Research description

Department of Mechanics of Materials

Head of Department:

Prof. Henryk Petryk, Ph.D., Dr. Habil., Eng.
Subjects:

Zlec. 126 Termomechanika materiałów wielofunkcyjnych

Zlec. 127 Termografia poczerwieni w badaniach deformacji materiałów i w defektoskopii

Zlec. 128 Badanie zmian własności mechanicznych oraz mikrogeometrii powierzchni warstwy wierzchniej w procesach kształtowania i eksploatacji

Zlec. 131 Modelowanie mikromechaniczne i analiza numeryczna deformacji niesprężystych i ewolucji mikrostruktur w stopach z pamięcią kształtu, metalach odkształcalnych plastycznie oraz warstwach kontaktowych i międzyfazowych

Zlec. 132 Modelowanie i wytwarzanie kompozytów ceramiczno-metalowych

Project type:Badania statutowe
Period:2011 2011

30.01.2012

GŁÓWNE KIERUNKI BADAŃ W 2011r

• Prowadzono badania doświadczalne, statyczne i dynamiczne oraz modelowanie materiałów wielofunkcyjnych, TiNi, TiAl, miedź typu OFHC. Przeprowadzono badania strukturalne oraz badania właściwości mechanicznych i zmian temperatury dla różnych konfiguracji obciążania i odkształcania TiNi, polimerów i kompozytów z pamięcią kształtu. Przeprowadzone metodą DSC badania próbek stopu z pamięcią kształtu pozwoliły wyznaczyć charakterystyczne temperatury przemiany martenzytycznej wprost i odwrotnej, które w niektórych rozpatrywanych przypadkach nie wykluczały możliwości zaistnienia fazy R. Najnowszym osiągnięciem jest opracowanie własnej metodyki oprzyrządowania próby kanalikowej. Przeprowadzono identyfikację i weryfikację wieloskalowych modeli plastyczności i lepko plastyczności w/w materiałów. Kontynuowano quasi-statyczne i dynamiczne próby ściskania i rozciągania oraz ścinania z zastosowaniem maszyny INSTRON oraz pręta Hopkinsona. Nowe wyniki uzyskano w badaniach z zastosowaniem próbek cylindrycznych oraz prostopadłościennych z dwustronnym nacięciem definiującym strefę ścinania. Otrzymane zależności siła - przemieszczenie były podstawą do symulacji numerycznych procesu deformacji próbki w strefie ścinania za pomocą metody elementów skończonych ABAQUS z opracowanymi własnymi podprogramami UMAT. Z obliczeń numerycznych i rozwiązania zadania odwrotnego otrzymano poszukiwaną charakterystykę materiału w postaci zależności naprężenie styczne - odkształcenie postaciowe. Badania te pozwalają uzupełnić informacje dotyczące granicy plastyczności dla materiałów wykazujących asymetrię zakresu sprężystego.
• Wyznaczono powierzchniowe rozkłady zdolności magazynowania energii podczas deformacji plastycznej. W miarę wzrostu odkształcenia następuje jego lokalizacja, powstaje więc potrzeba wyznaczenia powierzchniowego rozkładu zdolności magazynowania energii. Zaproponowano metodę wyznaczenia tego rozkładu na podstawie rejestrowanych podczas deformacji pól przemieszczeń i temperatury. Otrzymane wyniki zdają się potwierdzać hipotezę, że tuż przed zniszczeniem deformowany materiał traci zdolność do magazynowania energii. Wynik ten może być wykorzystany do sformułowania energetycznego kryterium utraty stabilności deformacji plastycznej.
• Prowadzono prace nad określaniem parametrów defektów w powierzchniowej warstwie materiałów metodą termografii impulsowej. Określenie nieznanych wielkości i głębokości defektów napotyka na trudności ze względu na ich sprzężony wpływ na rozkład temperatury na badanej powierzchni. Zaproponowano metodę wyznaczania wielkości defektu, wykorzystując zależność powierzchniowego rozkładu pochodnej temperatury od czasu stygnięcia. Przeprowadzone badania wykazały, że odległość defektu od powierzchni można wówczas oszacować na podstawie zależności kontrastu temperaturowego od czasu jej stygnięcia. Dodatkowo zaproponowano sposób określania zakresu stosowalności metody, wykorzystując rozwiązanie równania przewodzenia ciepła dla półprzestrzeni.
• Opracowano modele mikromechaniczne metalicznych materiałów polikrystalicznych i stopów o wysokiej wytrzymałości właściwej. Celem badań było opracowanie i przedstawienie różnych aspektów mikromechanicznej analizy sprężysto-(lepko)plastycznych polikryształów takich materiałów, a mianowicie: modelowania konstytutywnego metali deformujących się przez poślizg i bliźniakowanie wraz z jego zastosowaniem do wyznaczania ewolucji tekstury, teoretycznej analizy różnych oszacowań właściwości makroskopowych polikryształów o niskiej symetrii sieci, modelowania materiałów o substrukturze lamelarnej, jak również opracowanie schematów przejścia mikro-makro dla niejednorodnych materiałów sprężysto-lepkoplastycznych. W szczególności, dla materiałów polikrystycznych o substrukturze lamelarnej przeanalizowano wpływ efektów związanych z utrudnieniem deformacji plastycznych w ramach poszczególnych warstw na anizotropię metaziarna oraz makroskopową odpowiedź materiału. Pokazano, jak uwzględnienie w modelu mikromechanicznym dodatkowego poziomu mikrostruktury zmienia otrzymywane własności makroskopowe w stosunku do modelu dwu-skalowego.
