Наноструктурные металлические материалы с ультрамелким размером зерен, полученные интенсивной пластической деформацией (ИПД), типично проявляют очень высокие прочностные свойства, значения которых значительно выше, чем предсказывает известное соотношение Холла-Петча. Наши исследования показывают, что причиной этого является то, что ИПД не только формирует ультрамелкозернистую структуру, но и приводит к образованию других наноструктурных особенностей – дислокационных субструктур, нанодвойников, наноразмерных выделений вторых фаз, которые вносят дополнительный вклад в упрочнение. При этом проведенный анализ механизмов упрочнения свидетельствует, что важный вклад в упрочнение вносят также структура и состояние границ зерен – их неравновесность и наличие зернограничных сегрегаций. На этой основе обсуждаются модельные представления и подходы достижения в металлических материалах сверхвысокой прочности, используя ИПД. В докладе представлены примеры реализации особопрочных состояний на ряде легких сплавов (Al, Mg и Ti) и нескольких сталях. Особое внимание уделяется анализу проблемы сочетания высокой прочности пластичности в наноматериалах, где в последние годы предложены новые подходы в решении этой проблемы, включая управление структурой границ зерен, введение нанодвойников, создание гетероструктур, которые также кратко обсуждаются в презентации. Большой практический интерес имеет создание высокопрочных металлических материалов для медицины. Недавние разработки и исследования наноструктурных биоматериалов – технически чистого титана, Mg сплавов с использованием методов ИПД способствуют существенному увеличению их прочностных и усталостных свойств, что позволяет создавать медицинские иплантаты улучшенной конструкции и с повышенными биофункциональными свойствами для стоматологии и челюстно-лицевой хирургии.

В задаче in-silico дизайна материалов первостепенное значение имеет точный расчет их свойств. Хотя квантовая механика обеспечивает такую точность, часто она требует значительных, порой непомерно высоких, затрат вычислительных ресурсов. Методы искусственного интеллекта (ИИ) позволяют значительно сократить эти затраты. В своей презентации я продемонстрирую, как применение машинного обучения к взаимодействиям между атомами позволяет нам значительно ускорить квантово-механические расчеты на несколько порядков, обеспечив высокую вычислительную эффективность и точность. С применением алгоритмов активного обучения такие взаимодействия могут быть «выучены» моделью в автономном режиме. Кроме того, в своем выступлении я расскажу о байесовских методах, применяемые для планирования молекулярных симуляций. Последние позволяют методам ИИ брать на себя рутинные задачи, традиционно выполняемые исследователями вручную: такие как подбор условий моделирования, обеспечение сходимости численных методов или планирование задач для высокопроизводительных вычислений. В качестве иллюстрации данного подхода я продемонстрирую полуавтоматический метод расчета фазовых диаграмм.

Интенсивная пластическая деформация (ИПД) не только приводит к сильному измельчению зерна и упрочнению материала, но также может вызывать диффузионные, а также бездиффузионные (мартенситные) фазовые превращения. Изучено влияние кручения под высоким давлением (КВД) на диффузионные и смещающие фазовые превращения в различных бинарных сплавах титана с β-стабилизаторами (Fe, Co, Ni, Mo, Nb, Ta). Перед КВД образцы подвергались отжигу и содержали (i) чистую β-фазу, (ii) смесь α+β с различным содержанием фаз, (iii) α' или α'' мартенситы, (iv) смесь α-Ti и соответствующей интерметаллидной фазы. Микроструктуру сплавов титана до и после КВД изучали методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии (в том числе высокого разрешения), рентгеновской дифракции (в том числе высокотемпературной in situ), дифференциальной сканирующей калориметрии, атомно-зондовой томографии, синхротронного облучения. В процессе КВД образуется α'-мартенсит, а также ω-фаза высокого давления. Фазовые переходы, вызванные КВД, могут быть мартенситными (т.е. без или почти без массопереноса) или диффузионными (т.е. с массопереносом). В случае мартенситных фазовых переходов β-в-ω или α-в-ω наблюдались определенные ориентационные соотношения между фазами β и ω или α и ω. Обсуждаются диффузионные и бездиффузионные механизмы этих превращений. Термическая стабильность ω-фазы, полученной методом КВД, исследована методом in-situ дифракции рентгеновских лучей при высоких температурах. ω-фаза в титановых сплавах, обработанных КВД с β-стабилизаторами, может сохраняться в образцах до 500–600°С. Таким образом, ее термическая устойчивость значительно выше, чем у чистого титана (~150°С). Таким образом, фазовые переходы, обусловленные КВД, открывают новый путь регулирования размера зерен и фазового состава сплавов на основе титана. В свою очередь, это дает в руки инженеров новый инструмент для улучшения технологически важных свойств титановых сплавов. Это особенно важно для медицинских применений, например, для изготовления протезов.

