Research description

Department of Experimental Mechanics

Head of Department:

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

Zlec. 326

1. Badania betonów z dodatkiem popiołów z elektrowni cieplnych z zastosowaniem emisji akustycznej.

2. Badanie własności mechanicznych stopów lekkich o homogenicznej strukturze metodą emisji akustycznej (kontynuacja).

Zlec. 330

1. Ultradźwiękowe pomiary naprężeń zmiennych.

2. Budowa aparatury ultradźwiękowej „baza”.

Zlec. 401 Diagnostyka i kształtowanie właściwości kompozytów cementowych.

Zlec. 402 Doświadczalna analiza degradacji właściwości mechanicznej materiałów konstrukcyjnych pod wpływem długotrwałych obciążeń cyklicznych i stałych.

Zlec. 403 Oddziaływanie wiązki laserowej z materiałem.

Project type:Badania statutowe
Period:2011 2011

30.01.2012

GŁÓWNE KIERUNKI BADAŃ W 2011r

• Przeprowadzono badania związane z diagnostyka i kształtowanie właściwości kompozytów cementowych. Aktualny kierunek prac obejmuje metody oceny trwałości kompozytów o matrycach cementowych, poddanych agresji środowiska, a także fizyko-chemiczne podstawy kształtowania właściwości kompozytów. Celem badań jest rozwijanie doświadczalnych metod charakteryzowania właściwości kompozytów i opracowanie zaawansowanych metod kształtowania mikrostruktury matryc z niekonwencjonalnych, aktywnych składników o charakterze hydraulicznym i pucolanowym. Zakres obejmuje stosowanie mikroskopii skaningowej i optycznej w świetle przechodzącym i odbitym, automatycznej analizy obrazów oraz prób mikroindentacji z analizą emisji akustycznej do ilościowej oceny mikrostruktury i wnioskowania o trwałości materiału w konstrukcjach inżynierskich przy wykorzystaniu miękkich metod obliczeniowych. Zaprojektowano kompozyty o matrycach modyfikowanych popiołem lotnym wapiennym, zastępującym część cementu o zróżnicowanej zawartości C3A (do 40% masy). Przeprowadzono badania doświadczalne przepuszczalności i odporności kompozytów na działanie środowisk agresywnych: wymuszona migracja jonów chlorku, przepuszczalność powietrza metodą Torrenta oraz odporność na cykliczne działanie temperatury od–20 do +20 ºC wraz z oddziaływaniem soli odladzających. Charakterystykę mikromechaniczną matrycy uzyskano na podstawie prób mikroindentacji wielokrotnej z pomiarem emisji akustycznej, wspomagającym rozpoznanie składników kompozytu. Uzyskano oryginalne zależności współczynnika migracji jonów chlorku oraz współczynnika przenikalności powietrza przez beton w funkcji zawartości, uziarnienia i składu fazowego popiołów lotnych wapiennych. Na podstawie przeprowadzonych badań utworzono bazy danych oraz wykorzystano dwa algorytmy uczenia maszynowego: algorytm AQ21 i algorytm J48 z pakietu WEKA w celu generowania reguł określających odporność kompozytów cementowych na agresywne oddziaływanie chlorków oraz zmian temperatury.
• Rozwinięto metodę badania mikrostruktury kompozytów cementowych w mikroskopie optycznym na podstawie cyfrowej analizy zgładów mikroskopowych i cienkich płytek o grubości 30 m. Analiza prowadzona w świetle odbitym i przechodzącym pozwala na określenie zawartości, wymiarów i kształtu oraz rozmieszczenia wybranych składników kompozytu względem siebie oraz względem kierunków działania mediów agresywnych. Przeprowadzono serie badań próbek kompozytów, zarówno zaczynów cementowych jak też betonów z kruszywem granodiorytowym i wapiennym. Na preparatach wyseparowanych z kompozytów określono ilościowy skład fazowy matrycy na podstawie termicznej analizy różnicowej oraz analizy rentgenowskiej. Uzyskano oryginalne zależności wytrzymałości modyfikowanego zaczynu cementowego od zawartości wody w produktach hydratacji i hydrolizy, od zawartości portlandytu i ettringitu. Uzyskano też zależności odporności kompozytów na zniszczenie mrozowe od wskaźnika rozmieszczenia porów oraz powierzchni właściwej systemu porów. Podjęto próby wykorzystania mikroskopowych obrazów mikrostruktury kompozytu do identyfikacji parametrów modelu symulacji procesów hydratacji i twardnienia spoiwa cementowego CEMHYD3, opracowanego w NIST w USA.
