Электронный научный журнал
 
Diagnostics, Resource and Mechanics 
         of materials and structures
ВыпускиО журналеАвторуРецензентуКонтактыНовостиРегистрация

Все выпуски

Все выпуски
 
2026 Выпуск 1
 
2025 Выпуск 6
 
2025 Выпуск 5
 
2025 Выпуск 4
 
2025 Выпуск 3
 
2025 Выпуск 2
 
2025 Выпуск 1
 
2024 Выпуск 6
 
2024 Выпуск 5
 
2024 Выпуск 4
 
2024 Выпуск 3
 
2024 Выпуск 2
 
2024 Выпуск 1
 
2023 Выпуск 6
 
2023 Выпуск 5
 
2023 Выпуск 4
 
2023 Выпуск 3
 
2023 Выпуск 2
 
2023 Выпуск 1
 
2022 Выпуск 6
 
2022 Выпуск 5
 
2022 Выпуск 4
 
2022 Выпуск 3
 
2022 Выпуск 2
 
2022 Выпуск 1
 
2021 Выпуск 6
 
2021 Выпуск 5
 
2021 Выпуск 4
 
2021 Выпуск 3
 
2021 Выпуск 2
 
2021 Выпуск 1
 
2020 Выпуск 6
 
2020 Выпуск 5
 
2020 Выпуск 4
 
2020 Выпуск 3
 
2020 Выпуск 2
 
2020 Выпуск 1
 
2019 Выпуск 6
 
2019 Выпуск 5
 
2019 Выпуск 4
 
2019 Выпуск 3
 
2019 Выпуск 2
 
2019 Выпуск 1
 
2018 Выпуск 6
 
2018 Выпуск 5
 
2018 Выпуск 4
 
2018 Выпуск 3
 
2018 Выпуск 2
 
2018 Выпуск 1
 
2017 Выпуск 6
 
2017 Выпуск 5
 
2017 Выпуск 4
 
2017 Выпуск 3
 
2017 Выпуск 2
 
2017 Выпуск 1
 
2016 Выпуск 6
 
2016 Выпуск 5
 
2016 Выпуск 4
 
2016 Выпуск 3
 
2016 Выпуск 2
 
2016 Выпуск 1
 
2015 Выпуск 6
 
2015 Выпуск 5
 
2015 Выпуск 4
 
2015 Выпуск 3
 
2015 Выпуск 2
 
2015 Выпуск 1

 

 

 

 

 

A. R. Kuznetsov, S. A. Starikov

THE BAIN AND ORTHORHOMBIC PATHS OF THE STRUCTURAL AND PHASE TRANSFORMATIONS AND THEORETICAL STRENGTH OF MOLYBDENUM

DOI: 10.17804/2410-9908.2025.5.053-065

An ab initio method is used to study the energy of the Bain and orthorhombic paths of the structural and phase transformations in molybdenum and phonon instability during uniaxial deformation along <001>. The calculation of the phonon spectrum in the whole irreducible Brillouin zone as dependent on strain for the Bain path makes it possible to find the softest phonon spectral regions, responsible for the loss of structural stability. The nature of the stability loss is revealed, and the strain at which stability is lost under both tension and compression is evaluated. The most probable mechanisms governing the structural stability and theoretical strength of molybdenum are discussed. The results can concern experiment situations when small defect-free regions are strained, e. g., in nanostructured materials, or when surface layers are modified by state-of-the-art plastic deformation techniques, or during nanoindentation, or for super-high ductility of Mo-based alloys.

Acknowledgement: The work was performed under the state assignment for the IMP UB RAS from the Russian Ministry of Science and Higher Education. The Uran supercomputer of the IMM UB RAS was used for the calculations.

