Research description

Department of Experimental Mechanics

Head of Department:

Prof. Zbigniew Kowalewski, Ph.D., Dr. Habil., Eng.
Subjects:

Zlec. 401 Diagnostyka i kształtowanie właściwości kompozytów cementowych.

Zlec. 402

1. Doświadczalna ocena stopnia wyeksploatowania materiałów stosowanych w energetyce pod wpływem obciążeń wywołujących zmęczenie i pełzanie.

2. Doświadczalna i numeryczna ocena wrażliwości charaktertystyk materiałów konstrukcyjnych na prędkość odkształcenia w quasi-statycznym i dynamicznym zakresie obciążenia.

3. Doświadczalna analiza właściwości termomechanicznych wybranych materiałów funkcjonalnych.

Zlec. 403 Oddziaływanie wiązki laserowej z materiałem.

Zlec. 404

1. Ultradźwiękowe badania naprężeń.

2. Badania wybranych materiałów konstrukcyjnych metodami akustycznymi.

3. Badanie własności mechanicznych stopów lekkich o homogenicznej strukturze metodą emisji akustycznej.

4. Budowa aparatury ultradźwiękowej "BAZA".

Project type:Badania statutowe
Period:2012 2012

ZLECENIE NR 401 Diagnostyka i kształtowanie właściwości kompozytów cementowych.

  1. CEL BADAŃ:

    Celem badań jest rozwijanie doświadczalnych metod charakteryzowania właściwości kompozytów o matrycy cementowej i opracowanie zaawansowanych metod kształtowania mikrostruktury matryc zawierających niekonwencjonalne, aktywne składniki odpadowe o charakterze hydraulicznym i pucolanowym.

  2. OPIS REALIZOWANYCH PRAC:

    Zaprojektowano nowe materiały kompozytowe o matrycy cementowej modyfikowanej składnikami mineralnymi, aktywnymi w układzie z wodą.  Zastosowano selekcjonowany i przetwarzany popiół lotny wapienny jako składnik główny spoiw wieloskładnikowych oraz jako dodatek do mieszanki zawierającej inkluzje ziarniste. Przeprowadzono badania próbek materiałów poddanych agresywnym oddziaływaniom środowiskowym, przeprowadzono ilościową analizę składu fazowego i mikrostruktury metodami mikroskopii skaningowej i optycznej w świetle przechodzącym i odbitym, automatycznej analizy obrazów oraz prób mikroindentacji z analizą emisji akustycznej. Zbadano i przeanalizowano zdolność do samozarastania spękań w zginanych elementach kompozytowych.

  3. OPIS NAJWAŻNIEJSZYCH OSIĄGNIĘĆ:

    Opracowano metodę wyznaczania szybkości karbonatyzacji w warunkach przyśpieszonych. Doświadczalnie wykazano efektywność selekcjonowania ziarnowego i rozdrabniania popiołu lotnego wapiennego jako składnika spoiw o zredukowanym śladzie węglowym, spełniając warunek wysokiej odporności w środowisku agresji CO2 oraz agresywnych jonów chlorkowych i naprzemiennych zmian temperatury. Jest to nowe stwierdzenie odnośnie do wcześniej znanego negatywnego wpływu ubocznych produktów spalania węgla na trwałość kompozytów. Wykorzystano hiperboliczny model zjawiska karbonatyzacji kompozytów o matrycy cementowej, zakładający ograniczenie procesu wnikania CO2 w czasie i wyznaczono niezbędną grubość warstwy ochronnej zbrojenia stalowego.  Na podstawie ilościowych obserwacji mikroskopowych cienkich szlifów w świetle przechodzącym wyznaczono granice karbonatyzacji, a lokalne właściwości mechaniczne strefy skarbonatyzowanej określono metoda mikroindentacji.  Stwierdzono wzmocnienie efektów samozarastania mikrorys przy zastosowaniu popiołu lotnego wapiennego, zwłaszcza przy selekcji ziarnowej korzystnie wpływającej na skład chemiczny i właściwości fizyczne popiołu. Przy wykorzystaniu metod uczenia maszyn opracowano reguły określające trwałość w warunkach agresji chlorkowej lub oddziaływania cyklicznie zmiennej temperatury. Uzyskano nowe zależności współczynnika przepuszczalności powietrza od lokalnej charakterystyki matrycy wyznaczonej metodą mikroindentacji. Przy wykorzystaniu zbudowanej aparatury do określania rozkładu temperatury w twardniejącym betonie przeanalizowano wpływ aktywnych składników mineralnych na redukcję gradientu temperatury i opóźnienie wydzielania ciepła hydratacji.

