Kierownik Zakładu:

Zlec. 126 Termomechanika materiałów wielofunkcyjnych.

Zlec. 127 Termografia podczerwieni 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 Mikromechanika materiałów i cienkich warstw w zakresie niesprężystym.

Zlec. 132 Modelowanie właściwości efektywnych, naprężeń termicznych, uszkodzenia mikrostruktury i rozwoju zniszczenia oraz opracowanie podstaw technologii i procesów wytwarzania kompozytów ceramiczno-metalowych i funkcjonalnych materiałów gradientowych.

ZLECENIE NR 126 Termomechanika materiałów wielofunkcyjnych.

1. CEL BADAŃ:

   Badania doświadczalne niesprężystego zachowania się nowoczesnych materiałów oraz opracowanie wieloskalowych  modeli konstytutywnych, ich identyfikacja metodą rozwiązywania zadań odwrotnych wraz z numeryczną symulacją procesów deformacji i zniszczenia.

2. OPIS REALIZOWANYCH PRAC:

   Prowadzono obserwacje doświadczalne pasm przemiany martenzytycznej w stopach z pamięcią kształtu (TiNi) z zastosowaniem rejestracji obrazów w podczerwieni szybką kamerą termowizyjną oraz techniki emisji akustycznej przy użyciu czujnika umieszczonego w środkowej części próbki.

   Wykonano ocenę wytrzymałości warstw przejściowych w kompozytach metaliczno-ceramicznych z zastosowaniem nowoczesnej analizy potencjałów oddziaływań na poziomie atomowym. Przedstawiono propozycję nowego podejścia do parametryzacji potencjałów oddziaływań międzyatomowych stosowanych w metodzie zagnieżdżonego atomu. Podejście to polega na zastosowaniu rozkładu stanów naprężenia i odkształcenia na zdefiniowane przez moduły sprężyste i symetrię danego materiału stany własne. Przedstawiono model międzyatomowych oddziaływań w warstwie przejściowej Ni–Al2O3. Nowym wynikiem jest wyprowadzenie zmodyfikowanej metody obliczania energii powierzchniowej i energii oddziaływań atomów obu faz.

   Rozwijano modele plastyczności oraz lepkoplastyczności dla materiałów anizotropowych w zastosowaniu do numerycznej analizy tłoczności blach karoseryjnych, w szczególności dotyczące wpływu zmiany drogi odkształcenia oraz efektu wstępnego wyprężenia blachy na granicę tłoczności. Nowym wynikiem jest propozycja rozszerzenia znanego kryterium granicznego dla materiałów anizotropowych w celu uwzględnienia wpływu asymetrii polegającej na różnicy wytrzymałości przy rozciąganiu i ściskaniu

   Wykonano badania wstępne z zakresu modelowania i symulacji numerycznych procesów deformacji pianek korundowych. Celem tych badań jest opanowanie sposobu modelowania i symulacji procesów infiltracji pianek, np. materiałami polimerowymi.

   Kontynuowano badania w celu opisu i identyfikacji parametrów materiałowych modelu sprężysto - lepkoplastycznego w oparciu o dynamiczną próbę bezpośredniego uderzenia. Numeryczna symulacja procesu ściskania z uwzględnieniem tarcia pozwoliła otrzymać charakterystykę materiału. Otrzymane zależności siła - przemieszczenie były podstawą do symulacji numerycznych MES procesu deformacji próbki w strefie ściskania.

3. OPIS NAJWAŻNIEJSZYCH OSIĄGNIĘĆ:

   Zbudowano unikalne stanowisko badawcze do obserwacji pasm przemiany martenzytycznej w czasie obciążania i odciążania z wykorzystaniem kamery termowizyjnej oraz czujnika do detekcji emisji akustycznej.

   Opracowano nowy sposób parametryzacji potencjałów oddziaływań międzyatomowych stosowanych w metodzie zagnieżdżonego atomu. Metoda ta polega na zastosowaniu rozkładu stanów naprężenia i odkształcenia na zdefiniowane przez moduły sprężyste i symetrię materiału stany własne.

   Opracowano model międzyatomowych oddziaływań w warstwie przejściowej Ni – Al2O3. Nowym wynikiem jest wyprowadzenie zmodyfikowanej metody obliczania energii powierzchniowej oraz energii oddziaływań atomów obu faz.

   Opracowano podstawy teoretyczne modelu plastyczności stosowanego w symulacjach numerycznych tłoczności blach.

4. WYKORZYSTANIE UZYSKANYCH WYNIKÓW:

   Część wyników opublikowano w renomowanych czasopismach, a opracowane modele konstytutywne mogą znaleźć zastosowanie do numerycznej analizy tłoczności blach karoseryjnych.