Keywords: ab initio calculation, Bain and orthorhombic paths, phonon spectrum, structural stability

References:

  1. Bain, E.C. The Nature of Martensite. Trans. AIME, 1924, 70, 25–35.
  2. Okatov, S.V., Kuznetsov, A.R., Gornostyrev, Yu.N., Urtsev, V.N., and Katsnelson, M.I. Effect of magnetic state on the α-γ transition in iron: first-principles calculations of the Bain transformation path. Physical Review B, 2009, 79 (9), 094111–094115. DOI: 10.1103/RevModPhys.84.945.
  3. Grimvall, G., Magyari-Köpe, B., Ozoliņš, V., and Persson, K.A. Lattice instabilities in metallic elements. Review of Modern Physics, 2012, 84 (3), 945–986. DOI: 10.1103/PhysRevB.79.094111.
  4. Clatterbuck, D.M., Krenn, C.R., Cohen, M.L., and Morris Jr., J.W. Phonon instabilities and the ideal strength of aluminum. Physical Review Letters, 2003, 91 (13), 135501–135504. DOI: 10.1103/PhyaRevLett.91.135501.
  5. Pokluda, J., Cern, M., Sandera, P., and Sob, M. Calculations of theoretical strength: state of the art and history. Journal of Computer-Aided Materials Design, 2004, 11, 1–28. DOI: 10.1007/s10820-004-4567-2.
  6. Pokluda, J., Černý, M., Šob, M., and Umeno, Y. Ab initio calculations of mechanical properties: methods and applications. Progress in Materials Science, 2015, 73, 127–158. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2015.04001.
  7. Kuznetsov, A.R., Starikov, S.A., and Sagaradze, V.V. Phonon instabilities in a metal on the bain fcc–bcc transformation path. Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures, 2022, 6, 86–94. DOI: 10.17804/2410-9908.2022.6.086-094. Available at: http://dream-journal.org/issues/2022-6/2022-6_385.html
  8. Kuznetsov, A.R. and Starikov, S.A. The Bain and orthorhombic paths of the bcc–fcc transformation in a bcc metal. Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures, 2023, 6, 35–44. DOI: 10.17804/2410-9908.2023.6.035-044. Available at: http://dream-journal.org/issues/2023-6/2023-6_423.html
  9. Kuznetsov, A.R. and Starikov, S.A. The Bain and orthorhombic paths of structural-phase transformations in a transition metal (V). Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures, 2024, 6, 119–130. DOI: 10.17804/2410-9908.2024.6.119-130. Available at: http://dream-journal.org/issues/2024-6/2024-6_490.html
  10. Luo, W., Roundy, D., Cohen, M.L., and Morris, J.W. Ideal strength of bcc molybdenum and niobium. Physical Review B, 2002, 66, 094110. DOI: 10.1103/PhysRevB.66.094110.
  11. Liu, Z. and Shang, J. First principles calculations of electronic properties and mechanical properties of bcc molybdenum and niobium. Rare Metals, 2011, 30 (suppl. 1), 354–358. DOI: 10.1007/s12598-011-0302-9.
  12. Available at: arXiv:2406.16634 [cond-mat.mtrl-sci]
  13. Tyumentsev, A.N., Litovchenko, I.Yu., Ditenberg, I.A., Pinzhin, Yu.P., Grinyaev, K.V., Smirnov, I.V., and Chernov, V.M. Plasticheskaya deformatsiya v usloviyakh fazovoy nestabilnosti kristallicheskoy reshetki [Plastic Deformation Under the Phase Instability of the Crystal Lattice]. NTL Publ., Tomsk, 2024, 212 p. (In Russian).
  14. Dewaele, A., Torrent, M., Loubeyre, P., and Mezouar, M. Compression curves of transition metals in the Mbar range: experiments and projector augmented-wave calculations. Physical review B: Condensed Matter, 2008, 78 (10), 104102. DOI:10.1103/PhysRevB.78.104102.
  15. Haas, P., Tran, F., and Blaha, P. Calculation of the lattice constant of solids with semilocal functionals. Physical Review B, 2009, 79 (8), 085104. DOI: 10.1103/physrevb.79.085104.
  16. Ming, L. and Manghnani, M.H. Isothermal compression of BCC transition metals to 100 kbar. Journal of Applied Physics, 1978, 49, 208–212. DOI: 10.1063/1.324325.
  17. Nagasako, N., Jahnátek, M., Asahi, R., and Hafner, J. Anomalies in the response of V, Nb, and Ta to tensile and shear loading: ab initio density functional theory calculations. Physical Review B, 2010, 81, 094108–094121. DOI: 10.1103/PhysRevB.81.094108.
  18. Katahara, K.W., Manghnani, M.H., and Fisher, E. Elastic moduli of paramagnetic chromium and Ti–V–Cr alloys. Journal of Physics F: Metal. Physics, 1979, 9, 773. DOI: 10.1088/0305-4608/9/11/008.
  19. Dickinson, J.M. and Armstrong, P.E. Temperature dependence of the elastic constants of molybdenum. Journal of Applied Physics, 1967, 38, 602–606. DOI: 10.1063/1.1709381.
  20. Bolef, D.I. and De Klerk, J. Elastic constants of single crystal Mo and W between 77° and 500°K. Journal of Applied Physics, 1962, 33, 2311–2314. DOI: 10.1063/1.1728952.
  21. Zeng, Z.-Y., Hu, C.-E., Cai, L.-C., Chen, X.-R., and Jing, F.-Q. Lattice dynamics and thermodynamics of molybdenum from first-principles calculations. The Journal of Physical Chemistry B, 2010, 114, 298–310. DOI: 10.1021/jp9073637.
  22. Kittel, C. Introduction to Solid State Physics, Wiley, New York, 1996, 674 p.
  23. Molekulyarno-luchevaya epitaksiya i geterostruktury [Molecular Beam Epitaxy and Heterostructures]. Mir Publ., Moscow, 1989, 582 p. (In Russian).
  24. Landa, A., Söderlind, P., Naumov, I.I., Klepeis, J.E., and Vitos, L. Kohn anomaly and phase stability in group VB transition metals. Computation, 2018, 6, 29. DOI: 10.3390/computation6020029.
  25. Koči, L., Ma, Y., Oganov, A.R., Souvatzis, P., and Ahuja, R. Elasticity of the superconducting metals V, Nb, Ta, Mo, and W at high pressure. Physical Review B, 2008, 77, 214101. DOI: 10.1103/PhysRevB.77.214101.
  26. Johannes, M.D. and Mazin, I.I. Fermi surface nesting and the origin of Charge Density Waves in metals. Physical Review. B, Condensed Matter, 2007, 77 (16), 165135. DOI: 10.1103/PhysRevB.77.165135.

