| Tytuł projektu: Mikromechanika krystalicznych materiałów wieloskładnikowych o niestandardowych modach deformacji przy niemonotonicznych warunkach obciążenia |
Umowa:
UMO-2024/55/B/ST8/01333
Czas realizacji:
2025-07-14 / 2028-07-13
Konsorcjum:
Jedyny wykonawca
Sponsor:
NCN
Typ:
OPUS
Konkurs:
28
Lista wykonawców:
| 1 | dr inż. | Paweł Hołobut |
| 2 | prof. dr hab. inż. | Katarzyna Kowalczyk-Gajewska♦ |
| 3 | dr inż. | Michał Kursa |
| 4 | dr inż. | Michał Maj |
| 5 | Leszek Urbański | |
| 6 | dr inż. | Saketh Virupakshi |
| ♦ kierownik |
Streszczenie:
Celem projektu jest zrozumienie i opisanie, w ramach mikromechanicznej plastyczności kryształów, odpowiedzi mechanicznej materiałów z niestandardowymi modami odkształcenia, wykazującymi wrażliwość na kierunek obciążenia, takimi jak bliźniakowanie lub mikrowyboczenie, w warunkach obciążenia niemonotonicznego.
Plastyczność kryształów to dobrze ugruntowana teoria materiałów odkształcających się poprzez poślizg dyslokacyjny. Dostarcza ona spójnych i dokładnie zweryfikowanych przewidywań dla warunków obciążenia proporcjonalnego, zarówno w odniesieniu do odpowiedzi mechanicznej, jak i ewolucji mikrostruktury. Ostatnio pojawiły się nowe propozycje, które rozszerzają teorię w celu uwzględnienia niemonotonicznych warunków obciążenia, obejmujących zmiany ścieżki odkształcenia. Jednak dla materiałów, które dodatkowo odkształcają się poprzez bliźniakowanie lub inne niestandardowe mody deformacji wrażliwe na kierunek obciążenia, odpowiednie, kompleksowe sformułowanie tej teorii nie jest dostępne. Takie wysoce anizotropowe ciała stałe, takie jak stopy magnezu z heksagonalną siecią gęsto upakowaną (hcp) lub fazami MAX (przyjęte jako badane przykłady w projekcie), są znane z niskiej ciągliwości i odporności na pękanie, które mogą się dodatkowo zmniejszać w warunkach obciążeń eksploatacyjnych. Może to wynikać z aktywności bliźniakowania i bliżniakowania odwrotnego pod obciążeniem odwrotnym lub z lokalnej niestabilności mikrostruktury. Zrozumienie wpływu cyklicznych odkształceń na mikrostrukturę może ułatwić zastosowania przemysłowe takich zaawansowanych materiałów. Opracowany zostanie model sprężysto-(lepko)plastycznej plastyczności kryształu przy dużych odkształceniach monokryształu odkształcanego przez niestandardowe mody, dedykowany obciążeniom niemonotonicznym. W szczególności proponowany opis konstytutywny będzie zawierał prawa odkształcenia i umocnienia kinematycznego uwzględniające wzajemne oddziaływania różnych modów oraz modyfikacje właściwości związane ze zmianami mikrostruktury spowodowanymi aktywnością bliźniakowania lub mikrowyboczeniem. Przeprowadzona zostanie analiza czynników wpływających na zachowanie się materiału w warunkach eksploatacyjnych. Model zostanie zaimplementowany w metodzie elementów skończonych (MES) i zweryfikowany pod kątem jego efektywności obliczeniowej w analizie problemów pełnoskalowych.
Główne narzędzia, które mają zostać użyte w ramach projektu to: i) wieloskalowe ramy obejmujące model pola średniego (MFM) materiału wielofazowego z anizotropowym ośrodkiem sprężysto-(lepko)plastycznym i uwzględniające fluktuacje naprężenia/odkształcenia, ii) analizy pełnopolowe MES elementów objętościowych reprezentatywnych dla materiału (RVE) lub komponentów strukturalnych (np. próbek eksperymentalnych), przeprowadzone w celu zrozumienia lokalnych mechanizmów wpływających na zachowanie mechaniczne przy obciążeniu niemonotonicznym, iii) walidacja eksperymentalna, łącząca ocenę odpowiedzi mechanicznej z analizą mikrostruktury, przeprowadzona na standardowych i wstępnie zaprojektowanych próbkach karbowanych monokryształów lub polikryształów teksturowanych poddanych obciążeniom cyklicznym i złożonym.
Metoda MFM skoncentruje się na uwzględnieniu zmian mikrostruktury towarzyszących aktywności niestandardowych trybów odkształceń w scenariuszach obciążeń niemonotonicznych. Prawa plastyczności kryształu zostaną wzbogacone o prawa umocnienia odkształceniowego uwzględniające zmodyfikowane miary odkształcenia skumulowanego i umocnienia kinematycznego. Metoda sekwencyjnej linearyzacji zostanie zmodyfikowana w celu uwzględnienia nieliniowego, trójskładnikowego modelu materiału uzyskanego w warunkach umocnienia kinematycznego. Dodatkowo, uwzględni ona fluktuacje naprężenia i odkształcenia, niezbędne do prawidłowego przewidywania inicjacji odpowiednich mechanizmów w warunkach plastyczności innych niż opisywane warunkiem Schmida. Zgodnie z paradygmatem homogenizacji numerycznej, RVE materiałów polikrystalicznych zostanie wygenerowany i poddany periodycznym warunkom brzegowym oraz więzom nałożonym w celu kontrolowania programu obciążeń niemonotonicznych. Opracowane zostaną specjalne procedury, aby skutecznie radzić sobie z cyklami obciążeń obejmującymi wielokrotne, nagłe reorientacje sieci spowodowane bliźniaczkowaniem/bliżniakowaniem wtórnym lub innymi niestabilbnościami mikrostruktury.
Zrozumienie zależności między cechami mikrostruktury a uszkodzeniami materiałów o niestandardowym efekcie różnicy wytrzymałości dla poszczególnych kierunków obciążenia, poddawanych dowolnym obciążeniom jest niezbędne dla ich komercyjnego wykorzystania. Ze względu na swoją lekkość i wytrzymałość, są one coraz częściej stosowane w przemyśle poszukującym rozwiązań przyjaznych dla środowiska. Niemniej jednak, zastosowania są często ograniczone ze względu na nieprzewidywalną reakcję materiału w warunkach eksploatacji. Niezawodne, oparte na fizyce podejście do symulacji zachowania się materiału pod obciążeniem obniża koszty projektowania konstrukcji wykorzystujących nowe rozwiązania materiałowe i zmniejsza ryzyko nieoczekiwanej awarii podczas eksploatacji.