ZLECENIE NR 127 Termografia podczerwieni w badaniach deformacji materiałów i w defektoskopii.

1. CEL BADAŃ:
   • Interpretacja makroskopowych wyników powierzchniowego rozkładu zdolności magazynowania energii w oparciu o badania mikrostruktury.
   • Określenie warunków stosowalności opracowanej metody określania parametrów defektów w podpowierzchniowej warstwie wybranych materiałów.
2. OPIS REALIZOWANYCH PRAC:

   Prowadzono prace mające na celu mikroskopową interpretację wyników uzyskanych w skali makroskopowej, uzyskanych opracowaną w roku ubiegłym metodą wyznaczenia rozkładu zdolności magazynowania energii na podstawie rejestrowanych podczas deformacji pól przemieszczeń i temperatury. W tym celu przeprowadzono badania ewolucji mikrostruktury przy użyciu transmisyjnego mikroskopu elektronowego oraz badania ewolucji orientacji krystalograficznej przy użyciu techniki EBSD (dyfrakcji elektronów wstecznie rozproszonych). Zaobserwowano, że tuż przed zerwaniem tworzą się warunki do propagacji makroskopowych pasm ścinania, co koresponduje w wcześniejszymi wynikami pokazującymi, że tuż przed zniszczeniem deformowany materiał traci zdolność do magazynowania energii.

   Rozwijano metodę wyznaczania i charakteryzacji defektów w warstwie podpowierzchniowej materiału przy użyciu impulsowej termografii podczerwieni. W odniesieniu od wcześniej przeprowadzonych badań dla defektów o przekroju okrągłym, zaproponowano metodę wyznaczania średnicy ekwiwalentnej defektu o innym przekroju, uwzględniającej nie tylko pole przekroju defektu, ale również jego kształt. Wyniki uzyskane dla defektów kwadratowych i prostokątnych o różnych wymiarach pokazały, że zaproponowany sposób może być z powodzeniem stosowany dla tego typu defektów.

3. OPIS NAJWAŻNIEJSZYCH OSIĄGNIĘĆ:

   Analiza ewolucji orientacji ziaren wykonana przy użyciu techniki EBSD pokazała, że w obszarze makroskopowej lokalizacji odkształcenia, ewolucja orientacji krystalograficznej poszczególnych ziaren przebiega w kierunku dwóch dominujących składowych tekstury, a wybrane płaszczyzny typu {111} obracają się, tworząc kąt około 40 stopni względem makroskopowego kierunku obciążenia. Oznacza to, że tuż przed zerwaniem tworzą się warunki do propagacji makroskopowych pasm ścinania. Jest to bardzo ciekawy wynik, wskazujący na krystalograficzny charakter makroskopowych pasm ścinania.

   Zaproponowano metodę wyznaczania średnicy ekwiwalentnej uwzględniającej zarówno pole przekroju, jak i kształt defektu, a wyniki uzyskane dla defektów kwadratowych i prostokątnych o różnych wymiarach pokazały, że zaproponowany sposób może być z powodzeniem stosowany do wyznaczania ich głębokości metodą impulsowej termografii podczerwieni.

4. WYKORZYSTANIE UZYSKANYCH WYNIKÓW:

   publikowano w br. trzy prace w renomowanych czasopismach, a wyniki dotyczące defektoskopii zostały wykorzystane w obronionej rozprawie doktorskiej mgr inż. Olgi Wysockiej-Fotek.

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

1. CEL BADAŃ:

   Ocena stanu naprężeń i odkształceń w zagadnieniach kontaktu powierzchni chropowatych. Modyfikacja prawa zużycia. Identyfikacja własności i adhezji cienkich warstw, w szczególności warstw wytwarzanych w PWW metodą implantacji jonowej. Identyfikacja parametrów modeli materiału w skali nano.

2. OPIS REALIZOWANYCH PRAC:

   Wykonywane są testy micro- i nano- indentacji, testy zgniatania powierzchni chropowatych oraz testy zużycia. Do oceny stanu powierzchni po tych testach wykonuje się pomiary chropowatości powierzchni, śladów zużycia i trwałych odcisków wgłębnika za pomocą profilometru i mikroskopu sił atomowych. Urządzenia te umożliwiają pomiary w różnych skalach dokładności (mikro- i nano). Przebadano m.in. zależność współczynnika tarcia od obciążenia normalnego w teście kula-tarcza dla kilku gatunków stali o różnej twardości. Stwierdzono, że współczynnik tarcia maleje ze wzrostem obciążenia i w konsekwencji maleje także współczynnik zużycia, podczas gdy według klasycznego prawa jest on stały. Badania eksperymentalne są porównywane z wynikami symulacji numerycznych. Wykonano testy zużycia kompozytów metalowo-ceramicznych.