А. Р. Кузнецов, С. А. Стариков

БЕЙНОВСКИЙ И ОРТОРОМБИЧЕСКИЙ ПУТИ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ И ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ МОЛИБДЕНА

В работе методом ab initio изучена энергетика бейновского и орторомбического путей структурно-фазовых превращений в Mo и нестабильности фононов в ходе одноосной деформации вдоль <001>. Расчет фононного спектра во всей неприводимой зоне Бриллюэна в зависимости от деформации для бейновского пути позволил найти наиболее мягкие ветви фононного спектра, ответственные за потерю устойчивости структуры. Выявлен характер потери устойчивости, а также оценена величина деформации, при которой теряется устойчивость как при растяжении, так и при сжатии. Обсуждаются наиболее вероятные механизмы, определяющие устойчивость структуры и теоретическую прочность Mo. Полученные результаты могут относиться к ситуациям в эксперименте, когда деформируются малые свободные от дефектов области, например, в наноструктурированных материалах, при модифицировании поверхностных слоев современными методами пластического деформирования, при наноиндентировании, при сверхвысокой пластичности сплавов на основе Mo.

Благодарность: Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки России для ИФМ УрО РАН. Расчеты проведены с использованием суперкомпьютера «Уран» ИММ УрО РАН.

Ключевые слова: первопринципный расчет, бейновский и орторомбический пути, фононный спектр, стабильность структуры

Библиография:

  1. Bain E. C. The Nature of Martensite // Trans. AIME. – 1924. – Vol. 70. – P. 25–35.
  2. Effect of magnetic state on the α-γ transition in iron: first-principles calculations of the Bain transformation path / S. V. Okatov, A. R. Kuznetsov, Yu. N. Gornostyrev, V. N. Urtsev, M. I. Katsnelson // Physical Review B. – 2009. – Vol. 79 (9). – P. 094111–094115. – DOI: 10.1103/RevModPhys.84.945.
  3. Lattice instabilities in metallic elements / G. Grimvall, B. Magyari- Köpe, V. Ozoliņš, K. A. Persson // Review of Modern Physics. – 2012. – Vol. 84 (3). – P. 945–986. – DOI: 10.1103/PhysRevB.79.094111.
  4. Phonon instabilities and the ideal strength of aluminum / D. M. Clatterbuck, C. R. Krenn, Marvin L. Cohen, J. W. Morris, Jr. // Physical Review Letters. – 2003. – Vol. 91 (13). – P. 135501–135504. – DOI: 10.1103/PhyaRevLett.91.135501.
  5. Calculations of theoretical strength: state of the art and history / / J. Pokluda, M. Cern, P. Sandera, M. Sob // Journal of Computer-Aided Materials Design. – 2004. – Vol. 11. – P. 1–28. –DOI: 10.1007/s10820-004-4567-2.
  6. Ab initio calculations of mechanical properties: methods and applications / J. Pokluda, M. Cerny, M. Sob, Y. Umeno // Progress in Materials Science. – 2015. – Vol. 73. – P. 127–158. – DOI: 10.1016/j.pmatsci.2015.04001.
  7. Kuznetsov A. R., Starikov S. A., Sagaradze V. V. Phonon instabilities in a metal on the bain fcc–bcc transformation path // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. – 2022. – Iss. 6. – P. 86–94. – DOI: 10.17804/2410-9908.2022.6.086-094. – URL: http://dream-journal.org/issues/2022-6/2022-6_385.html
  8. Kuznetsov A. R., Starikov S. A. The Bain and orthorhombic paths of the bcc–fcc transformation in a bcc metal // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. – 2023. – Iss. 6. – P. 35–44. – DOI: 10.17804/2410-9908.2023.6.035-044. – URL: http://dream-journal.org/issues/2023-6/2023-6_423.html
  9. Kuznetsov A. R., Starikov S. A. The Bain and orthorhombic paths of structural-phase transformations in a transition metal (V) // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. – 2024. – Iss. 6. – P. 119–130. – DOI: 10.17804/2410-9908.2024.6.119-130. – URL: http://dream-journal.org/issues/2024-6/2024-6_490.html
