Изследователи от Сколковския институт по наука и технологии („Сколтех“) разработиха нов, опростен физичен модел за прогнозиране на твърдостта на материалите, базиран на модула на срязване и уравненията на състояние на кристалните структури. Всички параметри в модела могат да бъдат изчислени или измерени експериментално, което го прави изключително подходящ за практическа употреба в индустрията.

Резултатите от изследването са публикувани в списанието Physical Review Materials.

Какво представлява твърдостта на материалите

Твърдостта е ключово механично свойство, определящо устойчивостта на материалите към деформации, вдлъбнатини и надрасквания, причинени от външни сили. Най-често тя се измерва чрез натискане на индентор (обикновено изработен от диамант) върху тествания материал. Твърдостта се изчислява чрез съотношението между максималната приложена сила и отпечатъка, който остава върху повърхността на образеца.

Необходимост от нови твърди и свръхтвърди материали

Съвременната индустрия се стреми към създаване на материали с по-добри механични свойства, които превъзхождат традиционните по твърдост и устойчивост. Един от обещаващите подходи е високопроизводителният изчислителен скрининг, който използва напреднали симулации за откриване на нови материали.

„Днес изчислителните методи са достатъчно усъвършенствани, за да предсказват структурата и свойствата на различни съединения. За нас е особено важно да можем да предвидим и механични свойства като твърдостта, което е решаващо за създаването на материали с желани характеристики,“ казва Фаридун Джалолов, докторант в програмата по материалознание и инженерство в Сколтех.

Слабости на съществуващите модели за твърдост

Съществуващите емпирични модели се базират на фактори като:

  • химична свързаност;

  • степен на йонизация;

  • електроотрицателност;

  • еластични модули на материалите.

Тези подходи често са ограничени от необходимостта от сложни или недостъпни данни.

Новият модел: просто решение с висока точност

„Предложихме прост и точен модел, който използва два основни параметъра – модула на срязване и производната на налягането на обемния модул. И двете величини могат лесно да бъдат определени чрез симулации или експерименти,“ обясняват авторите.

Модулът на срязване е ключов, защото отразява анизотропията на кристалната структура и влиянието на различните посоки на деформация. Така моделът дава възможност за изчисление на пространствената зависимост на твърдостта при различни материали.

Производната на налягането на обемния модул, получена от уравнението на състояние, позволява и отчитане на температурните ефекти върху твърдостта – нещо, което често се пренебрегва в други модели.

Примери: ReB₂ и B₄C като валидиращи материали

В изследването са използвани рениев диборид (ReB₂) и боров карбид (B₄C) – известни с висока твърдост – за валидиране на модела. Резултатите:

  • съвпадат с експерименталните измервания;

  • корелират с прогнозите от съвременни модели, базирани на машинно обучение;

  • демонстрират практическа приложимост и точност на новия модел.

„Всички използвани стойности могат да се получат директно от симулации или експерименти, което прави нашия модел удобен и приложим в реални условия,“ казва проф. Александър Квашнин, съавтор и научен ръководител от Центъра за енергиен преход към Сколтех.

Заключение: Практичен инструмент за нови материали

Създаденият от екипа на Сколтех модел е бърз, точен и практичен инструмент за прогнозиране на твърдостта, който може значително да ускори откриването и разработката на нови твърди и свръхтвърди материали. Комбинацията от опростена формула и висока предсказателна сила го прави ценен както за научни изследвания, така и за индустриални приложения.

Източник: Phys.org