КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

НазваниеКомпьютерный скрининг свойств титановых и циркониевых сплавов в многомерном пространстве концентраций и температуры

РуководительБелов Максим Павлович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС", г Москва

КонкурсКонкурс 2021 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Аннотация
Одной из основных задач современного материаловедения является прогнозирование свойств материалов. Также актуальной проблемой является замена, по крайней мере частично, трудоемких и дорогостоящих экспериментальных исследований перспективных материалов их теоретическим моделированием. Первопринципные методы служат мощным инструментом для получения достоверных данных о физических свойствах различных материалов, что подтверждается огромным количеством публикуемых научных работ, в которых были использованы первопринципные методы. Кроме того, сейчас находятся в стадии разработки большие базы данных по материалам и их свойствам. Эти данные, как предполагается, важны для основанного на знаниях проектирования современных материалов, например, с помощью многомасштабного моделирования или новых подходов, таких как машинное обучение, интеллектуальный анализ данных и искусственный интеллект. Качество и надежность собранных данных играет важнейшую роль в продвижении разработки материалов на основе данных. Современным инструментом для получения информации о свойствах материалов является проведение расчетов в рамках теории функционала плотности (DFT). Процедура чаще всего включает оптимизацию кристаллической структуры путем минимизации полной энергии и сил, действующих на атомы в исследуемой системе, с использованием статических расчетов при температуре T = 0 K с последующим извлечением термодинамических, упругих, магнитных и других свойств материалов для оптимизированных структур. Однако этот подход, который в настоящее время реализуется в форме автоматических рабочих процессов для высокопроизводительных вычислений, может быть проблематичным, если иметь дело с так называемыми динамически нестабильными системами. В динамически неустойчивых системах частоты колебаний решетки при определенных волновых векторах являются мнимыми. Поэтому любое искажение решетки, соответствующее такому волновому вектору, разрушает кристаллическую решетку и физический смысл параметров материалов, рассчитанных для динамически нестабильных кристаллов, искусственно стабилизированных при T = 0 K периодическими граничными условиями, теряется. С другой стороны, ангармонические эффекты колебаний решетки иногда устраняют динамическую неустойчивость при конечной температуре, и было показано, что использование моделирования молекулярной динамикой вместо статических расчетов значительно повышает надежность теоретических предсказаний устойчивости решетки. Проект посвящен построению виртуальной карты физических свойств разупорядоченных многокомпонентных сплавов титана и циркония - как раз тех элементов, которые известны своими динамическими неустойчивостями ОЦК фаз при низких температурах, в многомерном пространстве концентраций и температуры, которая будет являться основой для разработки новых реальных материалов с улучшенными свойствами для применения в ядерной энергетике, развитию в аэрокосмической и биомедицинских областях промышленности. Т.к. предстоит проводить скрининг многомерного пространства, проект неразрывно связан с созданием систем обработки больших объемов данных, а также созданию самих объемов данных, в том числе с использованием машинного обучения и искусственного интеллекта. При реализации проекта будут разработаны\улучшены алгоритмы машинного обучения потенциалов межатомного взаимодействия в многокомпонентных сплавах на основе данных первопринципного моделирования для ускорения скрининга свойств практически без потери точности методов ab initio, выявлен минимально необходимый набор обучающих первопринципных данных и их расчет, произведено моделирование физических свойств сплавов с использованием машинно-обученных потенциалов, построены предсказательные модели и произведены уточняющие расчеты отдельных предсказанных систем с перспективными свойствами.