  10. Ideal strength of bcc molybdenum and niobium / W. Luo, D. Roundy, M. L. Cohen, J. W. Morris, Jr. // Physical Review B. – 2002.– Vol. 66. – 094110. – DOI: 10.1103/PhysRevB.66.094110.
  11. Liu Z., Shang J. First principles calculations of electronic properties and mechanical properties of bcc molybdenum and niobium // Rare Metals. – 2011. – Vol. 30 (suppl. 1). – P. 354–358. – DOI: 10.1007/s12598-011-0302-9.
  12. URL: arXiv:2406.16634 [cond-mat.mtrl-sci]
  13. Пластическая деформация в условиях фазовой нестабильности кристаллической решетки // А. Н. Тюменцев, И. Ю. Литовченко, И. А. Дитенберг, Ю. П. Пинжин, К. В. Гриняев, И. В. Смирнов, В. М. Чернов. – Томск : НТЛ, 2024. – 212 с.
  14. Compression curves of transition metals in the Mbar range: experiments and projector augmented-wave calculations / A. Dewaele, M. Torrent, P. Loubeyre, M. Mezouar // Physical Review B: Condensed Matter. – 2008. – Vol. 78 (10). – 104102. – DOI: 10.1103/PhysRevB.78.104102.
  15. Haas P., Tran F., Blaha P. Calculation of the lattice constant of solids with semilocal functionals // Physical Review B. – 2009. – Vol. 79 (8). – 085104. – DOI: 10.1103/physrevb.79.085104.
  16. Ming L., Manghnani M. H. Isothermal compression of BCC transition metals to 100 kbar // Journal of Applied Physics. – 1978. – Vol. 49. – P. 208–212. – DOI: 10.1063/1.324325.
  17. Anomalies in the response of V, Nb, and Ta to tensile and shear loading: ab initio density functional theory calculations / N. Nagasako, M. Jahnátek, R. Asahi, J. Hafner // Physical Review B. – 2010. – Vol. 81. – P. 094108–094121. – DOI: 10.1103/PhysRevB.81.094108.
  18. Katahara K. W., Manghnani M. H., Fisher E. Elastic moduli of paramagnetic chromium and Ti–V–Cr alloys // Journal of Physics F: Metal. Physics. – 1979. – Vol. 9. – P. 773. – DOI: 10.1088/0305-4608/9/11/008.
  19. Dickinson J. M., Armstrong P. E. Temperature dependence of the elastic constants of molybdenum // Journal of Applied Physics. – 1967. – Vol. 38. – P. 602–606. – DOI: 10.1063/1.1709381.
  20. Bolef D. I., De Klerk J. Elastic constants of single crystal Mo and W between 77° and 500°K // Journal of Applied Physics. – 1962. – Vol. 33. – P. 2311–2314. – DOI: 10.1063/1.1728952.
  21. Lattice dynamics and thermodynamics of molybdenum from first-principles calculations / Z.-Y. Zeng, C.-E. Hu, L.-C. Cai, X.-R. Chen, and F.-Q. Jing // The Journal of Physical Chemistry B. – 2010. – Vol. 114. – P. 298–310. – DOI: 10.1021/jp9073637.
  22. Kittel C. Introduction to Solid State Physics. – New York : Wiley, 1996. – 674 p.
  23. Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетероструктуры / под ред. Л. Ченга, К. Плога; пер. с англ. под ред. Ж. И. Алферова, Ю. В. Шмарцева. – Москва : Мир, 1989. – 582 с.
  24. Kohn anomaly and phase stability in group VB transition metals / A. Landa, P. Söderlind, I. I. Naumov, J. E. Klepeis, L. Vitos // Computation. – 2018. – Vol. 6. – P. 29. – DOI: 10.3390/computation6020029.
  25. Elasticity of the superconducting metals V, Nb, Ta, Mo, and W at high pressure / L. Koči, Y. Ma, A. R. Oganov, P. Souvatzis, R. Ahuja // Physical Review B. – 2008. – Vol. 77. – 214101. DOI: 10.1103/PhysRevB.77.214101.
  26. Johannes M. D., Mazin I. I. Fermi surface nesting and the origin of Charge Density Waves in metals // Physical Review. B: Condensed Matter. – 2007. – Vol. 77 (16). – 165135. – DOI: 10.1103/PhysRevB.77.165135.

