Изследователи от “Сколтех” представиха нов простичък физичен модел за прогнозиране на твърдостта на материалите въз основа на информация за модула на срязване и уравнения за състоянието на кристалните структури. Моделът е полезен за широк спектър от практически приложения - всички параметри в него могат да бъдат определени чрез елементарни изчисления или измерени експериментално.
Резултатите от изследването са представени в списанието Physical Review Materials.
Твърдостта е важно свойство на материалите, което определя способността им да се противопоставят на деформации и други повреди (вдлъбнатини, драскотини), дължащи се на външни сили. Обикновено тя се определя чрез натискане на индентор в изпитвания образец, като инденторът трябва да е изработен от по-твърд материал, обикновено диамант.
В този случай твърдостта се определя въз основа на съотношението между максималната сила на вдлъбване и отпечатъка, който остава върху образеца.
Съвременната индустрия се нуждае от нови твърди и свръхтвърди материали с подобрени механични свойства в сравнение с традиционните материали. Едно от решенията на този проблем е използването на съвременни изчислителни методи за високопроизводително търсене (скрининг) на материали с подобрени свойства.
„Днес изчислителните методи са достатъчно усъвършенствани, за да могат точно да предсказват структурата и свойствата на различни съединения и материали. Важно е обаче не само да се предскаже структурата на даден материал, но и да се изчислят точно неговите механични свойства, като например твърдост, които са необходими за експерименталния синтез на материал с предварително определени свойства“, казва водещият автор на работата Фаридун Джалолов, докторант в програмата по материалознание и инженерство в „Сколтех“.
„Съществуващите емпирични модели за прогнозиране на твърдостта се основават на силата на химичните връзки, степента на йонизация, електроотрицателността на кристалите и еластичните модули на материалите.
„Предложихме простичък и точен модел, основан на свойствата на материала, като модул на срязване и производна на налягането на обемния модул. И двете свойства могат да бъдат получени чрез експерименти или атомистични симулации.“
Модулът на срязване е важен в модела на твърдостта, тъй като зависи от посоката на деформация на кристалната структура, което позволява на авторите да изчислят пространствената зависимост на твърдостта за редица материали с оглед на анизотропията на кристалната структура.
Като получава производната на налягането на обемния модул от уравнението на състоянието, екипът отчита влиянието на температурата върху твърдостта.
„Използвахме примерите с рениев диборид (ReB2) и боров карбид (B4C), за да покажем, че моделът за твърдост работи за твърди и свръхтвърди материали. Получената твърдост съответства на експерименталните измервания и на прогнозите, направени от моделите за машинно обучение. Всички стойности в нашия модел могат да бъдат получени директно от изчисления или експерименти, така че моделът е подходящ за практическа употреба“, допълва професор Александър Квашнин от Центъра за енергиен преход „Сколтех“, съавтор и научен ръководител на изследването.
Източник: Phys.org