Обобщены результаты исследования закономерностей структурных превращений, механизмов деформации и разрушения в никелиде титана и ОЦК сплавах на основе V и Mo-Re в условиях активизации в них однородной деформации обратимых (ОЦК→ГПУ→ОЦК) мартенситных превращений типа деформации Бейна. Важной особенностью этих механизмов является их активизация на наномасштабном структурном уровне с формированием нано-объемов размерами несколько нанометров - новых носителей этой моды деформации. В основе ее активизации лежит явление фазовой нестабильности ОЦК решетки в полях высоких локальных напряжений. Отсутствие для однородной деформации (ОЦК→ГПУ→ОЦК) превращений сколько-нибудь эффективных препятствий, совместно с высокой эффективностью релаксации высокодефектных субструктур деформации в условиях фазовой динамической нестабильности кристалла, обеспечивают новые возможности модификации микроструктуры и физико-механических свойств материалов. Среди них сверхвысокая технологическая пластичность; предотвращение хладноломкости ОЦК сплавов; получение нанокристаллических структур с размерами нанозерен в несколько межатомных расстояний.

Закритическая стадия деформирования непосредственно предшествует моменту разрушения, характеризуется разупрочнением материала, проявляющемся в уменьшении напряжений при прогрессирующих деформациях. Физические причины разупрочнения различных материалов могут существенно отличаться, но, как правило, связаны с возникновением и развитием систем дефектов, разрушением структурных элементов. Условия макроразрушения, формирующиеся на закритической стадии деформирования, в отличие от традиционных представлений, не являются однозначно связанными с напряженно-деформированным состоянием в точке тела. Ключевую роль в переходе от стадии равновесного накопления повреждений к неравновесной, лавинообразной, стадии разрушения кроме свойств материала играет нагружающая система. Рассмотрены теоретические основы описания указанных явлений: сформулирован признак закритической деформации и постулат устойчивости для совокупности деформируемого тела и нагружающей системы, доказана теорема единственности решений упругопластических задач с граничными условиями контактного типа для тел с зонами разупрочнения, осуществлен вывод необходимых условий устойчивости закритического деформирования элементов структуры неоднородных сред, доказаны экстремальные и вариационные принципы механики устойчивого закритического деформирования. Анализ экспериментальных данных, разработанные элементы математической теории закритического деформирования, результаты моделирования процессов разрушения структурно неоднородных тел приводят к выводам о том, что предельное напряжение не является константой материала, условия разрушения имеют нелокальный характер и ключевым образом определяются не только свойствами среды, но и механическими свойствами нагружающей системы. Таким образом, разрушение рассматривается как результат потери устойчивости процесса деформирования. Условия разрушения определяются непосредственно из решения краевой задачи, при формулировке которой диссипативные свойства материала учитываются в определяющих соотношениях с помощью материальных функций, в общем случае с использованием тензора поврежденности четвертого ранга, а условия нагружения — с помощью локальных или нелокальных граничных условий третьего рода.

