Analysis of the stress concentration in the nanomultilayer coatings based on digital representation of the structure

• Autorzy: Perzyński K. , Major Ł. , Madej Ł. , Pietrzyk M.

Warianty tytułu

PL

Numeryczna analiza koncentracji naprężeń w wielowarstwowych nanopowłokach na bazie cyfrowej reprezentacji materiału

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Investigation of the stress concentration in the nanomultilayer materials under exploitation conditions is the main objective of the work. During loading a failure can initiate and propagate, which have important impact on material strength and reliability. This is of importance when materials for biological applications are considered. Special features of the investigated material, including irregular shape of the boundaries and columnar structure of these layers lead to growth of local stresses in the material and may be responsible for mentioned instabilities. To capture this behavior during numerical modeling an innovative solutions are required. Authors propose numerical simulation, which combines algorithms of the deposition process for realistic digital material representation of coatings and finite element (FE) approach for modeling of material behavior under loading. Algorithm of the deposition process is implemented using the cellular automata (CA) approach. Based on the developed model, a simple plastometric compression tests are simulated to analyze stress distribution in the material and possibility of failure initiation. These results are compared qualitatively with experimental data, including ball-on-test and transmission electron microscope (TEM) observation. Obtained results are the basis for development of a numerical model for fracture propagation with adopted extended finite element method (XFEM).

PL

Głównym celem pracy jest zaproponowanie podejścia numerycznego umożliwiającego analizę koncentracji naprężeń w materiałach o strukturze nanowarstwowej przeznaczonych dla bioinżynierii. Jest to szczególnie istotne w przypadku prowadzenia analizy zachowania się materiałów w warunkach eksploatacji ponieważ umożliwia zlokalizowanie miejsc szczególnie narażonych na uszkodzenia. Do przeprowadzenia szczegółowej analizy numerycznej konieczne jest uwzględnienie typowych cech nanowarstwowego materiału np. nieregularnego kształtu granicy pomiędzy warstwami. W tym celu Autorzy zastosowali model MES sprzężony z jawną reprezentacją mikrostruktury i automatami komórkowym (CA). Model na bazie CA uwzględnia wspomniane specyficzne cechy analizowanych materiałów. W pracy przedstawiono algorytm generowania cyfrowej reprezentacji nanowarstw oraz wyniki symulacji z wykorzystaniem opracowanego modelu numerycznego dla warstw bez uwzględnienia chropowatości granicy międzywarstwowej, jak i z jej uwzględnieniem. Uzyskane wyniki w formie rozkładów naprężeń stały się podstawą do opracowania modelu procesu pękania w analizowanych materiałach z wykorzystaniem metody eXtended Finite Element Method (XFEM). Przykłady uzyskanych wyników również zamieszczono w niniejszej pracy.

Słowa kluczowe

EN

cellular automata (CA); TEM; layers depositions; nanomaterials; XFEM

PL

automat komórkowy; TEM; nanomateriał; XFEM

• Wydawca: Institute of Metallurgy and Materials Science of Polish Academy of Sciences ; Committee of Materials Engineering and Metallurgy of Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Metallurgy and Materials
• Rocznik: 2011
• Tom: Vol. 56, iss. 2
• Strony: 393--399
• Opis fizyczny: Bibliogr. 12 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Perzyński K.

autor

Major Ł.

autor

Madej Ł.

autor

Pietrzyk M.

• Department of Modeling and Information Technology, Agh - University of Science and Technology, 30-059 Kraków, 30 Mickiewicza Av., Poland

Bibliografia

• [1] B. Major, R. Major, F. Bruckert, J.M. Lackner, R. Ebner, R. Kustosz, P. Lacki, New gradient coatings on TiN and Ti(C, N) basis for biomedical application to blood contact; Advances in Materials Science 3(13), 7, 63-70 (2007).
• [2] R. Major, P. Lacki, Finite - element modeling of thin films deposited on the polyurethane substrate, Archives of Metallurgy and Materials 50, 379-385 (2005).
• [3] K. Perzyński, Ł. Major, M. Kopernik, Ł. Madej, "Analysis of the stress localization in the nanogrid coatings based on digital representation of the structure", Inżyniera Materiałowa 175, 735-738 (2010).
• [4] L. Major, M. Kot, J. Lackner, The effect of metallic inter-layer on multilayer ceramic/metal coatings properties, Inżyniera Materiałowa 175, 445-448 (2010).
• [5] L. Madej, P. Cybulka, K. Perzynski, L. Rauch, Numerical analysis of strain inhomogeneities during deformation on the basis of the three dimensional digital material representation, Computer Methods in Materials Science 11, 375-380 (2011).
• [6] J. Bujak, J. Walkowicz, J. Kusiński, Influence of the nitrogen pressure on the structure and properties of (Ti, Al)N coatings deposited by cathodic vacuum arc PVD process, Surface and Coatings Technology 180-181, 150-157 (2004).
• [7] K. Malarz, Badanie wzrostu powierzchni techniką symulacji komputerowej (Study of surface growth by means of computer simulations), Ph.D. thesis, University of Mining and Metallurgy (AGH), 2000.
• [8] A. C. E. Reid, R. C. Lua, R. E. Garcia, V. R. Coffman, S. A. Langer, Modelling Microstructures with OOF2, International Journal of Materials and Product Technology 35, 361-373 (2009).
• [9] J. Ambrico, E. E. Jones, M. R. Begley, Cracking in thin multi-layers with finite-width and periodic architectures, International Journal of Solids and Structures 39, 1443-1462 (2002).
• [10] O. Allix, "Multiscale strategy for solving industrial problems", III European Conference on Computational Mechanics 6, 107-126 (2006).
• [11] J. Olivier, Continuum modelling of strong discontinuities in solid mechanics in Proc. Conf. COMPLAS'95, 455-479 (1995).
• [12] G. Jovicic, M. Zivkovic, A. Sedmak, N. Jovicic, D. Milovanovic, Improvement of algorithm for numerical crack modeling, Archives of Civil and Mechanical Engineering X, 19-35 (2010).