• Przedstawiono ogólne sformułowanie zagadnień kontaktowych z tarciem w postaci, która umożliwia automatyczną generację procedur metody elementów skończnych z wykorzystaniem narzędzi automatycznego różniczkowania. Bazując na jednolitym opisie szeregu zaawansowanych sformułowań kontaktowych przeprowadzono obszerne studium efektywności numerycznej i dokładności różnych sformułowań kontaktowych. Opracowano teoretyczne zasady funkcjonowania czujnika piezoelektrycznego służącego do pomiaru mechanicznych własności tkanek skóry, który może być wykorzystany dla celów diagnostyki komórek nowotworowych.
• Kontynuowano prace nad zastosowaniami przyrostowej minimalizacji energii dostarczanej do układu do mikromechanicznego przy modelach materiałów niesprężystych niezależnych od skali czasu, w tym do symulacji numerycznych powstawania rodziny pasm deformacji w kryształach metali. Zbadano warunek symetrii macierzy modułów interakcji systemów poślizgu w ramach teorii plastyczności kryształów metali w zakresie dużych deformacji. Zaproponowano metodę selektywnej symetryzacji z ograniczeniem tylko do składowych odpowiadających aktywnym systemom poślizgu. Na przykładzie modelowania jednoosiowego rozciągania kryształu pokazano korzyści stosowania proponowanej metody w porównaniu do dotychczasowych metod.
• Zaproponowano oryginalną metodę „sekwencyjnej" linearyzacji lepko-sprężystej odpowiedzi materiału, którą następnie zastosowano do sformułowania rodziny schematów przejścia mikro-makro dla niejednorodnych materiałów lepko-sprężystych. Różne warianty sformułowania metody zaimplementowano w programie Mathematica. Uzyskane wyniki dla materiałów dwufazowych oraz izotropowych lub anizotropowych polikryształów porównano z dostępnymi w literaturze modelami służącymi do wyznaczania własności efektywnych dla nieliniowych materiałów, wykazując zalety proponowanej metody. Prowadzono prace w szerokim zakresie modelowania kompozytów ceramiczno-metalowych i ich warstw.
• Podjęto próbę dokładniejszego opisu procesu zużycia przy pomocy uogólnionego prawa Archarda, w którym przyjęto, że zużycie w sposób nieliniowy zależy od drogi tarcia. Korzystając z takiego podejścia uzyskano dość dobrą zgodność wyników teoretycznych i eksperymentalnych otrzymanych w teście kula-tarcza w ruchu posuwisto-zwrotnym. Wykonano także testy zużycia na trzech gatunkach stali w celu określenia korelacji zużycia w skali makro ze stanem naprężenia w skali mikro wynikającym z chropowatości trących powierzchni. Obserwowano ewolucję zużytej objętości i parametrów chropowatości, a otrzymane wyniki posłużyły do ustalenia wstępnych założeń modelu zużycia. Wykonano badania zużycia oraz testy indentacji dla próbek Ti6Al zaimplantowanych różnymi dawkami jonów azotu. W przygotowaniu jest praca dotycząca badania poprawy odporności na zmęczenie stopu z pamięcią kształtu za pomocą implantacji jonowej, przygotowane są próbki do wykonania testu nanoindentacji implantowanego i nie-implantowanego materiału. Wykonano szereg indentacji cienkiej warstwy węglowej nałożonej metodą RF PACVD (Radio Frequency Plasma Asisted Chemical Vapour Deposition) na podłożu ze stali austenitycznej 316L oraz na podłożu z monokryształu krzemu. Podczas testu indentacji rejestrowane były sygnały emisji akustycznej. Po zakończeniu testów trwałe odciski wgłębnika (Vickers) były obserwowane na skaningowym mikroskopie elektronowym. Znaleziono korelację między zjawiskiem pękania warstwy, natężeniem sygnału emisji akustycznej i zaburzeniami regularnego przebiegu krzywej siła-zagłębienie (P-h) rejestrowanej w teście indentacji. Zaobserwowano również zmianę mikrostruktury stali pod warstwą. Zmiana ta została spowodowana odkształceniami plastycznymi.
• Kontynuowano prace nt. modelowania naprężeń termicznych i uszkodzenia powstających podczas wytwarzania kompozytów ceramiczno-metalowych metodą spiekania pod ciśnieniem oraz wpływu mikropękania na stałe sprężystości kompozytów. Modelowano numerycznie rozwój szczeliny w kompozytach infiltrowanych ceramiczno-metalowych przy uwzględnieniu mechanizmu umocnienia szczeliny poprzez włókno metalowe, w którym zachodzą duże deformacje plastyczne i odspojenie od materiału ceramicznej osnowy. Wykonano obliczenia w programie ABAQUS dla sprężysto-plastycznego włókna Cu w sprężystej osnowie Al2O3. Prowadzono prace eksperymentalne oraz prace z zakresu modelowania numerycznego procesu spiekania mieszanin proszków metalicznych i ceramicznych metodą elementów dyskretnych. W części eksperymentalnej badano ewolucję mikrostruktury oraz gęstości spieku w trakcie procesu spiekania. Opracowano innowacyjną technologię spajania związków międzymetalicznych typu Ni3Al i Fe3Al ze stalą S235JR i z ceramiką Al2O3 z wykorzystaniem techniki zgrzewania tarciowego. Przeprowadzono badania mikrostruktury i właściwości uzyskanych połączeń. Kontynuowano prace nad otrzymywaniem kompozytów Al2O3-Cu zarówno techniką infiltracji preform ceramicznych jak spiekania preform ceramicznych wypełnionych proszkiem czystej miedzi lub mieszaniny proszków miedzi i tlenku miedzi.