   Wykonano badania anizotropii metali przy wykorzystaniu testów mikro i nanoindentacji. Wykonano testy mikro- i nanoindentacji monokryształu miedzi, oraz polikryształów miedzi i niklu, przy czym w przypadku polikryształów obciążenie wgłębnika było na tyle małe, że granice ziaren nie wpływały na wyniki. Wykonano pomiary trwałych odcisków przy uzyciu mikroskopu sił atomowych. Zbadano efekt skali oraz wpływ orientacji ziaren na wyniki.

   Do generowania cienkich warstw na metalach wykorzystywana jest implantacja jonowa. Wykonano implantacje jonową materiału z pamięcią kształtu oraz stali austenitycznej 0H18N9, a następnie na tych materiałach wykonano testy zużycia. Badania mają na celu znalezienie korelacji między dawką implantowanych jonów a odpornością na zużycie.

3. OPIS NAJWAŻNIEJSZYCH OSIĄGNIĘĆ:

   Zaproponowano modyfikację klasycznego prawa zużycia, polegającą na tym, że uwzględnia się nieliniową zależność zużycia od drogi tarcia, oraz dokonano weryfikacji doświadczalnej zmodyfikowanego prawa zużycia.

   Znaleziono korelację między sygnałem emisji akustycznej, zmianą przebiegu krzywej siła zagłębienie, a pękaniem cienkiej warstwy DLC. Przedstawiono zależność między sztywnością kontaktową, a zmianą współczynnika odbicia fal ultradźwiękowych.

   Wykonano badania doświadczalne i symulacje numeryczne testów mikro- i nanoindentacji w monokryształach. Stwierdzono efekt skali, uwzględniono efekt anizotropii.

4. WYKORZYSTANIE UZYSKANYCH WYNIKÓW:

   Wyniki przedstawiono w publikacjach, w tym w czasopiśmie Wear.

ZLECENIE NR 131 Mikromechanika materiałów i cienkich warstw w zakresie niesprężystym.

1. CEL BADAŃ:

   Mikromechaniczna analiza deformacji niesprężystych i ewolucji mikrostruktur w stopach z pamięcią kształtu, metalach odkształcanych plastycznie, kompozytach ceramiczno-metalowych oraz warstwach kontaktowych i pokryciach. Opracowanie modeli oraz symulacje numeryczne ich przewidywań.

2. OPIS REALIZOWANYCH PRAC:

   W ramach modelowania mikromechanicznego metalicznych materiałów polikrystalicznych, przeprowadzono analizę zmian mikrostruktury metalu podczas wyciskania z obrotową matrycą. Ewolucję parametrów mikrostruktury wyznaczono przy zastosowaniu modelu rozdrabniania mikrostruktury podczas dużych deformacji plastycznych, wzdłuż trajektorii uzyskanych uprzednio metodą elementów skończonych dla materiału bez umocnienia. W innej pracy wyznaczono, przy wykorzystaniu rozkładu spektralnego i harmonicznego, oszacowania modułów sztywności dla polikryształów o teksturze losowej i dowolnej anizotropii własności lokalnych opisanych liniowym równaniem konstytutywnym. Prowadzono badania zmierzające do uzyskania losowego opisu mikrostruktur.

   Opracowano rozprawę habilitacyjną podsumowującą badania autora dotyczące mechaniki pokryć i zawierającą opracowanie różnych metod mechanicznej analizy cienkich warstw ze szczególnym uwzględnieniem opisu stanu naprężenia, wywołanego nim rozwoju uszkodzeń (pękanie po grubości warstwy oraz jej odspajanie) oraz identyfikacji cech mechanicznych warstwy. Oszacowano stan naprężenia i strefy poślizgu pomiędzy cienką warstwą a sztywnym podłożem. W innej pracy opracowano sformułowanie teoretyczne i model numeryczny dla ogólnego zagadnienia zużycia kontaktowego z uwzględnieniem skończonych deformacji i skończonych zmian konfiguracji wskutek zużycia.

   Przeprowadzono analizę stateczności równowagi ewoluujących mikrostruktur warstwowych w stopach z pamięcią kształtu przy zastosowaniu podejścia energetycznego i uwzględnieniu efektów energii powierzchniowej. Dla stopu NiTi oszacowano powierzchniową gęstość energii mikro-odkształceń sprężystych i morfologię warstwy międzyfazowej. Przeprowadzono analizę mikrostruktur typu X obserwowanych w monokryształach stopów z pamięcią kształtu i wyznaczano parametry mikrostruktury poprzez minimalizację całkowitej energii odkształceń sprężystych.