  4. WYKORZYSTANIE UZYSKANYCH WYNIKÓW:

    Uzyskane wyniki badań pozwolą na stosowanie dotąd niewykorzystywanych, niekonwencjonalnych, aktywnych składników odpadowych w technologii materiałów budowlanych a także wpłyną za zredukowanie ilości CO2 pochodzącego ze spalania węgla brunatnego w energetyce.

    Zdolność do samozarastania rys,  może być  wykorzystywana w praktyce zwiększając trwałość kompozytów o matrycy cementowej. Samozarastanie rys w zginanych elementach żelbetowych może spowodować zmniejszenie przepuszczalności ich warstw zewnętrznych, które zapewniają otulenie stalowego zbrojenia, chroniące przed korozyjnymi oddziaływaniami zewnętrznymi.

ZLECENIE NR 402

1. Doświadczalna ocena stopnia wyeksploatowania materiałów stosowanych w energetyce pod wpływem obciążeń wywołujących zmęczenie i pełzanie.

2. Doświadczalna i numeryczna ocena wrażliwości charakterystyk materiałów konstrukcyjnych na prędkość odkształcenia w  quasi-statycznym i dynamicznym zakresie obciążenia.

3. Doświadczalna analiza właściwości termomechanicznych wybranych materiałów funkcjonalnych.

  1. CEL BADAŃ:

    Ad. 1.    Określenie wskaźników degradacji i ocena ich zmian dla wybranych programów obciążenia.
    Ad.2.    Określenie charakterystyk wybranych materiałów konstrukcyjnych przy ściskających obciążeniach o charakterze quasi-statycznym i dynamicznym celem zbadania ich przydatności w przemyśle motoryzacyjnym i militarnym.
    Ad.3.    Określenie doświadczalnych sprzężeń termo-mechanicznych w procesie deformacji stopu z pamięcią kształtu w szerokim zakresie prędkości deformacji.

  2. OPIS REALIZOWANYCH PRAC:

    Ad. 1.Przeprowadzono badania rozwoju uszkodzeń struktury stali energetycznych, które prowadzą do degradacji ich właściwości mechanicznych i konstrukcji pod wpływem obciążeń cyklicznych w zakresie zmęczenia, jak i stałych obciążeń działających w podwyższonej temperaturze wywołujących pełzanie. Badania wykonano dla stali stosowanych w energetyce (P91, 13HMF). Badania mechaniczne prowadzono w warunkach jednoosiowego stanu naprężenia na próbkach płaskich, ale również w złożonych stanach naprężenia na cienkościennych próbkach rurkowych poddanych różnej kombinacji siły osiowej i momentu skręcającego.
    Duży nacisk położono również na określenie wzajemnych związków występujących między parametrami z badań mechanicznych a parametrami z badań nieniszczących, prowadzonych we współpracy z wyspecjalizowanymi jednostkami naukowymi w zakresie technik ultradźwiękowych i  magnetycznych, przy ocenie stopnia degradacji materiałów poddawanych procesowi pełzania.
    Ad. 2. W ramach zadania przeprowadzono kompleksowe badania ściskania materiałów (stale wysokoazotowe) stosowanych w urządzeniach specjalnych i elementach wykorzystywanych w przemyśle motoryzacyjnym w szerokim zakresie prędkości odkształcenia. Wyniki doświadczalne wykorzystano do weryfikacji wybranych modeli konstytutywnych (Johnson-Cook,  Klepaczko-Rusinek, Zarelli-Armstrong) opisujących zachowanie się materiałów w warunkach obciążeń dynamicznych.
    Ad. 3. Przeprowadzono badania doświadczalne dla wyznaczenia właściwości termomechanicznych materiału z pamięcią kształtu w warunkach różnych programów obciążeń.