PDF      

Библиографическая ссылка на статью

Kuznetsov A. R., Starikov S. A. The Bain and Orthorhombic Paths of the Structural and Phase Transformations and Theoretical Strength of Molybdenum // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. - 2025. - Iss. 5. - P. 53-65. -
DOI: 10.17804/2410-9908.2025.5.053-065. -
URL: http://dream-journal.org/issues/content/article_531.html
(accessed: 18.04.2026).

 

импакт-фактор
РИНЦ

категория К2
в перечне ВАК

Белый список
4 уровень

МРДМК 2026
ЦКП Пластометрия
НЭБ РИНЦ
Google Scholar


РНБ
Лань

 

Учредитель:  Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения имени Э.С. Горкунова Уральского отделения Российской академии наук
Главный редактор:  С.В.Смирнов
При цитировании ссылка на Электронный научно-технический журнал "Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures" обязательна. Воспроизведение материалов в электронных или иных изданиях без письменного разрешения редакции запрещено. Опубликованные в журнале материалы могут использоваться только в некоммерческих целях.
Контакты  
 
Главная E-mail 0+
 

ISSN 2410-9908 Регистрация СМИ в Роскомнадзоре Эл № ФС77-57355 от 24 марта 2014 г. © ИМАШ УрО РАН 2014-2026, www.imach.uran.ru