Simulation of Fracture Dynamics of Two-dimensional Titanium Carbide Ti2C under Different Types of Tensile Loading

Abstract

У роботі представлені результати комп'ютерного моделювання динаміки розтягнення та руйнування двовимірного (2D) карбіду титану Ti2C при різних процедурах навантаження розтягу. Поведінку зразка було досліджено в рамках методів класичної молекулярної динаміки (МД). В експериментах було розглянуто два різні способи навантаження, а саме осьове зміщення та рівномірне розтягування. Перший спосіб завантаження полягає в послідовному зміщенні атомів, що знаходяться у правому краї зразка вздовж осі x, за умови що атоми в лівому краї тримаються нерухомими. Рівномірний розтяг було реалізовано шляхом поступового зміщення лівої та правої частин зразка в протилежних напрямках. Під час моделювання були побудовані атомістичні конфігурації двовимірного зразка Ti2C при різних значеннях деформації для обох методів навантаження. Як випливає з отриманих даних, різні процедури навантаження призводять до різної динаміки руйнування та утворення тріщин у дослідному зразку. Обчислені атомістичні конфігурації показують, що у разі осьового зміщення руйнування починається з утворення тріщин на бічних краях зразка. Тріщини з'являються вздовж шарів нерухомих атомів як на фіксованому краю, так і на краю, що зміщується. В той час як при рівномірному навантаженні двовимірний зразок Ti2C зазнає рівномірного розтягування до критичного значення деформації, коли починає утворюватися тріщина. Криві навантаження для осьового зміщення та рівномірного розтягування були обчислені за допомогою теореми віріалу. Залежності напружень від деформацій, отримані для різних процедур навантаження зразка, перекриваються в області пружної деформації. Обчислені дані також показують, що пластична деформація та наступні руйнування двовимірного зразка Ti2C відбуваються при деформації ε > 0.04 для обох методів навантаження.

Paper presents the results of the in-silico experiments concerning simulation of the tension and failure dynamics of two-dimensional (2D) titanium carbide Ti2C under different types of tensile loading. The behavior of 2D nanosheet was studied within classical molecular dynamics (MD) methods. Two different loading methods, namely axial displacement and uniform tensile strain were considered in experiments. The first loading method consists in a consecutive shift of atoms in the right edge of the sample along the x-axis while atoms in the left edge of the sample are held fixed. The uniform tensile strain was performed by shifting left and right parts of the sample in opposite directions. During the simulations, atomistic configurations of the 2D Ti2C nanosheet at different strain values were built for both loading methods. As it follows from the obtained data, different loading procedures lead to different fracture dynamics and crack formation in the studied sample. As calculated atomistic configurations show, in the case of axial displacement the fracture begins from the formation of cracks at the lateral edges of the sample. Cracks appear along the layers of constrained atoms at both fixed and shifted edges of the nanosheet, while at uniform tensile strain Ti2C sample undergoes uniform stretching up to the critical strain where the crack starts to form. The strain-stress curves for both axial displacement and homogenous strain were calculated through the virial theorem. Strain-stress dependencies obtained for different loading procedures for Ti2C sample overlap in the area of elastic deformation. Calculated data also show that plastic deformation and following destruction of the Ti2C sample occur at strain ε > 0.04 for both methods of loading.