В Сколтехе предложили новую модель для предсказания твердости материалов

Ученые Сколковского института науки и технологий представили новую, простую физическую модель для предсказания твердости материалов, основанную на информации о модуле сдвига и уравнениях состояния кристаллических структур. Модель полезна для широкого спектра практических применений: все параметры в ней можно определить с помощью базовых расчетов, либо измерить экспериментально.

Структура диборида титана и предложенная формула для вычисления твердости. Нижняя панель показывает зависимость твердости от направления в кристалле

Твердость определяет способность материалов сопротивляться деформациям под воздействием внешних сил. Обычно твердость определяют путем вдавливания индентора в испытуемый образец, при этом индентор должен быть сделан из более твердого материала, обычно алмаза. В этом случае твердость определяется на основе соотношения между максимальной силой вдавливания и отпечатком на образце. Современная промышленность нуждается в новых твердых и сверхтвердых материалах с улучшенными механическими свойствами по сравнению с традиционными материалами. Одно из решений этой проблемы — применение современных вычислительных методов для высокопроизводительного поиска материалов с улучшенными свойствами.

«Сегодня вычислительные методы достаточно развиты для точного прогнозирования структуры и свойств различных соединений и материалов, однако важно не только предсказать структуру материала, но и точно рассчитать его механические свойства, например твердость, которые необходимы для экспериментального синтеза материала с заранее определенными свойствами. Существующие эмпирические модели прогнозирования твердости основаны на прочности химических связей, степени ионности, электроотрицательности кристаллов и модулях упругости материалов. Нам удалось предложить простую и точную модель, основанную на таких свойствах материала, как сдвиговый модуль упругости и производной объемного модуля упругости по давлению. Оба свойства могут быть получены в результате экспериментов или атомистического моделирования», — рассказал аспирант Фаридун Джалолов.

Важность использования сдвигового модуля в модели твердости обусловлена его зависимостью от направлений деформации кристаллической структуры. Это позволило рассчитать пространственную зависимость твердости для ряда материалов с учетом анизотропии структуры кристаллов. Производная от модуля упругости по давлению, полученная из уравнения состояния, позволила учесть влияние температуры на твердость.

«Мы продемонстрировали, что модель твердости работает для твердых и сверхтвердых материалов на примерах диборида рения и карбида бора. Полученная температурная зависимость твердости хорошо согласуется с имеющимися экспериментальными измерениями и прогнозами моделей на основе машинного обучения. Все величины в нашей модели могут быть получены непосредственно из расчетов или экспериментов, поэтому модель пригодна для практического применения», — рассказал научный руководитель, профессор Александр Квашнин.

Результаты исследования представлены в журнале Physical Review Materials.

А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру! Ждем ваши идеи по адресу news@3Dtoday.ru