Badanie materiałów polikrystalicznych w aspekcie optymalizacji ich własności

Transkrypt

1 WydziałFizyki i Informatyki Stosowanej Badanie materiałów polikrystalicznych w aspekcie optymalizacji ich własności dr inż. Sebastian Wroński

2 Ośrodki współpracujące

3 Modyfikacja własności poprzez: Deformacje (walcowanie, ścinanie, rozciąganie itp.) Obróbka termiczna (wygrzewanie, rekrystalizacja itp. opracowano według M.F. Ashby ego

4 Metody badawcze Mikroskopia optyczna i elektronowa Dyfrakcja promieniowania X Dyfrakcja promieniowania neutronowego Wsteczne rozpraszanie elektronów (Electron Backscatter Diffraction EBSD) Testy mechaniczne (rozciąganie, ściskanie, ścinanie, pomiar mikrotwardości itp.)

5 Dyfrakcja promieniowania X Tekstura krystalograficzna Naprężenia <ε Q > { hkl} = < d > d { hkl} d 0 { hkl} 0 { hkl} <d>{420} [A] < sin 2 Ψ d ( ψ, ϕ) > hkl = s2( σ11 cos ϕ + σ22 sin ϕ)sin ψ + s1( σ11 + σ22) d + hkl d 0 hkl

6 Dyfrakcja promieniowania neutronowego

7 EBSD (Electron Backscatter Diffraction)

8 EBSD (Electron Backscatter Diffraction)

9 EBSD (Electron Backscatter Diffraction) Cambridge S360 Zeiss Supra 40VP

10 Odkształcana i rekrystalizowana miedź TD RD

11 Modelowanie Deformacji w skali makro przy użyciu metody elementów skończonych (MES) w skali krystalograficznej używając modelu odkształcenia polikryształu (model LW, self-consistent ) połączone modele makro i krystalograficzny Rekrystalizacji Model oparty na koncepcji zorientowanego wzrostu zarodków Modele oparte na metoda Monte-Carlo Model rekrystalizacji typu Vertex

12 Podział kontinnum na elementy Modelowanie w skali makro Wprowadzenie reguł opisujących przemieszczenie węzłów oraz warunków brzegowych Wynik

13 Modelowanie w skali krystalograficznej Mechanizmy odkształcenia plastycznego Poślizg krystalograficzny Bliźniakowanie (Twinning) x x x τ = τ cr Prawo Schmida z z z i ij j τ cr = H γ j Umocnienie systemów poślizgu a) b) c) Obrót krystalitów w wyniku deformacji

14 Modelowanie w skali krystalograficznej Model deformacji plastycznej Σ ij, Eij σ ij, ε ij * pl pl ij = Σij + Lijkl ( E kl ε kl σ ) Sachs model L * = 0 - brak oddziaływań między ziarnami jednorodny rozkład naprężeń σij = Σ ij Taylor model L * - jednorodna deformacja ziaren w całej próbce ε pl ij = E pl ij LW model (with compromise interaction) L * = αµ - oddziaływanie bliskie rzeczywistemu (µ moduł ścinana α współczynnik akomodacji elasto-plastycznej)

15 Modelowanie w skali krystalograficznej Model samouzgodniony (self-consistent model) W części elastycznej : Σ ij = C ijkl E kl and σ = I ij c I ijkl ε I kl W części plastycznej : Σ ij = L ijkl E kl and σ I ij = l I ijkl ε I kl Tensor koncentracji : I ε ij = A I ijkl E kl I I σ ij = Bijkl Σ kl

16 Połączenie modeli makro i krystalograficznych

17 Modelowanie rekrystalizacji Etapy rekrystalizacji : Zdrowienie Rekrystalizacja pierwotna Rekrystalizacja wtórna Rekrystalizacja trzecio-rzędowa Modele rekrystalizacji Model oparty na koncepcji zorientowanego wzrostu zarodków model rekrystalizacji statystycznej Modele oparte na metoda Monte-Carlo Model rekrystalizacji typu Vertex Rekonfiguracji dyslokacji Ziarno o orientacji g1 zanika na rzecz rozrastających się ziaren g2- g7 Rozkład sił działający na każdy vertex Vertexowa reprezentacja mikrostruktury