Кристаллические наногетероструктуры различной архитектуры – это основная составляющая приборов и устройств современных нано- и микроэлектроники, оптоэлектроники, фотоники, плазмоники и т. д. Их физические свойства и служебные характеристики сильно зависят от остаточных упругих деформаций несоответствия, вызванных различием параметров кристаллических решеток образующих их материалов. При определенных условиях происходит релаксация этих деформаций и вызванных ими механических напряжений путем образования различных дефектов, которые могут приводить к значительной деградации свойств наногетероструктур. Чаще всего такая релаксация осуществляется за счет появления на границах раздела дислокаций несоответствия (ДН). Теоретические и экспериментальные исследования процессов релаксации с образованием ДН проводятся с середины ХХ века. Однако до сих пор продолжается обсуждение вопросов об источниках, механизмах и критических условиях появления ДН в реальных кристаллических наногетероструктурах. В настоящем докладе предложен краткий обзор теоретических моделей, описывающих дислокационные механизмы релаксации напряжений несоответствия в таких наногетероструктурах – композитных наночастицах, нанопроволоках и нанослоях. Разработка теоретических моделей и сравнение разных механизмов релаксации приводит к выводу, что основным способом релаксации служит образование различных дислокационных конфигураций. Для определения и анализа критических условий их формирования недавно были получены новые решения граничных задач теории упругости о круговых призматических дислокационных петлях в полом упругом шаре и в упругом цилиндре, найдены выражения для упругой энергии таких петель и для энергий парного взаимодействия между ними. Рассчитаны также поля напряжений и энергия круговой призматической дислокационной петли, окружающей цилиндрическую полость в бесконечной упругой среде. С помощью полученных решений были определены критические условия, необходимые для образования круговых петель ДН на границах раздела в композитных наночастицах и нанопроволоках типа «ядро-оболочка» с разными типами ядер. В частности, рассматривались критические условия формирования петель ДН в сплошных и полых монокристаллических и в сплошных декаэдрических сферических наночастицах. Для моделирования последних было использовано новое решение об упругих полях клиновой дисклинации в упругом шаре. Исследовались случаи ядер в виде сплошного и полого шара, а также в виде полушария, опирающегося на экваториальную плоскость наночастицы. В случае нанопроволок рассматривались сплошные, свободно стоящие цилиндрические нанопроволоки типа «ядро-оболочка» и нанотрубки, внедренные в упругую матрицу. Все перечисленные выше модели предполагали упругую однородность и изотропию композитных наночастиц и нанопроволок. Исследовать влияние различий в упругих модулях ядра и оболочки на критические условия образования петель ДН удалось пока только в рамках приближенных моделей. Помимо анализа критических условий появления первых петель ДН изучался вопрос о равновесной (оптимальной) плотности этих дефектов в неоднородных кристаллических наноструктурах. Так, для композитной нанопроволоки типа «ядро-оболочка» была найдена равновесная плотность бесконечного периодического ряда петель ДН, которая хорошо совпадает с результатами прямых экспериментальных наблюдений. Аналогичная задача исследовалась для композитной наночастицы с ядром в виде полушария, опирающегося на экваториальную плоскость наночастицы. На основе полученного решения граничной задачи теории упругости о полях напряжений несоответствия в аксиально неоднородной нанопроволоке с плоской поперечной границей раздела впервые построена модель релаксации этих напряжений за счет образования круговых призматических дислокационных петель на некотором удалении от этой границы. Исследованы критические условия образования такой петли, найдены ее оптимальные радиус и расстояние до границы. В перечисленных моделях не исследовался сам процесс образования первых ДН, и не рассчитывались энергетические барьеры для их зарождения. В следующих работах были изучены возможные механизмах образования ДН, рассчитаны соответствующие энергетические барьеры, и из сравнения этих барьеров между собой сделаны заключения об относительной предпочтительности тех или иных механизмов релаксации. Например, рассматривались разные механизмы образования прямолинейных ДН на границе раздела в композитном нанослое, содержащем нанопроволоку прямоугольного поперечного сечения, и в цилиндрической нанопроволоке типа «ядро-оболочка» с ядром в виде длинной прямой призмы квадратного сечения, расположенной симметрично относительно цилиндрической поверхности оболочки. Построенные модели показывают, что сочетание методов классической теории упругости и микромеханики дефектов позволяет адекватно описывать релаксацию напряжений несоответствия в рассмотренных кристаллических наногетероструктурах.

