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

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 2.5 برابر مقدار آن در ساختار لایه‌نشانی‌شده است که دلیل آن وجود عیوب و تنش پسماند در ساختار لایه‌نشانی‌شده می‌باشد.

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

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.