去，谈不上实际应用，但是思路很奇特啊。

3，金属-金属复合材料加力学，尤其是细观力学，模型比较多，内容也有难度，很快你就会放弃简单的一批的想法了，可以很物理。这个学会了，应该算一个一招鲜既能，可以稳定灌水

4，传统合金里的的反常现象，比如热缩冷涨材料。如果仔细找每个子领域都会有一些特殊的，比如有的能明显强化有的不行，有的能剧烈二次再结晶有的相当不明显，有的纳米晶室温都扛不住，有的800k没问题。。。这种是ns最偏好的，看运气碰到一个前人搞得不那么仔细的反常现象可能会有ns。

5，位错运动与温度场的定量或半定量关系，或者说纯金属高低温(例如金属Mo室温附近)导致的塑性脆性转变机制和控制方法，这个方面细节的解释是稀少的也是困难的。比如是否金属键会随温度改变(纯瞎扯)？这个主题也具有一定的现实意义

6，给定成分下互不相容的两相假合金如何使密度最高，既现实世界的粉末3维密堆问题，不同粒径粉末怎么配合堆积后密度大，有什么规律，怎么设计做出来的复合材料性能比较好。很多应用场所要求的就是复合金属材料气密性好，密度高。虽然工程上只要多试试，差不多就算可以了，但并不是说问题好解决。

传统金属只能做到看图说话的根本原因还是知识水平不够，实际问题又太难。毕竟现实世界人类对原子的控制能力远不如宣传的强大。常见的教科书上也远不是看图说话那么简单，例如TEM，XRD解析未知结构，这个几十年前就上了教科书的技能，如果你可以做得很顺溜，那就是范海福，施一公院士的水平，这远远超过了看图说话。

这个问题有点大，估计得在传统金属领域发过Nature Materials以上文章的人才算真的有资格回答吧。不过本题确实和我的研究方向很近，所以还是觍着脸来强答一番，短浅之处还请各位见谅。

跟拓扑/超导等凝聚态领域比起来，传统金属领域的顶刊确实不算多。就我比较熟悉的方向而言，大致可分为这么两类：

top-down 自上而下型：最近北科大在Nature上的一篇高强韧高熵合金^[1]以及Science上的一篇室温塑变强化铝合金^[2]都属于这类。这类工作首先要把材料的宏观结果做到非常好（非常优异的强韧性^[1]/性能不变但极大简化的热处理工艺^[2]），然后再在微观上给出清晰明了的表征和机理解释。

在这类文章中，最重要的当然是outstanding的宏观结果，但业内的人应该都清楚，传统金属领域被研究了上千年，靠排列组合的炒菜式掺杂是很难取得突破性进展的。一般来说，好的成果都是在制备样品（做）-表征结构（看）-分析机理（算）这个过程中不断迭代优化出来的。因此，你需要良好的设备把材料快速做出来，高清的电镜把结构看清楚，扎实的材料理论功底把结果算明白。在机理分析这一块，传统金属领域往往更注重晶体学、位错/弹塑性理论、缺陷/界面等热力学经典理论知识，对electronic structure的物理分析倒是不多。

bottom-up 自下而上型：这类工作往往基于一个悬而未决的科学问题，通过系统的观测/模拟提出理论模型，通过这个模型来解释/预测实验现象，从而对解决这个问题提供帮助。我的研究方向之一——氢脆——便属于这类科学问题。15年西交做的铝表面氢泡形核的原位观察^[3]以及我老板12年的做的氢致裂纹扩展机理^[4]都属于这类工作。

在西交的这项工作^[3]主要是为了探索铝表面氢泡的形核点是什么，他们首先用原位电镜在辐照环境下直接观察到了铝表面的氢致起泡，随后分析气泡的结构和长大规律，提出以表面铝原子扩散为基础的形核模型，这个模型能定量的和他们的实验结果吻合。而我老板的那篇^[4]则是纯模拟的工作，通过大尺度的分子动力学，直接模拟实验上无法观测的裂纹扩展，再结合氢输运的动力学计算，给出能与实验吻合的准确预测。

由于这类工作的出发点往往就是atomic level，因此对理论功底的要求是高于top-down类型的工作的。工作具体能做到什么高度，取决于你提出的模型的准确/预测性。当然，这类工作的上限取决于你所挑战科学问题的重要性（举个凝聚态的例子，你要是把高温超导的机理整明白了，一个炸药奖肯定是跑不了的）。

参考

1. ^^abEnhanced strength and ductility in a high-entropy alloy via ordered oxygen complexes https://www.nature.com/articles/s41586-018-0685-y
2. ^^abPrecipitation strengthening of aluminum alloys by room-temperature cyclic plasticity https://science.sciencemag.org/content/363/6430/972#BIBL
3. ^^abIn situ study of the initiation of hydrogen bubbles at the aluminium metal/oxide interface https://www.nature.com/articles/nmat4336
4. ^^abAtomic mechanism and prediction of hydrogen embrittlement in iron https://www.nature.com/articles/nmat3479