In this study, the mechanical properties of a Ni3Al matrix composite reinforced with single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) and multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) were investigated using atomistic modeling. The analysis focused on the behavior of the composite under uniaxial tensile strain across a range of temperatures (100–900[Formula: see text]K). The results demonstrated that the incorporation of any type of carbon nanotubes (CNTs) significantly enhanced Young’s modulus, yield strength, and tensile strength of the Ni3Al matrix. Notably, the reinforcement with MWCNTs resulted in superior mechanical properties compared to SWCNTs. Additionally, an increase in temperature led to a reduction in Young’s modulus for all composite samples. Among the tested configurations, the composite reinforced with MWCNTs exhibited the highest tensile modulus and yield strength, outperforming both the SWCNT-reinforced composite and the unreinforced Ni3Al crystal. These findings underscore the potential of MWCNTs as effective reinforcements in improving the mechanical performance of Ni3Al-based composites, especially at elevated temperatures.

Since carbon fiber woven composite panels contain complex fiber bundle structures, the aim of this paper is to investigate the factors influencing the macro-equivalent properties and topological flexibility of composite panels resulting from variations in fiber bundle configuration. Firstly, the structural topology optimization design of carbon fiber composite plates was achieved using a multi-scale modeling approach with the variable density method. Nonlinear relationships between carbon fiber bundle configuration parameters and macroscopic equivalent properties, as well as macroscale topological flexibility, were determined using deep learning methods, respectively. The maximum error in the predicted values of the deep learning network model does not exceed 0.5% when compared with the results of the finite element calculations. In addition, utilizing deep learning networks to predict macro-equivalent properties of composites can significantly decrease computational time. The impact of varying the number of filaments in fiber bundles and the spacing of the fiber bundles on the flexibility of the topology was determined using a deep learning network. The optimal topological flexibility, along with its corresponding fiber bundle spacing and number of fiber bundle filaments, are globally searched within the design domain using an adaptive genetic algorithm. The study in this paper can provide a reference for designing fiber bundle configurations of composites for practical applications.

Today, researchers and industry are faced with the task of improving the physical and mechanical properties of various metal products. To strengthen the structures, there are various technologies for processing the material surface by high-temperature exposure. At the same time, the use of laser technologies is of great interest. High-speed local laser heating of the material surface followed by rapid cooling with heat removal into the volume depth, as well as the absence of mechanical action, allows us to obtain unique nonequilibrium structures with a wide range of properties. Obviously, the development of these technologies requires deep fundamental research. In this work, the molecular dynamics method revealed the features of structural changes in the surface layers of an iron crystal under high-temperature exposure. The choice of such a method is due to the fact that the phenomena under consideration are difficult to study through real experiments and direct observations. Conditions of the computer experiment were set in such a way that after the melting point is reached, a phase transition occurs in the simulated system, during which particles are separated from the surface of the liquid phase. As a result of the study, the threshold temperature of particle ejection was estimated and the mechanisms of particle cluster formation were investigated. When heated, the number of clusters increases, and when cooled, it decreases, but at the same time their sizes increase, which indicates the implementation of the condensation mechanism of ablation products. Additionally, the influence of external pressure on the simulated particle system was studied. It is shown that as the pressure increases, the number of clusters decreases.

Abstract Platinum aluminides have the prospect of being used as both functional and structural materials for a range of scientific and technical tasks. They possess unique properties that make them effective catalysts. The dynamics of the crystal lattice play an important role in the manifestation of these properties. In this study, an analysis of the density of phonon states of crystals and the possibility of the existence of localized lattice vibrations in Al and Pt alloys is conducted using atomistic modeling. The following compounds are considered: AlPt, Al2Pt, Al3Pt, AlPt2, Al3Pt5, AlPt3 (four types of lattices). The calculated phonon spectra allow for the assessment of the possibility of the existence of nonlinear localized modes in the forbidden zone of the spectrum, if it is present. It is shown that a number of crystals within the framework of the considered formalism and interatomic potential can have a forbidden zone. This condition, together with the nonlinearity of the bonds, ensures the existence of highly-amplitude localized modes in the following compounds: AlPt3, AlPt3(1), AlPt3(2), AlPt3(3). It is also established that in the Al3Pt5 alloy, the existence of prolonged high-amplitude excitations on the Al atom is possible.

