Учёные Сколтеха упростили прогнозирование твердости материалов

 

Ученые Сколковского института науки и технологий создали новую физическую модель, позволяющую предсказывать твердость материалов на основе данных о модуле сдвига и уравнениях состояния кристаллических структур. Разработка отличается простотой и универсальностью — все параметры модели могут быть рассчитаны теоретически или определены экспериментально. 

Твердость является одним из ключевых свойств материалов и определяет их способность сопротивляться деформациям под воздействием внешних нагрузок. Традиционно она измеряется путем вдавливания индентора — обычно алмазного — в поверхность образца и оценки отношения силы вдавливания к площади отпечатка. Современная промышленность предъявляет высокие требования к материалам с улучшенными механическими характеристиками, что стимулирует поиск новых твердых и сверхтвердых соединений. Одним из направлений становится использование вычислительных методов, позволяющих прогнозировать структуру и свойства материалов еще до их синтеза. 

Развитие вычислительных технологий делает возможным достаточно точное моделирование структуры и поведения различных соединений. Однако для практического применения важно не только предсказать кристаллическую структуру, но и рассчитать такие параметры, как твердость, определяющие механическую прочность будущего материала. Существующие модели прогнозирования основываются на эмпирических соотношениях, связанных с прочностью химических связей, ионностью, электроотрицательностью и упругими характеристиками. 

В новой модели, предложенной в Сколтехе, твердость рассчитывается на основе сдвигового модуля упругости и производной объемного модуля упругости по давлению. Эти величины можно получить как в эксперименте, так и методом атомистического моделирования. Использование сдвигового модуля позволяет учесть направление деформации и пространственную анизотропию кристаллических структур, а включение производной объемного модуля — влияние температуры на твердость материала. 

Эффективность модели подтверждена на примере твердых и сверхтвердых веществ, включая диборид рения и карбид бора. Результаты расчетов показали хорошее совпадение с экспериментальными данными и с прогнозами, полученными с использованием методов машинного обучения. Благодаря тому, что все параметры могут быть напрямую рассчитаны или измерены, модель может применяться для практического прогнозирования свойств материалов и использоваться в процессе их экспериментального синтеза. 

 Автор: teleport3d.com  
© 2025 teleport3d.com