   Modelowanie mikromechaniczne kompozytów ceramiczno-metalowych zastosowano do znajdowania optymalnego składu kompozytu w stosunku do wymaganych właściwości materiału ze względu na jego dalsze zastosowanie, w szczególności do tarcz hamulcowych.

3. OPIS NAJWAŻNIEJSZYCH OSIĄGNIĘĆ:
   • Wydanie drukiem monografii “Mechanical modelling of thin films” podsumowującej badania M. Białasa dotyczące mechaniki pokryć.
   • Wykazanie, że uwzględnienie realistycznych wartości energii powierzchniowej powoduje stabilizację ewoluujących laminatów w stopach z pamięcią kształtu, które bez wewnętrznego parametru skali wykazują niestateczność prowadzącą do lokalizacji odkształcenia.
   • Opracowanie teoretyczne i model numeryczny dla ogólnego zagadnienia zużycia kontaktowego z uwzględnieniem skończonych deformacji i skończonych zmian konfiguracji wskutek zużycia.
   • Wyprowadzenie analityczne oszacowań dla modułów sztywności dla polikryształów o teksturze losowej i dowolnej anizotropii własności lokalnych opisanych liniowym równaniem konstytutywnym.
4. WYKORZYSTANIE UZYSKANYCH WYNIKÓW:
   • Wyniki mające charakter podstawowy opublikowano w renomowanych czasopismach.
   • Opracowano 1 rozprawę habilitacyjną.
   • Wykonane badania optymalnego składu kompozytów ceramiczno-metalowych mają potencjalne zastosowanie w ofercie dla przemysłu.

ZLECENIE NR 132 Modelowanie właściwości efektywnych, naprężeń termicznych, uszkodzenia mikrostruktury i rozwoju zniszczenia oraz opracowanie podstaw technologii i procesów wytwarzania kompozytów ceramiczno-metalowych i funkcjonalnych materiałów gradientowych.

1. CEL BADAŃ:

   Projektowanie mikrostruktury, modelowanie właściwości efektywnych, naprężeń termicznych, degradacji struktury i procesów zniszczenia oraz opracowanie podstaw technologii i procesów wytwarzania kompozytów ceramiczno-metalowych i funkcjonalnych materiałów gradientowych.

2. OPIS REALIZOWANYCH PRAC:

   Prowadzono prace eksperymentalne dotyczące procesów spiekania pod ciśnieniem kompozytów ceramiczno-metalowych (Al2O3-Cr-Re, Al2O3-NiAl, Al2O3-Cu- Re) i ewolucji mikrostruktury oraz gęstości spieku w trakcie procesu spiekania.

   Opracowano model numeryczny obliczania efektywnego modułu Younga dla kompozytów ceramika-metal przy wykorzystaniu obrazów rzeczywistej mikrostruktury z mikrotomografii komputerowej (X-ray). Wyniki obliczeń porównano z pomiarami wykonanymi czterema metodami eksperymentalnymi: trójpunktowego zginania,resonance frequency damping analysis (RFDA),ultrasonic pulse-echo technique iscanning acoustic microscopy.

   Kontynuowano prace nt. modelowania naprężeń termicznych i uszkodzenia powstających podczas spiekania kompozytów objętościowych i gradientowych oraz wyznaczania efektywnych właściwości termicznych kompozytów.

   Opracowano numeryczny model testu pękaniaCompact Tension dla kompozytów ceramiczno-metalowych przy uwzględnieniu mechanizmu umocnienia szczeliny (bridging), dużych deformacji plastycznych włókna i odspojenia włókna od osnowy.

3. OPIS NAJWAŻNIEJSZYCH OSIĄGNIĘĆ:

   Opracowanie efektywnego modelu FEM obliczania naprężeń resztkowych w kompozytach ceramiczno-metalowych na podstawie obrazów mikrostruktury uzyskanych za pomocą mikrotomografii komputerowej (X-ray lub synchrotron). Warunkiem skuteczności tego modelu jest różnica zdolności pochłaniania promieniowania przez materiały składowe kompozytu.

4. WYKORZYSTANIE UZYSKANYCH WYNIKÓW:

   Publikacje i prezentacje na konferencjach. Ponadto, narzędzie numeryczne do wyznaczania naprężeń resztkowych w materiałach złożonych wymienione w pkt 3. może być podstawą usługi badawczej IPPT dla przemysłu zainteresowanego oceną naprężeń resztkowych w spiekanych elementach konstrukcyjnych. Wykonano już pilotażowe obliczenia dla EADS Germany (w projekcie MATRANS, 7 PR) oraz dla Instytutu Zaawansowanych Technologii Wytwarzania w Krakowie (zlecenie zewnętrzne).