Под воздействием лазерных импульсов возможны значительные изменения микроструктуры поверхностных слоев материалов, в частности под облученной поверхностью может наблюдаться протяженный дислокационный слой. При этом предлагаются различные механизмы образования дислокаций в данном случае. Очевидно, что более полное понимание первопричин возникновения дислокаций является актуальной задачей и ее решение может найти свое практической применение. Сложность прямых наблюдений изучаемых процессов не позволяет проводить всестороннее исследование, поэтому в данном случае с успехом применяются численные эксперименты с применением методом компьютерного моделирования. В данной работе представлены результаты моделирования структурных изменений, возникающих при имитации воздействия на поверхность кристалла железа лазерных импульсов с различной плотностью энергии, и сопровождающихся образованием дислокаций. В основе модели лежит приближение, которое предполагает, что воздействие лазера приводит лишь к нагреву облученного материала. Для проведения исследования применялся метод молекулярной динамики с использованием потенциала межчастичного взаимодействия, рассчитанного в рамках метода погруженного атома. В ходе моделирования в расчетной ячейке возникала межфазная граница, которая является источником механических напряжений. Ее особенностью является наличие кривизны поверхности, приводящей к неравномерности распределения напряжений. Высказывается предположение, что именно благодаря этому создаются необходимые условия для образования дислокаций. В работе визуализирован процесс зарождения и последующего роста дислокаций, а также дислокационная реакция. Выполнены оценки изменения длины дислокаций при различных вариациях начальных условий и параметров моделирования. Возможно, результаты исследования найдут свое применение при описании процессов, протекающих при высокоэнергетическом воздействии на твердое тело.

Study of high temperatures influence on structural changes in solid structures has many drawbacks. Structure of metals is difficult to examine at the nanoscale using real experiments due to the small size of particles. In this study, we perform atomic simulations of the structural ablation caused by femtosecond laser pulses. A molecular dynamics model was built, which was used to study the structure of metals at the nanoscale level during laser ablation.

Более полное понимание процессов взаимодействия лазерного излучения с веществом может способствовать развитию технологий лазерного синтеза материалов с уникальными свойствами, наноструктурирования поверхностей обрабатываемых твердых тел и так далее. Затруднения, связанные с прямыми наблюдениями различных быстропротекающих процессов, способствуют развитию применения методов компьютерного моделирования для их изучения. В данной работе представлены результаты моделирования процессов уменьшения пористости поверхностных слоев железа, которая образовалась в результате лазерного импульсного воздействия. Исследование проводилось с применением потенциала, рассчитанного в рамках метода погруженного атома. Изучаемая модель подвергалась структурному анализу с применением апробированных алгоритмов, позволяющему количественно оценить площадь поверхности пустот в объеме кристалла. Рассматривались расчетные ячейки, содержащие пустоты в аморфной области, которые остаются устойчивыми при охлаждении модели, соответствующему процессу естественного охлаждения твердого тела в окружающей среде, что описывается математическим выражением. Очевидным подходом избавления от дефектов является отжиг твердого тела. Показано, что после отжига при температуре, значение которой не превышает половину от температуры плавления, поры сохраняются. Учитывая, что основным механизмов уменьшения пористости рассматривается диффузионно-вязкое течения вещества в пустоты, и тот факт, что диффузия в аморфной фазе происходит более интенсивно, чем в кристаллической, необходимо было создать в модели условия, когда при заданной температуре процесс кристаллизации замедляется. Подобные условия были достигнуты путем деформирования расчетной ячейке. В результате показано, что и при сжатии, и при растяжении наблюдается уменьшение пустот.