  3. OPIS NAJWAŻNIEJSZYCH OSIĄGNIĘĆ:

    Ad. 1. Opracowano charakterystyki zmęczeniowe w postaci wykresów Wohlera dla stali w stanie dostawy oraz po eksploatacji. Pokazano, że badania tego typu identyfikują stopień wyeksploatowania materiałów, chociaż badania takie są  czasochłonne i drogie. Zaproponowano alternatywne sposoby oceny uszkodzenia rozwijającego się pod wpływem zmęczenia. Wyniki badań przy obciążeniach cyklicznych potwierdziły wcześniej obserwowaną możliwość opisania ewolucji zmęczenia przy pomocy dwóch makroskopowych wskaźników rozwoju procesu. Pierwszy z tych wskaźników to średnie odkształcenie w kolejnych cyklach obciążenia realizowanych przy stałej amplitudzie naprężenia. Wskaźnik ten jest dobrą miarą rozwoju uszkodzeń dla materiałów, w których dominującym efektem rozwoju zmęczenia jest przyrostowe narastanie w kolejnych cyklach średniego odkształcenia w cyklu (ratcheting). Drugim wskaźnikiem rozwoju zmęczenia są odkształcenia niesprężyste w cyklu obrazujące szerokość pętli histerezy w kolejnych cyklach obciążenia realizowanych przy stałej amplitudzie naprężenia. Wskaźnik ten okazał się dobrą miarą rozwoju uszkodzeń dla tych przypadków, w których dominującym efektem rozwoju uszkodzeń jest cykliczna plastyczność a więc stopniowe powiększanie się szerokości pętli histerezy w kolejnych cyklach. Istotnym elementem prowadzonych prac było również określenie wzajemnych związków występujących między parametrami z badań mechanicznych a parametrami z badań nieniszczących, prowadzonych we współpracy z wyspecjalizowanymi jednostkami naukowymi w zakresie technik ultradźwiękowych i  magnetycznych, przy ocenie stopnia degradacji materiałów poddawanych procesowi pełzania.
    Wykazane istnienie takich relacji daje nowe narzędzie oszacowania zakresu bezpiecznej eksploatacji materiałów przeznaczonych na rurociągi elektrowni na podstawie pomiarów dokonywanych metodami nieniszczącymi.

    Ad. 2. Porównano charakterystyki naprężenie-odkształcenie obliczone na podstawie wybranych równań konstytutywnych z krzywymi otrzymanymi na podstawie badań eksperymentalnych. Modele zostały wykalibrowane z wykorzystaniem danych uzyskanych dla szerokiego zakresu prędkości deformacji. Badania właściwości mechanicznych zostały przeprowadzone z wykorzystaniem maszyny wytrzymałościowej oraz pręta Hopkinsona w warunkach obciążeń ściskających. Realizacja badań ściskania w zakresie quasi-statycznym zaowocowała nowym pomysłem prowadzenia tych testów, zapewniającym eliminację zjawiska wyboczenia podczas ściskania cienkich blach. Było to przedmiotem zgłoszenia patentowego. Modelem najlepiej opisującym wyniki doświadczalne było równanie zaproponowane przez Rusinka i Klepaczko.