• Przeprowadzono szerokie badania doświadczalne rozwoju uszkodzeń struktury materiałów prowadzących do degradacji właściwości mechanicznych materiałów 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. Wyniki badań przy obciążeniach cyklicznych wskazały na 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). Mechanizm ten obserwujemy nie tylko w badanych stalach, ale również w kompozytach, w których wady początkowe są w postaci pustek. 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 materiałów, 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 korelacji 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. Dokumentacja opracowanych procedur w odniesieniu do pełzania zawiera wykresy ilustrujące korelację parametrów wytrzymałościowych z prób niszczących z wybranymi parametrami metod nieniszczących. Takie wykresy umożliwiają pewniejsze oszacowania zakresu bezpiecznej eksploatacji materiałów przeznaczonych na rurociągi elektrowni na podstawie pomiarów dokonywanych metodami nieniszczącymi. Wyniki wskazują także, że techniki magnetyczne są bardzo czułe na rozwój procesu degradacji w zakresie małych wartości odkształcenia (do 2%), natomiast stosunkowo słabo pokazują stan uszkodzenia powyżej tej wartości. Z kolei techniki ultradźwiękowe dają zupełnie odwrotne oszacowania: bardzo słabą czułość w zakresie małych deformacji, dobrą zaś przy deformacjach powyżej 2%. Wynika stąd wniosek, aby stosować je łącznie: w pierwszym okresie eksploatacji – badania magnetyczne; w drugim natomiast - ultradźwiękowe.
• Zmodernizowano stanowiska do prowadzenia badań w warunkach obciążeń dynamicznych w celu przygotowania ich do badań zmian wrażliwości materiałów konstrukcyjnych na prędkość odkształcenia po degradacji wywoływanej zmęczeniem. W trakcie tych prac zrealizowano badania przy obciążeniach dynamicznych dla tantalu i wybranych stopów stosowanych na konstrukcje osłon balistycznych. Prowadzono także intensywne badania zachowania stopu NiTi z pamięcią kształtu w złożonych stanach naprężenia.
• Prowadzono prace nad oddziaływanie wiązki laserowej z materiałem. Prowadzone badania dotyczyły wykorzystania zjawiska ablacji laserowej do osadzania cienkich warstw impulsem laserowym i syntezą nanostruktur węglowych przy użyciu nanosekundowego lasera Nd:YAG. Opracowano model teoretyczny ablacji, który wyznacza zależne od czasu pole temperatury tarczy w trakcie oddziaływania z nanosekundowym impulsem laserowym, wylicza strumień cząstek odparowanych z tarczy, ich ekspansję do próżni i oddziaływanie odparowanego obłoku cząstek z impulsem laserowym. Wyniki teoretyczne były uzupełniane wynikami eksperymentalnymi, które dostarczały informacji o energii kinetycznej i temperaturze ekspandujących cząstek. Stwierdzono dobrą zgodność między wynikami teoretycznymi i eksperymentalnymi, co pozwoliło na pozytywną weryfikację modelu teoretycznego. Prowadzono badania nad wyjaśnieniem zjawiska wzrostu efektywności procesu przetapiania laserowego powierzchni stali w obecności ruchu oscylacyjnego. Analizowano przyczyny zmian wielkości strefy przetopienia w różnych warunkach przetapiania. Przeprowadzono analizę literatury dotyczącej tematu przetapiania metali i stopów skoncentrowanym źródłem energii. Stwierdzono, że obecny stan wiedzy nie pozwala w jednoznaczny sposób wyjaśnić przyczyn tego zjawiska.
• Przeprowadzono badania doświadczalne na laserze CO2 przetapiania powierzchni stali oraz obliczenia numeryczne pola rozkładu temperatur. W badaniach analizowano wpływ czasu oddziaływania wiązki promieniowania laserowego z materiałem, częstości oscylacji na procesy zachodzące w ciekłym metalu. Na podstawie badań doświadczalnych oraz obliczeń teoretycznych stwierdzono, że wzrost efektywności procesu przetapiania może tłumaczyć obecność śladowych ilości tlenu w strefie przetopienia. Korzystne oddziaływanie tlenu na termokapilarny przepływ ciekłego metalu zachodzi w wąskim zakresie temperatur. Może zostać on osiągnięty przy odpowiedniej prędkości posuwu i zastosowaniu ruchu oscylacyjnego w kierunku prostopadłym do posuwu. Stwierdzono, że w przypadku ruchu oscylacyjnego proces rozpadu tlenków i ponownego ich tworzenia ma miejsce kilkukrotnie w ciągu jednej, pełnej oscylacji. Powoduje to, że ilość tlenu w ciekłym metalu jest większa niż dla przetapiania liniowego co sprzyja wzrostowi efektywności procesu przetapiania.