A deeper understanding of the interaction of laser radiation with matter can facilitate the development of technologies for laser synthesis of materials with unique properties, nanostructuring of surfaces of processed solids, etc. The difficulties related to direct observations of various fast processes contribute to the progress in the computer simulation methods used to study them. This work presents the results of the simulation of reduction of the iron surface layer porosity induced by laser pulses. The investigations have been carried out using the potential calculated within the embedded atom method. The model under study has been subjected to structural analysis using the proven algorithms, which makes it possible to quantify the surface area of pores in the bulk of a crystal. The computational cells under consideration contain pores in the amorphous region, which remain stable upon the model cooling corresponding to the natural cooling of a solid in the environment described by a mathematical expression. Obviously, to get rid of defects, a solid should be annealed. It is shown that, after annealing at a temperature of no higher than half of the melting point, pores are preserved. Taking into account that the main mechanisms for reducing the porosity are the diffusion-viscous flow of matter into pores and that diffusion in the amorphous phase is more intense than in the crystalline one, the conditions for slowing down crystallization at a certain temperature should be established in the model. The required conditions have been achieved by straining the computational cell. It is shown that, as a result, the number of pores decreases under both compression and tension.

Получены зависимости напряжения течения от деформации при разных температурах однородных твердых растворов на основе сплавов Cu–Mn с ГЦК кристаллической решеткой в зависимости от состава. Установлено, что различие между кривыми напряжения течения при разных температурах, растет с увеличением содержания Mn в сплаве. Представлены результаты исследования эволюции дислокационной структуры в сплавах Cu–Mn с содержанием марганца 1, 2, 4 и 6 ат. % в интервале размеров зерен 20…240 мкм при температурах деформации от 293 до 673 К методами дифракционной электронной микроскопии. Установлены зависимости скалярной плотности дислокаций от размера зерен и температуры испытания в сплавах Cu–Mn. Установлено, что с увеличением степени деформации происходит значительный рост средней скалярной плотности дислокаций. При фиксированной степени деформации во всех исследованных сплавах увеличение температуры деформации приводит к уменьшению плотности дислокации. В интервале размеров зерен от 10 до 100 мкм при всех температурах испытания наблюдается интенсивное уменьшение средней скалярной плотности дислокаций. Для размеров зерен свыше 100 мкм данная величина плотности дислокаций не изменяется. По микроснимкам, полученных в электронном микроскопе по ширине изгибных экстинкционных деформационных контуров измерялись численные значения кривизны-кручения кристаллической решетки. Установлено, что величина кривизны-кручения кристаллической решетке возрастает с деформацией нелинейным образом во всех исследованных сплавах. Величина кривизны-кручения кристаллической решетке при фиксированной степени деформации сплавах с размером зерна ~ 10 мкм больше, чем в сплавах с более высокими размерами зерен ~200 мкм.

Radiation swelling is one of the most urgent problems in radiation materials science. Its successful solution requires an understanding of the features of the mechanisms of pore healing. In this regard, there are various experimental and theoretical works devoted to this topic. At present, due to the increase in the power of computing tools, computer simulation allows for more and more complex studies and is used, among other things, in the field of materials science. In this paper, we present the results of molecular dynamics simulations devoted to the study of the processes of healing of a group of spherical pores in an fcc crystal subjected to shear deformation. As the study showed, for pores located in close proximity to each other, the formation of a common dislocation loop is characteristic, which is formed as a result of the attraction of individual loops having sections with opposite signs of helical orientation. The formation and subsequent development of such a loop contributes to a decrease in the free volume localized in the crystal in the form of pores. In addition, structural transformations that occur when a shock wave is generated in the computational cell, which creates additional stresses, are considered separately. In this case, the formation of the loop described above and the subsequent collapse of individual pores are also observed. Taking into account that the simulation was carried out at temperatures insufficient to activate diffusion processes, and the temperature control procedure was used in model experiments with wave generation, we can conclude that the shock wave is the cause of pore collapse even in the absence of high temperatures, and one of the main mechanisms of this process is the development of the dislocation structure of the ensemble of pores. Keywords: crystal, model, deformation, pore, dislocation.