Ожидаемые результаты
К ожидаемым результатам проекта следует отнести новые знания о свойствах титановых и циркониевых сплавов, таких как фононные дисперсии, параметры решетки, упругие и термодинамические свойства в широких концентрационных диапазонах, в том числе их температурные зависимости. Будут получены концентрационные и температурные интервалы стабильности сплавов, выявлены механизмы стабилизации. Будут обнаружены составы с выдающимися свойствами. Полученные в ходе реализации проекта данные важны для наполнения разрабатываемых баз данных материалов, а также для прогнозирования свойств и разработки новых материалов в аэрокосмической, атомной, энергетической и биомедицинской отраслях промышленности.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В рамках выполнения проекта, для исследования свойств титановых и циркониевых сплавов была разработана методика получения межатомных потенциалов для молекулярной динамики. Использованный метод предлагает существенное сокращение затрат вычислительного времени для расчета физико-механических свойств материалов из первых принципов. В основе данного метода лежит применение ограниченного числа высокоточных расчетов молекулярной динамики в рамках теории функционала электронной плотности для построения межатомных потенциалов методом машинного обучения и последующее их применение для расчета различных термодинамических и механических характеристик исследуемых систем. Разработанный алгоритм позволяет на основании результатов расчетов описывающих 1500 шагов молекулярной динамики и дополнительно около 30 высокоточных расчетов в рамках теории функционала электронной плотности, с наименьшими затратами получить потенциалы и выполнять расчеты классической молекулярной динамики, не уступающие в точности квантово-механическим молекулярно-динамическим расчетам. Установлено, что получаемые потенциалы способны воспроизводить температурные фазовые переходы в исследуемых системах и корректно воспроизводить механические свойства в широком интервале температур. Создан набор данных для машинного обучения потенциалов межатомного взаимодействия. Методом PAW-SQS получены конфигурации атомных позиций и сил для чистого титана и бинарных оцк сплавов системы Ti-X, где X - серии 4d элементов Nb, Mo, Tc, Ru, Rh и 5d элементов Ta, W, Re, Os, Ir c концентрациями X 6.25, 25 и 50 ат.%. Методом EMTO-CPA построена база данных термодинамических и механических свойств неупорядоченных ОЦК сплавов Ti и Zr с 3d, 4d, 5d переходными металлами и с Al, Ga, Ge, In, Sn, в диапазоне концентраций 0-50 at. %. Показано, что рассчитанный параметр решетки сплавов меньше экспериментального, но результаты моделирования правильно воспроизводят концентрационные изменения и отличие не превышает 2%. Проведен анализ влияния концентрации легирующего компонента на свойства сплавов. Исследована термодинамическая и механическая стабильность сплавов. Продемонстрировано, что при заполнении d-зоны происходит нелинейное изменение упругих свойств. Методом PAW-SQS проведено исследование эффекта сплавления на термодинамические и механические свойства оцк сплавов Ti-X, где X - серии 4d элементов Nb, Mo, Tc, Ru, Rh и 5d элементов Ta, W, Re, Os, Ir для концентрационных срезов 6.25, 25 и 50 ат.%. Результаты расчетов показали, что сплавы с низким содержанием второго компонента X (6.25 ат.%) являются либо механически нестабильными, либо имеют сильно смягченную упругую константу C`, при этом значения модуля Юнга не превышают 60 GPa и лежат в диапазоне значений материалов, используемых для биомедицинских применений. При увеличении концентрации X (25 ат.%) рост упругой константы C` и стабильности системы наблюдается для всех элементов с максимальным эффектом для Re, Os (Tc, Ru), для которых также значительно увеличивается константа C44, а модули Юнга E и сдвига G имеют значения ~150 ГПа и ~70 ГПа, соответственно. Анализ параметров пластичности показывает, что сплавы обладают преимущественно металлическим типом атомной связи c увеличивающейся долей ковалентной составляющей и частично ионным вкладом для элементов середины периода. Для высоких концентраций второго компонента (50 ат.%) элементы середины периода Re (Тс) показывают максимум стабильности оцк кристалла, одновременно со стабильностью высокие механические характеристики демонстрируют сплавы c Re, Os (Tc, Ru), для которых модули Юнга и сдвига достигают значений ~250 ГПа и ~100 ГПа, соответственно. Анализ механической стабильности по полученным значениям константы C` и экспериментальных значений критических концентраций изоморфных бета-стабилизаторов в бинарных сплавах Ti-X показал, что величина C` является целесообразным параметром при ранжировании химических элементов по степени их способности стабилизировать β-фазу титанового сплава. С использованием метода первопринципной молекулярной динамики исследована динамика решетки и отклик на деформации ОЦК решетки титана при высоких температурах. Произведено сравнение результатов расчета фононных спектров с использованием гармонического Гамильтониана и Гамильтониана, содержащего силовые константы третьего порядка. Показано, что динамика решетки ОЦК титана не может быть корректно описана без учета ангармонических членов. Рассчитаны кривые напряжение-деформация для заданной схемы деформации η1= η11= η, η6=2η12= η. Для данной схемы деформации приводятся аналитические выражения зависимости ненулевых компонент тензора напряжений от величины деформации с учетом упругих постоянных до четвертого порядка включительно. Рассчитаны все упругие постоянные второго порядка, три упругие постоянные третьего порядка и четыре упругие постоянные четвертого порядка ОЦК титана.

Публикации

1. Белов М.П., Синяков Р.И. Динамика решетки и нелинейный отклик ОЦК титана на деформации при высокой температуре в методе первопринципной молекулярной динамики Физика твердого тела, - (год публикации - 2022).

2. Смирнова Е.А, Пономарева А.В., Сыздыкова А.Б., Белов М.П. Ab initio systematic description of thermodynamic and mechanical properties of binary bcc Ti-based alloys Materials Today Communications, номер статьи 103583, том 31 (год публикации - 2022).