• Prowadzono badania nad ultradźwiękowymi metodami pomiaru naprężeń zmiennych materiału. Wyznaczono kątowe rozkłady wartości współczynników elastoakustycznych w stali. Porównano wyniki obliczone w oparciu o zmodyfikowany model propagacji fal w jednorodnym, odkształconym ośrodku z wynikami pomiarów przeprowadzonych na prętach poddanych jednoosiowemu stanowi naprężenia (rozciąganie i ściskanie). Wykonano „rozetkę ultradźwiękową” na fale powierzchniowe do badania zmian naprężeń w płaskim stanie naprężenia. Wykonano badania zmian czasu przejścia fal na próbce poddawanej zmęczeniu, rejestrując w czasie rzeczywistym zmiany czasu przejścia fal podłużnych i poprzecznych. Rozpoczęto pomiary mające na celu wyznaczenie w sposób nieniszczący modułów sprężystości w stopach NiTi podczas przemiany strukturalnej. Wykonano pierwsze pomiary w czasie chłodzenia i nagrzewania próbek z NiTi w temperaturach +90 do -90oC.
• Prowadzono badania własności betonów z dodatkiem popiołów z elektrowni cieplnych z zastosowaniem emisji akustycznej. Zbadano korelację parametrów mikrostruktury trzech serii napowietrzonych mieszanek betonowych, takich jak: porowatość całkowita, współczynnik rozmieszczenia porów powietrznych, odporność na powierzchniowe łuszczenie z parametrami uzyskiwanymi w procedurze indentacji wielokrotnej. Metoda ta jest od dwóch lat rozwijana w IPPT. Umożliwia ona określenie mikrotwardości w obszarze matrycy i obszarze kruszywa badanej próbki betonu. Przy jej zastosowaniu możliwe jest również wyznaczenie powierzchniowego udziału obszarów o niskiej zwartości (LD), to jest obszarów o wysokiej porowatości. Te parametry uzyskiwane z badania metodą indentacji wielokrotnej można zastosować do oceny trwałości betonów badając np. próbki rdzeniowe, uzyskane z odwiertów. Uzyskane wyniki badań wskazują na obniżenie odporności na środowiskowe czynniki agresywne w kompozycjach o podwyższonym współczynniku LD.
• Zbadano własności mechanicznych stopów lekkich o homogenicznej strukturze metodą emisji akustycznej dla stopów lekkiech o składzie Mg9Li, Mg9Li5Al oraz Mg12Li, wzmocnionych dwoma rodzajami włókien węglowych: wykonanych metodą tradycyjną oraz o podwyższonym stopniu karbonatyzacji. Badania prowadzone wspólnie z zespołem z Instytutu Metalurgii i Inżynierii Materiałowej PAN polegały na porównaniu parametrów sygnału emisji akustycznej próbek poddanych nieswobodnemu ściskaniu w specjalnie zaprojektowanym uchwycie. Kompozycje zbrojone włóknem węglowym wykonanym metodą tradycyjną wykazywały w trakcie badań wyższe zakresy odkształceń niż próbki z silnie skarbonatyzowanymi włóknami węglowymi o dwukrotnie wyższej wartości modułu Younga - w porównaniu z włóknami pierwszego rodzaju. W trakcie pękania włókien wykonanych metodą tradycyjną zarejestrowano wysoki poziom sygnału emisji akustycznej, gdy materiał był obciążony naprężeniem bliskim granicy plastyczności. Sygnał emisji akustycznej był tym bardziej intensywny im niższa była adhezja włókien fazy rozproszonej do metalicznej matrycy. Przełomy badanych próbek poddano badaniom metalograficznym. Zaobserwowano również wpływ dodatku aluminium na wzrost wytrzymałości na ściskanie, ale przy znaczącej utracie własności plastycznych.
• Przeprowadzono badania struktur materiałów ceramicznych wyznaczając parametry strukturalne, parametry mechaniczne i akustyczne oraz rozpoznanie i udokumentowanie procesów degradacji w nietypowym tworzywie porcelanowym. Materiał ten - zmodyfikowana i wzmocniona porcelana elektrotechniczna rodzaju C 120 produkcji krajowej wykorzystywana jest do produkcji elementów elektroizolacyjnych, w tym izolatorów sieciowych linii SN (gł. 15 kV). Rozpoznano efekty jakie zachodzić mogą w wyniku procesów starzeniowych podczas wieloletniej eksploatacji obiektów wykonanych z tworzywa tego typu. Udokumentowano jakie cechy struktury materiału sprzyjają podwyższeniu trwałości i niezawodności , a które wpływają negatywnie i jak można poprawić budowę strukturalną badanej porcelany. Na podstawie wyników badań i danych literaturowych oszacowano trwałość eksploatacyjną izolatorów liniowych wykonanych z badanego tworzywa wysokoglinowego na 40 lat.