The dependences of the flow stress at different temperatures of homogeneous solid solutions based on Cu–Mn alloys with an fcc crystal lattice are obtained depending on the composition. It has been established that the difference between the flow-stress curves at different temperatures increases with an increase in the Mn content in the alloy. The results of the study of the evolution of the dislocation structure in Cu–Mn alloys with manganese content of 1, 2, 4, and 6 at

Radiation swelling is one of the most urgent problems in radiation materials science. Its successful solution requires an understanding of the features of the mechanisms of pore healing. In this regard, there are various experimental and theoretical works devoted to this topic. At present, due to the increase in the power of computing tools, computer simulation allows for more and more complex studies and is used, among other things, in the field of materials science. In this paper, we present the results of molecular dynamics simulations devoted to the study of the processes of healing of a group of spherical pores in an fcc crystal subjected to shear deformation. As the study showed, for pores located in close proximity to each other, the formation of a common dislocation loop is characteristic, which is formed as a result of the attraction of individual loops having sections with opposite signs of helical orientation. The formation and subsequent development of such a loop contributes to a decrease in the free volume localized in the crystal in the form of pores. In addition, structural transformations that occur when a shock wave is generated in the computational cell, which creates additional stresses, are considered separately. In this case, the formation of the loop described above and the subsequent collapse of individual pores are also observed. Taking into account that the simulation was carried out at temperatures insufficient to activate diffusion processes, and the temperature control procedure was used in model experiments with wave generation, we can conclude that the shock wave is the cause of pore collapse even in the absence of high temperatures, and one of the main mechanisms of this process is the development of the dislocation structure of the ensemble of pores.

Нелинейные локализованные колебательные моды большой амплитуды с частотой колебаний за пределами фононного спектра называют дискретными бризерами (ДБ). Различают щелевые и т.н. ДБ с жёстким типом возбуждения. Первые возбуждаются в двухатомных кристаллах, например, в упорядоченных сплавах, атомы компонент которых значительно различаются по массе. Такие кристаллы имеют щель в плотности фононных состояний, внутри которой может находиться частота щелевого ДБ. Бризеры второго типа, как правило, имеют место в моноатомных кристаллах. Известно также, что они были получены и в некоторых двухатомных кристаллах. В данной работе изучается возможность возбуждения ДБ в кристалле Cr2Al. Хром-алюминиевые сплавы имеют большое практическое применение в электронагревательных устройствах большой мощности и промышленных электрических печах. Условия работы этих устройств создают предпосылки для возбуждения ДБ в кристаллической решётке сплавов, из которых изготавливают нагревательные элементы. Интерес к изучению возможности существования ДБ в указанном сплаве, связан с тем, что бризеры оказывают влияние на физические свойства материалов, могут снижать теплопроводность за счёт рассеяния фононов, а также способствуют возникновению и миграции дефектов. В работе была построена 3Dмодель ОЦК кристаллической решетки Cr2Al со сверхструктурой C11b. Рассчитаны коэффициенты потенциала Морзе, посредством которого осуществлялось взаимодействие между атомами.Рассмотрена возможность возбуждения ДБ в указанном модельном кристалле. Для поиска ДБ использовали методики, разработанные в работах Чечина Г.М., Сахненко В.П. с соавторами, а также Дмитриева С.В. с коллегами. Рассматривается также причина неустойчивости ДБ жёсткого типа возбуждения и их быстрого затухания, а также один из механизмов рассеяния энергии.

Localized states of discrete structures play an important role in energy transfer and reduction of potential barriers for local structure transformation. In this paper, we consider the influence of the surface curvature of the crystal with cylindrical symmetry on the possibility of excitation of surface localized modes. The study is performed by means of molecular dynamics method. A face-centered cubic crystal of composition A3B with an L12 superstructure, where component A is Pt, B is Al is considered. The interaction of particles was described by the in-teratomic potential obtained by the embedded atom method. We demonstrate the fundamental possibility of the existence of localized modes on the surface under consideration. External oscillations, in turn, can imitate the boundary conditions corresponding to the dynamics of the crystal volume, thereby leading to the consideration of modes located far from the surface. The energy and dynamic characteristics of localized excitations are calculated as functions of the curvature and location of the atom on the crystal surface.

