Tensile Deformation of Ni/Ti Multilayers: Coupled Effects of Modulation Period and Strain Rate from Molecular Dynamics Simulations

Editorial Board PCSS Journal; О. Пальчековський; А. Орлов; Ю. Яворський; І. Круглов

doi:10.15330/pcss.27.3.613-621

Автор(и)

О. Пальчековський Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського, Київ, Україна
А. Орлов Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського, Київ, Україна
Ю. Яворський Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського, Київ, Україна
І. Круглов Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського, Київ, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.27.3.613-621

Ключові слова:

Молекулярна динаміка, періоди модуляції, одновісний розтяг, механічні властивості, багатошарові системи Ni/Ti, густина дислокацій

Анотація

Механічний відгук багатошарових систем Ni/Ti визначається взаємодією між деформаційними процесами, опосередкованими міжфазними межами, та структурними перетвореннями в окремих шарах. У цій роботі методом молекулярної динаміки досліджено деформацію розтягом планарних багатошарових систем Ni/Ti з періодами модуляції від 28,6 нм до 9,5 нм за швидкостей деформації від
10⁸ с⁻¹ до 10¹⁰ с⁻¹. Зменшення періоду модуляції знижує міцність при розтязі приблизно на 8% та суттєво змінює характер деформування після досягнення границі плинності, зокрема розподіл дислокаційної активності між шарами Ni і Ti, а також утворення та збереження деформаційно-індукованої ОЦК-фази Ti. Збільшення швидкості деформації має порівняно слабкий вплив на міцність при розтязі, проте систематично затримує структурні перетворення. Виражені дефекти пакування в Ni формуються за деформації ~8% при швидкості 10⁸ с⁻¹, але лише за ~13 % при 10¹⁰ с⁻¹. За найвищої швидкості деформації перетворення ГЩП→ОЦК у Ti також затримується та відбувається більш різко, що призводить до формування дрібніших і більш дисперсно розподілених ОЦК-областей. Загалом результати показують, що період модуляції переважно визначає механізм деформування та розподіл пластичної деформації між окремими шарами, тоді як швидкість деформації переважно контролює початок і кінетику деформаційних процесів.

Посилання

Y. Fu et al., TiNi-based thin films in MEMS applications: a review, Sensors and Actuators A: Physical, 112, 395–408 (2004); https://doi.org/10.1016/j.sna.2004.02.019

T. Lehnert et al., A new fabrication process for Ni–Ti shape memory thin films, Materials Science and Engineering: A, 273, 713–716 (1999); https://doi.org/10.1016/S0921-5093(99)00402-5

H. Cho et al, Fabrication and characterization of Ti–Ni shape memory thin film using Ti/Ni multilayer technique, Science and Technology of Advanced Materials, 6(6), 678–683 (2005); https://doi.org/10.1016/j.stam.2005.05.006

I. Kruhlov et al., Structural phase transitions in Ni/Ag/Ti and Ni/Cu/Ti tri-layered thin films, Vacuum, 233, 11399 (2025); https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2024.113999

M.A. Hollanders et al., Amorphization along interfaces and grain boundaries in polycrystalline multilayers: an X-ray-diffraction study of Ni/Ti multilayers, Physical Review B, 42(9), 5481 (1990); https://doi.org/10.1103/PhysRevB.42.5481

O. Palchekovskyi et al., The effect of Ni/Ti layered stack thickness on the interface amorphization behavior, Physica Scripta, 100, 075994 (2025); https://doi.org/10.1088/1402-4896/adeafb

A. Biswas et al., Early recrystallization of Ni/Ti multilayer due to disorder in the Ni layer, Journal of Applied Physics, 127, 165304 (2020); https://doi.org/10.1063/5.0008177

S. I. Konorev et al., Molecular Dynamics Study Of The Interface Amorphization In Ni/Ti Bi-Layered System, 2024 IEEE 42nd International Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO) (2024); https://doi.org/10.1109/ELNANO63394.2024.10756916

L. Lu et al., Molecular dynamics simulation of effects of interface imperfections and modulation periods on Cu/Ta multilayers, Computational Materials Science, 143, 63–70 (2018); https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2017.10.034

A.-S. Tran, Phase transformation and interface fracture of Cu/Ta multilayers: A molecular dynamics study, Engineering Fracture Mechanics, 239, 107292 (2020); https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2020.107292

T.-N. Vu et al., Interfacial strength and deformation mechanism of Ni/Co multilayers under uniaxial tension using molecular dynamics simulation, Materials Today Communications, 30, 103088 (2022); https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2021.103088

L. Wan et al., BCC stabilization and growth stress behavior in Ti/V multilayers, Thin Solid Films, 616, 555–561 (2016); https://doi.org/10.1016/j.tsf.2016.09.017

Z.Q. Hou et al., Phase transformation-induced strength softening in Ti/Ta nanostructured multilayers: Coherent interface vs phase boundary, Materials Science and Engineering: A, 684, 78–83 (2017); https://doi.org/10.1016/j.msea.2016.12.040

H. Zhang et al., Strain direction dependency of deformation mechanisms in an HCP-Ti crystalline by molecular dynamics simulations, Computational Materials Science, 172, 109328 (2020); https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2019.109328

M.-J. Su et al., Molecular dynamics study of coupled layer thickness and strain rate effect on tensile behaviors of Ti/Ni multilayered nanowires, Chinese Physics B, 30, 096201 (2021); https://doi.org/10.1088/1674-1056/abf10a

P. Hirel, Atomsk: A tool for manipulating and converting atomic data files, Computer Physics Communications, 197, 212-219 (2015); https://doi.org/10.1016/j.cpc.2015.07.012

S. Plimpton, Fast parallel algorithms for short-range molecular dynamics, Journal of computational physics, 117(1), 1-19 (1995); https://doi.org/10.1006/jcph.1995.1039

Y.-K. Kim et al., Development and application of Ni-Ti and Ni-Al-Ti 2NN-MEAM interatomic potentials for Ni-base superalloys, Computational Materials Science, 139, 225-233 (2017); https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2017.08.002

B. Liu et al., Molecular dynamics simulation of the porosity effect on transformation mechanism of nanocrystalline porous NiTi shape memory alloy, Materials Today Communications, 34, 105320 (2023); https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2023.105320

A. Stukowski, Visualization and analysis of atomistic simulation data with OVITO–the Open Visualization Tool, Modelling and simulation in materials science and engineering, 18(1), 015012 (2010); https://doi.org/10.1088/0965-0393/18/1/015012

Y. Zhang et al., Tensile and compressive behavior of TiN/Cu layered composites: A molecular dynamics study, Computational Materials Science, 271, 114817 (2026); https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2026.114817