Запропонована нова модель для прогнозування твердості матеріалів.
Результати дослідження представлені в журналі Physical Review Materials. Твердість — важлива властивість матеріалів, що визначає їх здатність чинити опір деформаціям та іншим пошкодженням (вмятинам, подряпинам) під впливом зовнішніх сил. Зазвичай твердість визначають шляхом втискання індентора в випробуваний зразок, при цьому індентора повинен бути виготовлений з більш твердого матеріалу, зазвичай з алмазу.
У цьому випадку твердість визначається на основі співвідношення між максимальною силою втискання та відбитком, який залишиться на зразку. Сучасна промисловість потребує нових твердих та надтвердих матеріалів з покращеними механічними властивостями в порівнянні з традиційними матеріалами. Одне з рішень цієї проблеми — застосування сучасних обчислювальних методів для високопродуктивного пошуку (скринінгу) матеріалів з поліпшеними властивостями.
«Сьогодні обчислювальні методи достатньо розвинені для точного прогнозування структури та властивостей різних сполук та матеріалів. Однак важливо не лише передбачити структуру матеріалу, але й точно розрахувати його механічні властивості, — наприклад, твердість, — які необхідні для експериментального синтезу матеріалу з заздалегідь визначеними властивостями.
Існуючі емпіричні моделі для прогнозування твердісті базуються на міцності хімічних зв'язків, ступені іонності, електронегативності кристалів та модулях пружності матеріалів. Нам вдалося запропонувати просту та точну модель, основану на таких властивостях матеріалу, як зсувний модуль пружності та похідна об'ємного модуля пружності за тиском. Обидва властивості можуть бути отримані в результаті експериментів або атомістичного моделювання», — розповів перший автор роботи Фарідун Джалолов, аспірант програми «Науки про матеріали» в Сколтеху.
Важливість використання зсувного модуля в моделі твердісті зумовлена його особливістю залежати від напрямків деформації кристалічної структури — це дозволило розрахувати просторову залежність твердісті для ряду матеріалів з урахуванням анізотропії структури кристалів. Похідна від модуля пружності за тиском, отримана з рівняння стану, дозволила врахувати вплив температури на твердість.
«Ми продемонстрували, що модель твердісті працює для твердих та надтвердих матеріалів на прикладах дибориду ренія (ReB2) та карбіду бору (B4C). Отримана температурна залежність твердісті добре узгоджується з наявними експериментальними вимірюваннями та прогнозами моделей на основі машинного навчання. Усі величини в нашій моделі можуть бути отримані безпосередньо з розрахунків або експериментів, тому модель придатна для практичного застосування», — додав професор Проектного центру з енергетичного переходу Сколтеха Олександр Квашнін, співавтор і науковий керівник роботи.