В последние годы в вычислительном материаловедении наблюдается революционный прогресс, связанный с использованием методов машинного обучения для создания потенциалов межатомного взаимодействия (MLIPs – Machine Learning Interatomic Potentials). Основная идея такого подхода – аппроксимировать поверхность потенциальной энергии системы с помощью многочастичных функций общего вида (например, нейронных сетей) используя эталонные значения энергий и сил, полученные в ab initio расчетах. Атомистическое моделирование с MLIPs позволяет достигнуть ab initio точности при на порядки меньших вычислительных затратах. Актуальным приложением MLIPs является моделирование металлургических расплавов, поскольку экспериментальное изучение их свойств часто затруднительно. В цикле наших недавних работ показано, что MLIPs на основе нейронных сетей обеспечивают достаточную точность и вычислительную эффективность для расчета широкого спектра наблюдаемых свойств расплавов, таких как структурные характеристики, плотность, энтальпии смешения, температуры фазовых превращения, вязкость и коэффициенты диффузии. Вместе с тем, были выявлены проблемы, решение которых является вызовом для вычислительного материаловедения. Одной их них является недостаточная точность стандартных ab initio методов, основанных на теории функционала плотности, для описания некоторых систем. Другая проблема состоит в том, что создание MLIPs – это трудоемкий процесс, который может занимать недели и требовать значительных вычислительных ресурсов. Одним из способов решения указанных проблем является трансферное обучение (TL – Transfer Learning). TL – это повторное использование предварительно обученной модели для решения новой задачи. Одной из стратегий TL является дообучение MLIP с помощью нового набора данных. Поскольку при таком подходе обновляется только часть параметров нейросети (как правило, соответствующих одному-двум внешним слоям), то размер нового набора данных может быть на порядки меньше по сравнению с размером исходного набора данных, использованного для обучения исходной модели. Это, в частности, позволяет использовать для создания нового набора более точные ab initio приближения. Другой перспективный способ использования TL – дообучение «универсальных» MLIP, содержащих информацию о взаимодействии десятков химических элементов, и обученных на основе больших баз данных, содержащих результаты первопринципных расчетов десятков тысяч химических соединений и структур, таких как Materials Project. Результаты, полученные в последние годы, показывают, что MLIPs, параметризованные с использованием только неупорядоченных конфигураций, соответствующих жидкости, могут успешно описывать свойства кристаллических фаз, предсказывать их структуру, а также использоваться для моделирования структурных дефектов. Данный факт является важным для построения MLIPs с целью моделирования механических свойств конструкционных материалов.

Используя комплекс эффективных методов исследования структуры, проведено систематическое изучение и комплексный анализ структурных механизмов фазовых переходов «кристалл - аморфное состояние» и особенностей изменения тонкой атомной структуры в кристаллических и аморфных металлических сплавах и слоистых композитах в ходе больших пластических деформаций при комнатных и криогенных температурах. Изучено влияние температуры деформации в ходе кручения под высоким давлением (КВД) на характер атомной структуры, на тепловые и магнитные характеристики аморфных сплавов на основе железа. Установлена взаимосвязь между атомной структурой аморфных сплавов на основе железа после деформации КВД и их свойствами. Выявлены основные физические факторы деформационно-индуцированного структурно-фазового перехода «кристалл - аморфное состояние» в металлических сплавах при КВД. Установлены закономерности структурных механизмов атомного разупорядочения и термодинамические аспекты фазового перехода «кристалл - аморфное состояние» в ходе больших пластических деформаций КВД. Проведен детальный анализ и сравнение локальной атомной структуры аморфного сплава на основе никелида титана как полученного методом закалки из расплава, так и индуцированного большими пластическими деформациями. Выявлены структурные особенности формирования многослойных композитов из химически и топологически разнородных материалов.

Рассматриваются биоинертные сплавы на основе титана и резорбируемые сплавы на основе магния для медицинских приложений, прежде всего для имплантатов для замещения костной ткани. Для повышения механических свойств сплавов применены методы интенсивной пластической деформации (ИПД), а именно предложен комбинированный метод ИПД, сочетающий abc-прессование в пресс-форме и многоходовую прокатку в ручьевых валках с последующим дорекристаллизационным отжигом. Применение разработанного метода позволяет получить однородное ультрамелкозернистое (УМЗ) состояние по объему заготовок из титановых сплавов со средним размером элементов структуры до 200 нм и мелкокристаллическое (МК) состояние в заготовках из магниевых сплавов со средним размером зерна до 1,0 мкм. Полученные состояния обеспечивают необходимы уровень механических свойств сплавов и их применение для медицинских приложений. Представлены результаты комплексных исследований микроструктуры и свойств, включая механические свойства, титановых и магниевых сплавов в УМЗ и в МК состояниях соответственно. Рассмотрены физические закономерности формирования стабильной объемной УМЗ и МК структуры и физико-механических свойств для «чистого титана», сплавов на основе титана, ниобия и циркония и резорбируемых магниевых сплавов соответственно методом ИПД и вопросы, связанные с влиянием структурно-фазового состояния на процессы деформации, разрушения, диссипации и накопления энергии в условиях статического и циклического нагружения. Установлено, что УМЗ структура в титане, сплавах на основе титана, ниобия и циркония оказывает значительное влияние на физико-механические и теплофизические свойства, которые в свою очередь Рассматриваются задачи, связанные с практическими приложениями разрабатываемых УМЗ титановых и МК магниевых сплавов для изготовления имплантатов. Авторы доклада признательны своим коллегам из Томска, Новосибирска, Кургана, Екатеринбурга за предоставленные сплавы и участие в исследованиях и в обсуждениях.