An Al–Fe–Cr–Co–Ni high-entropy alloy (HEA) coating is deposited on a substrate made of 5083 alloy using the cold metal transfer (CMT) technology (wire-arc additive manufacturing (WAAM) in combination with welding surfacing). The HEA alloy has a nonequiatomic composition. The modern physical materials science methods are used to analyze the structure, phase and elemental compositions, defect substructure of the coating–substrate system. It is shown that he elemental and phase compositions, the defect substructure of the coating are dependent on the distance from the zone of contacting the coating and the substrate. The layer with a thickness to 200 µm adjacent to the contact zone contains includes a second phase at the HEA grain boundaries rich in chromium and iron atoms. The microdiffraction analysis shows that these inclusions are Al 8 Cr 5 . It is revealed that nanocrystalline phases Al 2 O 3 and MgAlO with sizes 10–20 nm and a subgrained structure (subgrain size 140–170 nm) form in the zone of mixing the coating and substrate. The structure of the I type is characterized by inhomogeneous distribution of chemical elements in HEA; there are regions of lammelar shape enriched in Cr atoms and the regions of spherical shape enriched Ni, Fe, and Co atoms. Nanosized (NiCo) 3 , Al 4 , and Al 13 Fe 4 particles are arranged along the subgrain boundaries of the system. The physical mechanisms of increasing the material hardness in the coating-substrate contact are discussed.

Используя метод молекулярной динамики в работе проведено исследование существования дискретного бризера в модельных кристаллах на основе Al и Pt с различной стехиометрией. В этих кристаллах рассчитан фононный спектр, а так же проведен анализ возможности существования дискретных бризеров в объёме кристалла на атомах Al. Моделирование осуществлялось на основе применения компьютерной программы LAMMPS Molecular Dynamics Simulator. Модели сплавов Al и Pt с различной кристаллической структурой созданы на основе материалов из базы данных The Materials Project. Кристаллы необходимых для моделирования размеров получены на основе элементарных ячеек из базы материалов с помощью приложения Atomsk. Для расчетов межатомного взаимодействия применялся ЕАМ-потенциал, который был получен методом погружённого атома. Using the method of molecular dynamics, we studied the existence of a discrete breather in model crystals based on Al and Pt with different stoichiometry. In these crystals, the phonon spectrum was calculated, and an analysis was made of the possibility of the existence of discrete breathers in the bulk of the crystal on Al atoms. The simulation was carried out on the basis of the computer program LAMMPS Molecular Dynamics Simulator. Models of Al and Pt alloys with different crystal structures are based on materials from The Materials Project database. The crystals of the sizes necessary for modeling were obtained on the basis of elementary cells from the database of materials using the Atomsk application. To calculate the interatomic interaction, the EAM potential was used, which was obtained by the embedded atom method.

In this study, we investigate the elastic properties of a composite consisting of platinum (Pt) and carbon nanotubes (CNTs) under the influence of an external impact using molecular dynamics simulations. The main focus of our research is on compression, and we compare the results with those obtained for a pure Pt crystal, as well as with the stretching of the composite. We employ the Modified Embedded Atom Method (MEAM) potential to describe the interaction between all particles, and we calculate mechanical stresses using the virial stress method. Our findings demonstrate that the Young's modulus of the composite is higher than that of pure platinum. Additionally, we analyze the effect of the strain rate on the elastic modulus and show that it decreases with an increase in the strain rate. Furthermore, we investigate the influence of the strain rate on the phase changes that occur in the composite. Overall, our study provides valuable insights into the elastic behavior of the Pt-CNT composite under compression and contributes to the understanding of the material's mechanical properties.