18 Stal dwufazowa Ferrite exp Austenite exp Σ 11 ph,σ <ε 11 > hkl DL DN DT Σ Σ 11 (MPa) Damage in ferritic phase after elast-oplastic deformation (SEM). <ε> {hkl} Austenite 111-experiment 200-experiment 220-experiment 311-experiment 222-experiment 111-model 200-model 220-model 311-model <ε> {hkl} experiment 200-experiment 211-experiment 220-experiment 110-model 200-model 211-model Ferrite Σ 11 (corrected) Σ 11 (corrected)

19 Stal dwufazowa Orientation map (alpha and gamma) IQ map (alpha and gamma) Materiał Materiał odkształcony nieodkształcony

20 Stal dwufazowa < hkl [ I NP ] 0 0 Fij ( Rij, ψ, ϕ) σij + < ε33 '( ψ, ϕ) > hkl d d hkl hkl d( ψ, ϕ) > = + Austenite Ferrite Damage in ferritic phase after elast-oplastic deformation (SEM).

21 Optymalizacja procesów przemysłowych Walcowanie asymetryczne

22 Walcowanie asymetryczne Zalety Mniejsza siła nacisku Mniejszy moment siły Jednorodna tekstura Wady Wygięcie próbki F/F sym def 10% def 20% def 30% ω 1 /ω2 bend flash def 10% def 20% def 30% ω 1 /ω2 M/M sym def 10% def 20% def 30% ω 1 /ω2

23 Symulacja procesu walcowania Walcowanie symetryczne Walcowanie asymetryczne ω1/ω2=1.3

24 Rozkład naprężeń Symulacja procesu walcowania

25 MES + krystalograficzny model deformacji Walcowanie asymetryczne Symetryczne Asymetryczne Tekstura Tekstura modelowa eksperymentalna

26 Badanie efektów starzenia

27 Wykład obieralny dla studentów WFiIS Wprowadzenie do metody elementów skończonych czym jest MES, idea podziału ośrodka na elementy, przykład prostej kratownicy budowa macierzy sztywności, agregacja, wprowadzanie warunków brzegowych Metody aproksymacyjnego rozwiązywania równań różniczkowych Metoda Ritza Metoda Rayleigha Ritza Metody ważonych rezidów (Metoda kolokacyjna, Metoda najmniejszych kwadratów, Metoda Galerkina ) Typ elementów skończonych i ich własności Elementy 1D, 2D, 3D, pierwszego i drugiego rzędu. MES w zagadnieniach dynamicznych Błędy w rozwiązaniach MES Ćwiczenia praktyczne z zastosowaniem systemu ABAQUS

28 Obliczenia MES wykład obieralny dla studentów WFiIS Ćwiczenie 1 statyczna analiza prostej kratownicy 2D Ćwiczenie 2 statyczna analiza wspornika 2D

29 Obliczenia MES wykład obieralny dla studentów WFiIS Ćwiczenie 3 analiza materiałów anizotropowych 3D Maszyna rozciągająca użyta podczas eksperymentu a) próbka przed odkształceniem b) próbka rozciągana w kierunku poprzecznym b) próbka rozciągana w kierunku walcowania Experimental Predicted by model Stress [MPa] Strain Stress [MPa] Rolling direction Transverse direction Strain

30 Obliczenia MES wykład obieralny dla studentów WFiIS Ćwiczenie 4 analiza dynamiczna (wyznaczanie częstotliwości Initial Mode1 Mode2 drgań własnych) Mode Natural Frequency [MHz] Mode3 Mode4 Mode5

31 Obliczenia MES wykład obieralny dla studentów WFiIS Ćwiczenie 5 analiza walcowania asymetrycznego 3D

32 Obliczenia MES wykład obieralny dla studentów WFiIS Ćwiczenie 6 analiza wydzielania ciepła pod wpływem przepływu prądu Rozkład gęstości prądu Rozkład temperatury Bezpiecznik samochodowy Rozkład gęstości prądu (A/mm 2 ) Rozkład temperatury ( 0 C)