    Ad. 3. Cennym wynikiem jest otrzymanie całego spectrum charakterystyk mechanicznych oraz odpowiadających im zmian temperatury dla różnych rodzajów obciążeń mechanicznych (rozciągania, ściskania, prostego ścinania, obciążeń cyklicznych). Otrzymane dane mogą być wykorzystane do modelowania procesu rozwoju przemiany w różnych warunkach eksploatacji stopów z pamięcią kształtu.
    Dokładnie opracowane charakterystyki zmian naprężenia oraz temperatury próbek w procesie odkształcania stopu TiNi z pamięcią kształtu umożliwiają wyznaczenie początku i końca przemiany, istotne dla badań termodynamiki przemiany.
    Oryginalnym rezultatem jest m.in. potwierdzenie w podczerwieni wieloetapowości, wielowymiarowości i zastanawiającej regularności rozwoju pasm nowej fazy, dokumentowanej w badaniach krystalograficznych. Ważnym faktem było zarejestrowanie przy pomocy szybkiej i czułej kamery badań w podczerwieni nowej generacji cienkich pasm, rozwijających się w regularnych odstępach prostopadle do kierunku poprzednio utworzonych grubszych pasm. Efekty te zaobserwowano na pewnym etapie rozciągania próbki TiNi z pamięcią kształtu, zarówno podczas obciążania dla przemiany martenzytycznej wprost, jak również podczas odciążania dla przemiany odwrotnej.
    Istotne było również zaobserwowanie, że w przypadku rozciągania, niezależnie od miejsca inicjacji przemiany martenzytycznej wprost, zlokalizowana przemiana odwrotna inicjuje się zawsze w centralnej części próbki.
    Zarejestrowane dokładnie spadki temperatury próbek po odciążeniu mogą umożliwić dodatkowe aplikacje stopów z pamięcią kształtu jako elementów chłodzących. Zarejestrowanie tych efektów jest istotnym rezultatem i spotyka się z dużym zainteresowaniem na konferencjach krajowych i międzynarodowych.

  4. WYKORZYSTANIE UZYSKANYCH WYNIKÓW:

    Wyniki otrzymane w ramach pierwszego podpunktu zadania 402 dają możliwość opracowania nowej metody oceny uszkodzenia zmęczeniowego i stąd uzasadnione wydaje się zintensyfikowanie prac w tym kierunku.
    Opracowany oraz zgłoszony do Urzędu Patentowego przyrząd do prowadzenia badań w warunkach dużych deformacji uzyskiwanych przy ściskaniu blach może stanowić źródło korzyści finansowych dla Instytutu. Szereg instytucji w kraju i za granicą wykazało już zainteresowanie tym rozwiązaniem.
    Zgromadzone wyniki z prac badawczych w ramach realizacji wszystkich podpunktów tego zadania stanowi bazę do powstania szeregu publikacji.

ZLECENIE NR 403 Oddziaływanie wiązki laserowej z materiałem.

  1. CEL BADAŃ:

    Rozbudowa modelu teoretycznego procesu ablacji grafitu i jego weryfikacja doświadczalna.
    Opracowanie procesu syntezy nanorurek węglowych.

  2. OPIS REALIZOWANYCH PRAC:

    Prowadzono badania teoretyczne i eksperymentalne procesu ablacji grafitu. Został uruchomiony reaktor do syntezy nanorurek węglowych. Przeprowadzono badania odporności na zużycie ścierne warstwy wierzchniej po laserowym stopowaniu stali kwasoodpornej oraz obróbce hybrydowej – laserowym stopowaniu z jednoczesnym nagniataniem dynamicznym.

