بررسی رشد ترک در دو ساختار لایه‌نشانی‌شده و ایده‌آل تیتانیوم/تیتانیوم‌نیترید با استفاده از شبیه‌سازی دینامیک مولکولی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه آموزشی فنی مهندسی، مهندسی مکانیک، دانشکاه زنجان، زنجان ایران

2 گروه آموزشی فنی مهندسی، مهندسی مکانیک، دانشگاه زنجان، زنجان، ایران

3 استاد دانشگاه

چکیده

وجود عیوب و تنش‌های پسماند سبب تضعیف مقاومت پوشش‎های چندلایه در مقابل رشد ترک می‌شود. برای بررسی این موضوع رشد ترک در دو ساختار لایه‌نشانی‌شده و ایده‌آل تیتانیوم/تیتانیوم‌نیترید با استفاده از شبیه‌سازی دینامیک مولکولی بررسی شده است. برای این منظور ابتدا لایه‌نشانی تیتانیوم‌نیترید بر روی بستر تیتانیوم انجام گرفته، سپس رشد ترک در دو ساختار مذکور بررسی گردیده است. رشد لایه تیتانیوم‌نیترید بر روی تیتانیوم جزیره‌ای بوده و ساختار لایه‌نشانی‌شده دارای عیوب و تنش پسماند می‌باشد. نتایج نشان می‌دهد که هر دو تنش پسماند دومحوری و نرمال، در بستر و پوشش به ترتیب کششی و فشاری می‌باشد. با استفاده از تغییر انرژی در لایه‌ها انرژی چسبندگی فصل مشترک محاسبه شده است که برابر 166 کیلوژول بر مول می‌باشد. در قسمت دوم با جایگذاری ترکی به طول 15 آنگستروم در لایه سرامیک در دو ساختار ایده‌آل و لایه‌نشانی‌شده رفتار رشد ترک بررسی شده است. نتایج نشان می‌دهد به دلیل ترد بودن لایه سرامیک، در هر دو حالت ذکر شده ترک تا فصل مشترک لایه‌ها رشد می‌کند. در ادامه تغییرشکل پلاستیک لایه تیتانیوم و همچنین ساختار فصل مشترک بین دو لایه مانع از رشد ترک و شکست کامل می‌گردد. همچنین تنش بحرانی لازم برای رشد ترک در ساختار منظم 5/2 برابر مقدار آن در ساختار لایه‌نشانی‌شده است که دلیل آن وجود عیوب و تنش پسماند در ساختار لایه‌نشانی‌شده می‌باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Investigation of Crack Growth in Deposited and Perfect Titanium/Titanium Nitride Structure by Molecular Dynamic Simulation

نویسندگان [English]

  • Hassan Amini 1
  • parvin gholizadeh 2
  • Esmaeil Poursaeidi 3
1 Technical Engineering Department, Mechanical Engineering, Zanjan University, Zanjan, Iran
2 Technical Engineering Department, Mechanical Engineering, Zanjan University, Zanjan, Iran
3 professor
چکیده [English]