Используя технологию холодного переноса металла (проволочно-дуговое аддитивное производство (WAAM), совмещенное со сварочной наплавкой (СМТ)) на подложке из сплава 5083 сформировано покрытие высокоэнтропийным сплавом (ВЭС) Al-Fe-Cr-Co-Ni неэквиатомного состава. Методами современного физического материаловедения выполнен анализ структуры, фазового и элементного состава, дефектной субструктуры системы «покрытие-подложка». Показано, что элементный и фазовый состав, дефектная субструктура покрытия зависят от расстояния до зоны контакта покрытия и подложки. В слое толщиной до 200 мкм, примыкающем к зоне контакта, выявлено присутствие включений второй фазы на границах зерен ВЭС, обогащенной атомами хрома и железа. Микродифракционным анализом установлено, что это включения Al8Cr5. В зоне перемешивания покрытия и подложки выявлено формирование нанокристаллической фазы Al2O3 и MgAlO размером 10-20 нм и субзеренной структуры (размер субзерен 140-170 нм. Структура 1-го типа характеризуется неоднородным распределением химических элементов ВЭС, выявлены области пластинчатой формы, обогащенные атомами Cr и сферической формы, обогащенные атомами Ni, Fe, Co. По границам субзерен структуры располагаются наноразмерные частицы (NiCo)3, Al4 и Al13Fe4. Высказано предположение о физических механизмах повышения твердости материала в зоне контакта «покрытие-подложка».

В данной работе посредством атомистического моделирования методом молекулярной динамики исследуются упругие свойства композита на основе Pt и УНТ, в случае внешнего интенсивного воздействия в ориентации кристалла <001> (одноосного сжатия) при четырех различных скоростях деформации. Результаты моделирования сравниваются с монокристаллом Pt. Модель представляла собой куб, содержащий более 5000 атома. Для формирования нанокомпозита Pt-УНТ в монокристаллическую металлическую матрицу была помещена однослойная углеродная нанотрубка типа «зигзаг» с хиральными индексами (8,0), содержащая 320 атомов. Таким образом, объемная доля УНТ в композите Pt-УНТ составляет 5,8 %. Потенциалом взаимодействие всех частиц нанокомпозита являлся многочастичный потенциал, полученный модифицированным методом погруженного атома. Механические напряжения рассчитываются на основе вириального напряжения. Результаты молекулярно-динамического моделирования получены в настоящей работе с использованием пакета программ LAMMPS. В работе было установлено повышение модуля Юнга и снижение прочности на сжатие нанокомпозита Pt-УНТ по сравнению с чистой платиной. Предполагается, что модуль Юнга увеличился из-за высокой жесткости УНТ, а снижение прочности вероятно связано с укорачиванием атомных связей на границе Pt и CNT.

Thermodynamic computer models of real alloys are based, first of all, on the choice of a particle interaction potential. The chosen potential often determines, to a great extent, the final result. The potential should numerically describe the properties of investigated materials qualitatively and as accurately as possible. The aim of this study is to analyze numerically the properties of the Ni3Al and Pt3Al crystals using the potentials obtained by the embedded-atom method (EAM). Classical EAM potentials and modified EAM (MEAM) potentials are considered with allowance for directional bonds. The lattice parameters, phonon spectra, elastic constants, and melting points of the proposed fcc intermetallics with the L12 superstructure have been calculated. The characterization of the crystals with the maximum accuracy allows one to construct realistic thermodynamic models with a required degree of reliability in studying localized states of the crystal lattices. The alloys under study find wide application, in particular, under intense external impacts. This leads to the manifestation of nonlinearity of the bonds and the formation of various localized states both in the bulk of the crystals and on their surface. In particular, solitary waves, nonlinear localized modes, and defect structures can be formed. The results obtained show that the investigated potentials describe satisfactorily the main properties and can be used to study the lattice dynamics in the bulk of a crystal. At the same time, the MEAM potentials seem preferable in studying surface effects and boundary temperature and pressure parameters.