  3. OPIS NAJWAŻNIEJSZYCH OSIĄGNIĘĆ:

    Wyniki badań procesu ablacji grafitu pokazały dobrą zgodność wyników modelu gazodynamicznego z wynikami eksperymentalnymi. Pokazano także, że obserwowane w eksperymencie nadspodziewanie duże (w porównaniu z dotychczasowymi modelami) prędkości obłoku wynoszące 6×104 m·s-1 można uzyskać z prawidłowo sformułowanego modelu gazodynamicznego i, że są one skutkiem wysokiego gradientu ciśnienia w warstwie plazmowej przy tarczy, który powstaje wskutek nagrzewania odparowanych cząstek przez wiązkę laserową. Oznacza to, że przy niskich natężeniach wiązki laserowej rzędu 109 W·cm-2 mechanizm przyspieszania obłoku jest gazodynamiczny a nie elektrostatyczny. Wyznaczono rozkłady gęstości jonów i elektronów w pobliżu tarczy grafitowej i ich temperatury i stwierdzono ich dobrą zgodność z wynikami eksperymentalnymi. Pokazano, że obecność na froncie obłoku jonów o wyższym ładunku przed jonami o mniejszym ładunku  jest wynikiem rozkładu temperatury w obłoku a nie pola elektrycznego. Została również obliczona temperatura tarczy grafitowej w trakcie ablacji - maksymalna temperatura osiąga ok. 8000 K, oraz pochłanianie promieniowania laserowego przez obłok i związaną z tym zmianę temperatury tarczy i w konsekwencji wydajności ablacji. Obliczenia obłoku w dalszej fazie ekspansji gdy rozrzedzenie w obłoku jest duże zostało przeprowadzone przy użyciu metody Monte Carlo. W przypadku ekspansji do gazu otaczającego, którym był azot uwzględniono reakcje dysocjacji. W tym wypadku stwierdzono istnienie dwóch fal uderzeniowych; zewnętrznej w azocie i wewnętrznej w parze węgla.
    Wykazano, że opracowana metoda obróbki hybrydowej zapewnia lepszą odporność na zużycie ścierne w warunkach tarcia suchego w stosunku do stopowania laserowego.
    Została napisana i opublikowana monografia:„Laserowa modyfikacja właściwości warstwy wierzchniej wspomagana nagniataniem”przedstawiająca wyniki badań teoretycznych oraz eksperymentalnych nad nową hybrydową obróbką metali i stopów, polegającą na laserowej modyfikacji warstwy wierzchniej połączonej z nagniataniem. Idea obróbki hybrydowej oparta jest na laserowym ulepszaniu warstwy wierzchniej i wygładzaniu jej powierzchni poprzez plastyczne odkształcanie w wysokiej temperaturzeoraz redukcji rozciągających naprężeń w warstwie wierzchniej poprzez obróbkę plastyczną w niskiej temperaturze.

  4. WYKORZYSTANIE UZYSKANYCH WYNIKÓW:

    Utworzenie bazy danych do przyszłych publikacji.

ZLECENIE NR 404 Badania  betonów z dodatkiem popiołów z elektrowni cieplnych  z  zastosowaniem emisji akustycznej.

1. Ultradźwiękowe badania naprężeń.

2. Badania wybranych materiałów konstrukcyjnych metodami akustycznymi.

3. Badanie własności mechanicznych stopów lekkich o homogenicznej strukturze metodą emisji akustycznej.

4. Budowa aparatury ultradźwiękowej "BAZA".

  1. CEL BADAŃ:

    Określenie optymalnego składu mieszanki , osiągnięcie minimalnej gazo-przepuszczalności i wysokiej odporności na agresje środowiska.

  2. OPIS REALIZOWANYCH PRAC:

    W ramach prac planowych badano własności betonów z dodatkami popiołów wysokowapiennych wykorzystując oryginalne stanowisko badawcze umożliwiające prowadzenie wielokrotnej mikroindentacji prostopadłościennych próbek betonu, poddanych uprzednio polerowaniu do uzyskania nierównomierności powierzchni poniżej 20 mikrometrów.

  3. OPIS NAJWAŻNIEJSZYCH OSIĄGNIĘĆ:

    Przy współpracy z zespołem z Pracowni Pól Odkształceń zostało zbudowane urządzenie do trzydobowego pomiaru ciepła twardnienia betonów. Urządzenia stosowane dotychczas umożliwiały badanie ciepła twardnienia próbek cementu o niewielkiej objętości ze względu na stosowane rozwiązania komory do umieszczania próbek. Nowe rozwiązanie, opracowane w IPPT, zawiera unikalną wymienną komorę wykonaną z kilku warstw pianki polipropylenowej o zamkniętych porach, w której umieszczone są cztery półprzewodnikowe czujniki temperatury. Zmiany temperatury badanych mieszanek są rejestrowane 10 razy na minutę przez specjalnie zaprojektowany moduł z zapisem na trwałym nośniku półprzewodnikowym (karta SD). Opracowano procedurę pomiarową do wyznaczania trzydobowego ciepła twardnienia badanej mieszanki. Opisany parametr może być wykorzystywany przez projektantów dużych masywów betonowych do oceny powstających w tych obiektach naprężeń w trakcie twardnienia betonu. Po wykonaniu serii pomiarów testowych urządzenie zostało 27.04.2012 r. zastrzeżone w polskim Urzędzie Patentowym pod numerem P-399026.

  4. WYKORZYSTANIE UZYSKANYCH WYNIKÓW:

    Utworzenie bazy danych do optymalnego prowadzenia przyszłych modyfikacji składu mieszanek betonowych.