Аннотация результатов, полученных в 2022 году
-Проведено исследование термодинамических и механических свойств ОЦК сплавов внедрения системы W-C с концентрацией углерода до 8.57 ат. %. Рассчитаны параметры решетки и энтальпии смешения для сплавов с разным распределением атомов примеси в октапорах различных ориентаций. Была отмечена тенденция к преимущественному расположению атомов внедрения в октапорах вдоль одного направления. Анализ термодинамических свойств сплавов системы W-С показал, что тетрагональное искажение приводит к более стабильной структуре, что согласуется с экспериментальными результатами. Проанализированы концентрационные зависимости упругих свойств при увеличении содержания углерода. Показано, что с увеличением концентрации углерода значения модуля Юнга и модуля сдвига снижаются на 10 % и повышается пластичность сплавов. -Проведено исследование термодинамических и механических свойств многокомпонентных Fe-Cr(5-25)-Ni(10-20)-Al(2.5-5) сплавов в ферромагнитном состоянии с маленьким шагом по концентрации для верификации результатов, полученных с помощью высокопроизводительных вычислений, которое подтвердило полученные концентрационные зависимости для энтальпии смешения, магнитных характеристик и упругих свойств. Показано, что добавление Ni увеличивает значения Fe-Fe обменных взаимодействий, усиливающих тенденцию к кластеризации в никельсодержащих сплавах. Обнаружена корреляция между влиянием многокомпонентного легирования на стабильность сплавов и на амплитуду магнитного момента атома Fe. Расчеты с увеличенной концентрационной сеткой исследования до 25 ат.% Cr и 10 ат.% Al позволили предложить область составов сплавов, Fe-Cr(20-25%)-Al(10%), характеризующихся высоким модулем Юнга и достаточной пластичностью для применений в ядерной энергетике. -Расчет энтальпии растворения примеси углерода в парамагнитном Fe-Mn-Al сплаве с учетом магнитного и атомного беспорядка выполнен в рамках теории функционала электронной плотности. Обнаружено, что взаимодействие ближайших атомов Al и C является отталкивающим, которое возникает из-за появления больших деформационных искажений вокруг атома алюминия. В то же время увеличение параметра решетки при добавлении алюминия приводит к уменьшению деформационных искажений Fe-C и Mn-C связей и увеличению геометрических размеров междоузлия, в котором растворяется углерод, что благоприятствует растворению примеси. Показано, что взаимное расположение Mn и C в первой координационной сфере друг друга и Al и C на второй и более дальних сферах будет приводить к уменьшению подвижности и увеличению растворимости углерода. -Изучен эффект влияния легирования вольфрама на упругие свойства B2 NiAl при низкотемпературном и высокотемпературном способах размещении W по подрешеткам. С помощью метода EMTO-CPA рассчитаны упругие константы, модули Юнга и сдвига, значения давления Коши, соотношения G/B. Показано, что добавление вольфрама может улучшить пластические характеристики B2 NiAl в обоих типах сплавов. Установлено, что при высокотемпературном способе размещения вольфрама на Al подрешетке наблюдается потеря механической стабильности и уменьшение механических свойств при увеличении концентрации W. В сплавах с низкотемпературным распределением атомов вольфрама на обеих подрешетках возникает уникальное сочетание свойств – при увеличении содержания W помимо увеличения пластичности наблюдается одновременное увеличение упругих постоянных C44 и С11, модулей сдвига G и Юнга E. С помощью расчета плотности электронных состояний проведен анализ различия поведения упругих постоянных в сплавах с разным типом размещения вольфрама. -С использованием метода молекулярной динамики исследована термическую стабильность и влияние температуры на энергию растворения углерода в оцк Fe-12.5ат.%Cr сплавах. Показано, что значения среднеквадратичных отклонений положений атомов в Fe-Cr-C сплавах говорят о колебательном характере атомного движения, при этом атомы в усредненных ячейках находятся в оцк позициях, т. е. структуры являются термически стабильными на температуре T= 900 K. Анализ динамики спиновых моментов показал, что максимальную амплитуду изменений магнитных моментов имеют атомы в апикальных позициях октаэдрической поры и фрустрированный атом хрома. Проведено исследование степени тетрагональности структуры от наличия и положения примеси, а также влияние температуры на значения c/a. Показано, что несмотря на низкую концентрацию углерода, тетрагональность Fe-Cr-C сплавов больше 1, степень которой уменьшается при увеличении температуры. Обнаружено, что тепловое движение атомов увеличивает энергию растворения углерода в оцк Fe-12.5 ат.