بررسي رشد ترك در دو ساختار لايه‌نشاني‌شده و ايده‌آل تيتانيوم/تيتانيوم‌نيتريد با استفاده از شبيه‌سازي ديناميك مولكولي

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

وجود عيوب و تنش‌هاي پسماند سبب تضعيف مقاومت پوشش هاي چندلايه در مقابل رشد ترك مي‌شود. براي بررسي اين موضوع رشد ترك در دو ساختار لايه‌نشاني‌شده و ايده‌آل تيتانيوم/تيتانيوم‌نيتريد با استفاده از شبيه‌سازي ديناميك مولكولي بررسي شده است. براي اين منظور ابتدا لايه‌نشاني تيتانيوم‌نيتريد بر روي بستر تيتانيوم انجام گرفته، سپس رشد ترك در دو ساختار مذكور بررسي گرديده است. رشد لايه تيتانيوم‌نيتريد بر روي تيتانيوم جزيره‌اي بوده و ساختار لايه‌نشاني‌شده داراي عيوب و تنش پسماند مي‌باشد. نتايج نشان مي‌دهد كه هر دو تنش پسماند دومحوري و نرمال، در بستر و پوشش به ترتيب كششي و فشاري مي‌باشد. با استفاده از تغيير انرژي در لايه‌ها انرژي چسبندگي فصل مشترك محاسبه شده است كه برابر 166 كيلوژول بر مول مي‌باشد. در قسمت دوم با جايگذاري تركي به طول 15 آنگستروم در لايه سراميك در دو ساختار ايده‌آل و لايه‌نشاني‌شده رفتار رشد ترك بررسي شده است. نتايج نشان مي‌دهد به دليل ترد بودن لايه سراميك، در هر دو حالت ذكر شده ترك تا فصل مشترك لايه‌ها رشد مي‌كند. در ادامه تغييرشكل پلاستيك لايه تيتانيوم و همچنين ساختار فصل مشترك بين دو لايه مانع از رشد ترك و شكست كامل مي‌گردد. همچنين تنش بحراني لازم براي رشد ترك در ساختار منظم 2/5 برابر مقدار آن در ساختار لايه‌نشاني‌شده است كه دليل آن وجود عيوب و تنش پسماند در ساختار لايه‌نشاني‌شده مي‌باشد.

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.