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.

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.

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.

Известно, что воздействие лазерных импульсов на поверхность металла сопровождается такими процессами как локальный нагрев, плавление и даже испарение металла, что приводит к различным структурным изменениям поверхности. Очевидно, что в связи с широким применением лазера в качестве инструмента обработки материалов исследование процессов, сопутствующих его воздействию, является актуальной задачей, которую, впрочем, не всегда удается решить исключительно экспериментальным путем и в данном случае требуется применение дополнительных методов исследования. В представленной работе методом молекулярной динамики изучаются структурные изменения, происходящие в монокристалле железа, подвергнутому относительной деформации различной величины, при моделируемом воздействии лазерного импульса. Предполагается, что подобное воздействие сопровождается лишь разогревом облученного материала до достаточно высоких температур. Показано, что в результате последующей структурной релаксации в кристалле образуются дислокации, являющиеся откликом на внешнее воздействие, а по мере роста величины деформации формируются области разориентации. При этом для разориентации в данном случае не требуются большие деформации, а необходимо наличие жидкой фазы, а также избыточный свободный объем. Высказывается предположение, что возникновению областей разориентации также способствуют касательные напряжения, создаваемые межфазной границей.

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.

The paper discusses the changes in the structures of BCC crystals subjected to high-temperature exposure. The interest in the study is explained by the processes occurring in the liquid surface layer and their subsequent impact on layer crystallization. They will further affect various physical and geometric characteristics of the material surface as a whole. The presented model helps observe the imperfections of the structure caused by the appearance of pores on the surface layers of the metal. The computational cell temperature in the designed model is distributed according to the solution of the linear problem of heat conduction. The model allows for revealing a surface layer continuity violation when the excess free volume localizes in the form of a group of spherical pores. The dimensions of such imperfections, as well as the duration of their existence, differ when modeling different laser radiation energy densities. Further research reveals the conditions for the pores to remain stable throughout the entire simulation time, as well as the relationship between the crystallographic orientation of the “solid-liquid” interphase boundary and the sizes of the formed pores” interphase boundary and the sizes of the pores formed. Keywords: bcc crystal, molecular dynamics model, interface boundary, porosity.

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.

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.

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.

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.

The presented work presents the results of molecular dynamics modeling of changes in the surface layer of the computational cell under a short-term high-energy impact. Interest in this topic is because the processes occurring in the surface layer, which is in a liquid state, will subsequently have an impact during its crystallization, and, as a result, will affect various physical and geometric characteristics of the surface of the material as a whole. The model constructed and described in the work, in which the temperature of the computational cell is distributed in accordance with the solution of the linear problem of heat conduction, made it possible to reveal the discontinuity of the surface layer, which consists in the localization of excessfree volume in the form of a group of spherical pores. The sizes of these imperfections, as well as the duration of their existence, have differences when modeling different energy densities of laser radiation. Further research made it possible to reveal the conditions under which the pores remain stable throughout the entire simulation time, as well as to reveal the relationship between the crystallographic orientation of the "solid-liquid" interface and the sizes of the formed pores.

Molecular dynamics simulation of the changes in a α-Fe surface layer during short-time high-energy action is performed. The developed model enables us to reveal the continuity violation of the surface layer, which consists in excess free volume localization in the form of spherical pores. The sizes of these imperfections and the duration of their existence are substantially dependent on the radiation energy density and the deformation of a calculation cell.

Results of molecular-dynamic simulation of structural changes in the surface layer of a design cell of a BCC-crystal under short-term high-energy action are presented. A spatial model where the temperature of the design cell is distributed in accordance with the solution of a linear problem of heat conduction makes it possible to detect disruption of surface layer continuity, including localization of excess free volumes in the form of spherical pores. Dimensions of these imperfections and the time of their existence differ during modeling of laser radiation with different energy density. Conditions are revealed for pore stability during the whole simulation period and a relationship between crystallographic orientation of the “solid – liquid” interphase boundary and sizes of pores formed is determined.

An external high-energy impact on the surface of a solid, for example, by ultrashort ultra-high-power laser pulses, can lead to phase transitions, as a result of which the surface structure undergoes cardinal changes. This paper presents the results of molecular dynamics modeling of changes in the surface layer of the computational cell under a short-term high-energy impact. The model constructed and described in the paper, in which the temperature of the computational cell is distributed in accordance with the solution of the linear problem of heat conduction, made it possible to reveal a violation of the continuity of the surface layer, which consists in the localization of excess free volume in the form of a group of spherical pores. The sizes of these imperfections, as well as the duration of their existence, have differences when modeling different energy densities of laser radiation. Further research made it possible to reveal the conditions under which the pores remain stable throughout the entire simulation time, as well as to reveal the relationship between the crystallographic orientation of the "solid — liquid" interface and the sizes of the formed pores.

The article demonstrates the possibility of using atomistic modeling, using the example of the molecular dynamics method, as an additional educational tool in the study of the properties of crystalline solids in laboratory work. The research was carried out with the participation of 5th year bachelor students studying in a double specialty "physics and computer science" in a pedagogical direction. A range of software is considered, which allows a flexible approach to the choice of topics for laboratory work, ensuring their implementation without significant time expenditures both on the part of the teacher and the students. A positive response from students was received, which was also expressed in a higher average score according to the results of mastering the discipline. The opinion of students is expressed that additional means of visualizing the results when carrying out molecular dynamics modeling are not required.

Динамика решетки кристаллов определяется многими факторами, в том числе дефектами структуры и внешними условиями. В данной работе нами рассмотрено поведение плотности фононных состояний кристалла при различной концентрации точечных дефектов и температурах. Рассмотрен кристалл стехиометрии А3В, на примере Pt3Al, в котором возможно существования запрещенной зоны в фононном спектре кристалла. Модель представляла собой расчетную ячейку, содержащую от 103 до 105атомов. Частицы взаимодействовали посредством многочастичного потенциала, полученного методом погруженного атома. При этом накладывались периодические граничные условия, чтобы избежать краевых и поверхностных эффектов. Далее производилось удаление нужной доли атомов Al и/или Pt с последующей релаксацией модели не менее 20 пикосекунд и нагревом до необходимой температуры. Расчет спектров кристаллов производился непосредственно с данных, полученных при расчетах, т.е. рассчитывалась частота каждого атома и весь диапазон полученных значений разбивался на 100 интервалов для определения плотности их распределения. Такой подход менее точен теоретических расчетов, однако позволяет отслеживать динамику спектра, к тому же теоретический расчет сложных конфигураций решетки с дефектами крайне затруднителены. Тем самым в работе получены качественные результаты, позволяющие оценить изменение плотности фононных состояний решетки при наличии точечных дефектов. Полученные зависимости свидетельствуют о том, что с ростом температуры и концентрации дефектов увеличивается вероятность возбуждения мод, частоты которых близки к собственным частотам дискретных бризеров в данном кристалле.