%Cr сплавах, при этом энергия растворения при температурах 0 и 900 K зависит от наличия и положения атомов хрома в октаэдрической поре, однако величина температурной сдвижки не зависит от локального окружения примеси. Показано, что рассчитанные коэффициенты термического расширения исследуемых систем хорошо совпадает с экспериментальными данными. -Исследована эффективность применения автоматической системы расчета свойств в карбиде кремния SiC. В автоматическом режиме оптимизированы параметры методов первопринципного моделирования термодинамических, оптико-электрических и механических характеристик материалов на основе карбида кремния. Данные свойства рассчитаны в интервале давлений. -Изучено влияние отжига на свойства пентаоксида ванадия. Высокотемпературный отжиг монокристалла V2O5 (010) приводит к образованию фаз Wadsley (VnO2n+1, n > 1) и VO2. Сопротивление отожженных образцов изменяется в 20 раз при Т=342 К, что соответствует температуре фазового перехода металл-изолятор (TMIT) соединения VO2. Исследования методом просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения показывают сложную структурную взаимосвязь между кристаллитами V2O5, VO2 и V6O13. Сложная многофазная структура, образованная диэлектрической VO2 и металлической V6O13 фазами приводит к образованию перколяционных путей протекания тока, что и определяет резистивное состояние образцов ниже температуры TMIT. -В настоящей работе метод машинного обучения был использован для прогнозирования класса стали на основе состава и параметров термической обработки. Стали разных классов (аустенитные, мартенситные, перлитные и др.) имеют разное применение и характерные области прочностных свойств. Набор данных был собран из открытых источников, в основном состоит из аустенитных сталей для высокотемпературных применений. Точность классификации 97 % достигается за счет модели машинного обучения, обученной на концентрации четырех элементов (Fe, C, Cr, Ni) и параметрах термообработки (температуры и скорости охлаждения). Мы предполагаем, что причиной такой высокой точности классификатора машинного обучения является небольшая вариация используемых данных, которая действительно не меняет класс стали: свойства стали должны быть нечувствительны к деталям производственного процесса.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
-С использованием методов PAW-SQS и EMTO-CPA проведено исследование влияния легирования Si и Mn на магнитные и упругие свойства, а также термодинамическую стабильность ферромагнитных ОЦК Fe-Cr твердых растворов при T = 0 K. Выполнены расчеты параметров решетки, энтальпии смешения, упругих констант, объемных модулей, модулей Юнга и сдвига неупорядоченных тройных Fe-(0-50)Cr-(2.3-4.7)Si, Fe-(0-50)Cr-(2.3-4.7)Mn и четырехкомпонентных Fe-(0-50)Cr-2.3Si-2.3Mn сплавов. Получены эффективные химические взаимодействия конфигурационного гамильтониана, магнитные характеристики и обменные взаимодействия гамильтониана Гейзенберга. Показано, что добавление Si к Fe-Cr сплавам увеличивает растворимость Cr в ферромагнитном железе, за что ответственны химические Fe-Si и Cr-Si взаимодействия в дополнение к магнитным Fe-Cr взаимодействиям, которые являются основными для разбавленных двойных сплавов. В сплавах с марганцем энтальпия смешения положительна при всех концентрациях хрома, поскольку стабилизирующий эффект магнитных Fe-Cr взаимодействий скомпенсирован Mn-Mn и Cr-Mn обменными взаимодействиями, формирующими магнитную фрустрацию. Показано, что при добавлении кремния и марганца наблюдается увеличении упругой константы C44, значения констант C11, C12 и модулей упругости близки соответствующим значениям двойных Fe-Cr сплавов. Анализ концентрационных зависимостей параметра пластичности G/B и карт распределения разностной зарядовой плотности в Fe-Cr-Si сплавах позволили установить корреляции между изменением соотношения компонент атомной связи и свойствами сплавов. -Для исследования механизма трансформации между оцк и гцк фазами сплавов на основе Fe методом EMTO-CPA была рассчитана полная энергия и локальные магнитные моменты неупорядоченных парамагнитных сплавов Fe-Cr(2-25%)-Ni(2-10%)-Al(2-10%) вдоль тетрагонального пути Бейна. Получена оценка величин барьеров по отношению к ГЦК и ОЦК фазам при различных концентрациях легирующих компонентов. Показано, что увеличение содержания никеля способствует стабилизации ГЦК структуры и увеличивает барьер на пути Бейна относительно ГЦК фазы, тогда как одновременное добавление Cr и Al оказывает максимальное воздействие на стабилизацию парамагнитной ОЦК структуры и, соответственно, на увеличение барьера относительно ОЦК. Проведен анализ магнитной структуры исследуемых сплавов, показавший, что легирование никелем увеличивает локальный магнитный момент на атомах Fe, тогда как добавление хрома способствует уменьшению магнитного момента в ГЦК и ОЦК фазах. -Проведено теоретическое исследование нитридов углерода tI14-C3N4 и hP126-C3N4 с трехмерными каркасами тетраэдров CN4, которые являются потенциальными представителями класса сверхтвердых материалов, используемых в качестве важных конструкционных узлов. В рамках