The crack propagation behavior in the deposited titanium/titanium nitride bilayer is compared with the perfect structure using the molecular dynamics method. For this purpose, titanium nitride was deposited on the titanium substrate, then crack growth was investigated in the two structures. The titanium nitride film growth on the titanium substrate was an island, and the structure has defects and residual stress. The results showed that both the biaxial and normal stresses in the substrate and film are tensile and compressive, respectively. The cohesive energy of the interface was calculated by energy difference along with the atomic layers. In the following, a crack was considered perpendicular to the titanium/titanium nitride interface in both models, with an initial length of 15 Å. Due to the brittle behavior of the ceramic layer, the crack propagates rapidly until interface. The plastic deformation of the titanium layer and the structure of the interface blunt the tip of the crack and prevent it to fail. Also, the critical stress for crack growth in a perfect structure is found to 2.5 times its value in the deposited structure because of defects and residual stress.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Multilayer coating
  • Molecular dynamics
  • deposition
  • Crack
[1] Nanocoating-Development-Center, Application of Hard and Resistant Nanocoatings in Industry, Nano Technology Development Headquarter, Tehran, 2017. (in Persian)
[2] Z.H. Xu, L. Yuan, D.B. Shan, B. Guo, A molecular dynamics simulation of TiN film growth on TiN(0 0 1), Computational Materials Science, 50 (2011) 1432–1436.
[3] W. Yang, G. Ayoub, I. Salehinia, B. Mansoor, H. Zbib, Multiaxial tension/compression asymmetry of Ti/TiN nano laminates: MD investigation, Acta Materialia, 135 (2017) 348-360.
[4] T. Iwasaki, Molecular dynamics study of adhesion strength and diffusion at interfaces between interconnect materials and underlay materials, Computational Mechanics, 25 (2000) 78-86.
[5] Y. Cao, J. Zhang, T. Sun, Y. Yan, F. Yu, Atomistic study of deposition process of Al thin film on Cu substrate, Applied Surface Science, 256 (2010) 5993-5997.
[6] G.H. Feng, L. Wei, W.L. Min, L.G. Ping, Cluster size and substrate temperature affecting thin film formation during copper cluster deposition on a Si (001) surface, Chin. Phys. B, 21 (2012) 113601-113608.
[7] T. Zientarski, D. Chocyk, Structure and stress in Cu/Au and Fe/Au systems: A molecular dynamics study, Thin Solid Films,  (2014) 1-6.
[8] S. Zhanga, H. Gonga, X. Chena, G. Lia, Z. Wang, Low energy Cu clusters slow deposition on a Fe (001) surface investigated by molecular dynamics simulation, Applied Surface Science, 314 (2014) 433-442.
[9] J.C. Huang, The Study on Deposition of Cu/Co Multilayer Nano Thin Films under Gravitational Effect by Molecular Dynamics, in: L. Prior Meen (Ed.) International Conference on Applied System Innovation, IEEE, 2017, pp. 1579-1582.
[10] J. Zhang, Molecular dynamics study of crack propagation behavior and mechanisms in Nickel, The Ohio State University, 2011.
[11] Z. Yang, Y. Zhou, T. Wang, Q. Liu, Z. Lu, Crack propagation behaviors at Cu/SiC interface by molecular dynamics simulation, Computational Materials Science, 82 (2014) 17–25.
[12] J. Yu, Q. Zhang, R. Liu, Z. Yue, M. Tang, X. Li, Molecular dynamics simulation of crack propagation behaviors at the Ni/Ni3Al grain boundary, The Royal Society of Chemistry, 4 (2014) 32749-32754
[13] D. Huang, M. Wang, G. Lu, Continuum Fracture Analysis and Molecular Dynamic Study on Crack Initiation and Propagation in Nanofilms, Journal of Nanomaterials, 2014 (2014) 1-7.
[14] Y. Zhou, W. Yang, M. Hu, Z. Yang, The typical manners of dynamic crack propagation along the metal/ceramics interfaces: A molecular dynamics study, Computational Materials Science, 112 (2016) 27-33.
[15] L.V. Stepanova, Modeling of crack growth under mixed-mode loading by a molecular dynamics method and a linear fracture mechanics approach, in:  Mechanics, Resource and Diagnostics of Materials and Structures American Institute of Physics, 2017, pp. 0400591-0400594.
[16] Y. Li, Q. Zhou, S. Zhang, P. Huang, K. Xu, F. Wang, T. Lu, On the role of weak interface in crack blunting process in nanoscale layered composites, Applied Surface Science, 433 (2018) 957-962.
[17] B. Zhang, L. Zhou, Y. Sun, W. He, Y. Chen, Molecular dynamics simulation of crack growth in pure titanium under uniaxial tension, Molecular Simulation,  (2018) 1-10.
[18] B.J. Lee, M.I. Baskes, Second nearest-neighbor modified embedded-atom-method potential, Physical Review B, 62 (2000) 8564-8567.
[19] S. Plimpton, Fast Parallel Algorithms for Short–Range Molecular Dynamics, Journal of Computational Physics, 117 (1995) 1-42.
[20] A. Stukowski, Visualization and analysis of atomistic simulation data with OVITO–the Open Visualization Tool, Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, 18 (2010) 1-7.
[21] E.E. Gdoutos, Fracture Mechanics, 2 ed., Springer, The Netherlands, 2005.
[22] L. Zhang, H. Yan, G. Zhu, S. Liu, Z. Gan, Molecular dynamics simulation of aluminum nitride deposition: temperature and N : Al ratio effects, The Royal Society 5(2018) 1-11.
[23] S.F. Hwang, Y.-H. Li, Z.-H. Hong, Molecular dynamic simulation for Cu cluster deposition on Si substrate, Computational Materials Science, 56 (2012) 85-94.