международного сотрудничества нашими коллегами эти соединения были синтезированы при высоком давлении и восстановлены в условиях окружающей среды. С помощью методов DFT выполнен структурный поиск, исследована термодинамическая и динамическая стабильность, выполнены расчеты механических и электронных свойств. Анализ фононных спектров позволил сделать вывод о том, что соединения tI14-C3N4 и hP126-C3N4 являются динамически стабильным на давлении синтеза и при атмосферном давлении. Рассчитанная функция локализации электронов (ELF) указывает на сильный ковалентный характер углерод-азотных взаимодействий в изучаемых нитридах. Анализ плотности электронных состояний и зонной структуры на атмосферном давлении показал, что оба нитрида являются изоляторами с прямыми широкими запрещенными зонами ~ 4 эВ. Расчет уравнений состояния продемонстрировал, что нитриды углерода tI14-C3N4 и hP126-C3N4 могут быть классифицированы как материалы с высокой несжимаемостью со значениями объемных модулей B~ 370–395 ГПа. При этом теоретически рассчитанная твердость для соединений с помощью микроскопической модели имеет значение Hv~ 80 ГПА, а полученная в макроскопическом приближении, равна Hv~ 50–53 ГПа. Показано, что все полученные теоретические результаты находятся в очень хорошем качественном и количественном совпадении с экспериментальными данными. -С помощью метода PAW-SQS проведено исследование энтальпии растворения углерода, локальных магнитных состояний и механических свойств ОЦК-сплавов Fe-Cr-C в зависимости от химического и магнитного окружения примеси. Проанализировано изменение объема октапоры при внедрении атома углерода в зависимости от расположения Fe и Cr на первой и второй координационных сферах относительно атома примеси. Показано, что внедрение в октапору углерода приводит к понижению абсолютного значения магнитных моментов атомов решетки в первой координационной сфере. Продемонстрировано, что наибольшему объему октапоры и наименьшей энтальпии растворения углерода соответствует конфигурация, в которой в первой координационной сфере атома углерода находятся только атомы хрома. Проведена оценка механических свойств Fe-Cr-C сплавов при различных окружениях углерода. Показано, что легирование углеродом незначительно увеличивает прочность сплава Fe-12.5 ат. % Cr. Расчетные значения упругих констант и модулей достигают наибольших значений для конфигураций, в которых октаэдрическая пора остается наименее симметричной. -С использованием методов теории функционала электронной плотности и машинного обучения проведено систематическое изучение свойства перспективных бинарных разбавленных алюминиевых сплавов с концентрацией примесей 1–2 ат.%. Наши результаты показали, что изменение зависимости объемного модуля, модуля сдвига и модуля Юнга от легирующих элементов при движении по каждому периоду имеют параболический вид, с максимальными свойствами для примесных атомов середины каждого периода и минимальными для элементов начала и конца периодов. Этот эффект был исследован с помощью анализа изменений зарядовой плотности при сплавлении. Показано, что сочетание размерного фактора, разницы электроотрицательностей атомов и электронной концентрации сплава приводит к двум характерным типам перераспределения зарядовой плотности. Проведено сравнение методов машинного обучения для предсказания модуля Юнга в сплавах алюминия. Показано, что наилучшие результаты достигаются при использовании метода опорных векторов (SVM) в сочетании с радиальной базисной функцией ядра. При использовании этого метода значение ошибки MAE составляет ~0.13 GPa, а коэффициент детерминации R2~1.00, что свидетельствует о высокой предсказательной точности применяемой модели. -Проведена оценка влияния легирования на механические и термодинамические свойства неупорядоченных ОЦК сплавов на основе вольфрама. Исследованы системы W-Ta, W-V, W-Ti и W-Zr в диапазоне концентраций от 0 до 25 ат. % легирующего элемента, и система W-Ta-C при добавлении 2.3 ат. % углерода. Показано, что в двойных системах W-Ta, W-V, W-Ti и W-Zr при увеличении концентрации легирующего элемента наблюдается снижение упругих модулей и увеличение пластичности. Перспективным является рассмотрение сплавов W-Ta и W-V, для которых улучшение пластичности не приводит к значительному уменьшению упругих модулей. Было рассмотрено влияние легирования углеродом на сплавы системы W-Ta. Показано, что добавление углерода приводит к небольшому увеличению упругих свойств сплава W-Ta с сохранением характеристик пластичности. -Разработана модель для предсказания радиационного распухания аустенитных сталей под воздействием облучения быстрыми нейтронами. Модель представляет собой нейронную сеть. Для обучения использовались данные из открытых источников. Модель позволяет предсказывать профиль объёмного распухания стали с зависимости от состава стали и условий облучения со средней ошибкой в 2.7 % об.