WydziałFizyki i Informatyki Stosowanej Badanie materiałów polikrystalicznych w aspekcie optymalizacji ich własności dr inż. Sebastian Wroński
Ośrodki współpracujące
Modyfikacja własności poprzez: Deformacje (walcowanie, ścinanie, rozciąganie itp.) Obróbka termiczna (wygrzewanie, rekrystalizacja itp. opracowano według M.F. Ashby ego
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.)
Dyfrakcja promieniowania X Tekstura krystalograficzna Naprężenia <ε Q > { hkl} = < d > d { hkl} d 0 { hkl} 0 { hkl} 0.8083 <d>{420} [A] 0.8082 0.8081 0.8080 0.8079 < 1 2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 sin 2 Ψ 2 2 2 0 d ( ψ, ϕ) > hkl = s2( σ11 cos ϕ + σ22 sin ϕ)sin ψ + s1( σ11 + σ22) d + hkl d 0 hkl
Dyfrakcja promieniowania neutronowego
EBSD (Electron Backscatter Diffraction)
EBSD (Electron Backscatter Diffraction)
EBSD (Electron Backscatter Diffraction) Cambridge S360 Zeiss Supra 40VP
Odkształcana i rekrystalizowana miedź TD RD
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
Podział kontinnum na elementy Modelowanie w skali makro Wprowadzenie reguł opisujących przemieszczenie węzłów oraz warunków brzegowych Wynik
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
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)
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
Połączenie modeli makro i krystalograficznych
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
Stal dwufazowa 0.0035 0.0030 Ferrite exp Austenite exp. 0.0025 Σ 11 ph,σ <ε 11 > hkl 0.0020 0.0015 DL DN 0.0010 DT 0.0005 Σ 11 0.0000 0 100 200 300 400 500 600 700 Σ 11 (MPa) Damage in ferritic phase after elast-oplastic deformation (SEM). <ε> {hkl} 0.012 0.010 0.008 0.006 Austenite 111-experiment 200-experiment 220-experiment 311-experiment 222-experiment 111-model 200-model 220-model 311-model <ε> {hkl} 0.012 0.010 0.008 0.006 110-experiment 200-experiment 211-experiment 220-experiment 110-model 200-model 211-model Ferrite 0.004 0.004 0.002 0.002 0.000 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0.000 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Σ 11 (corrected) Σ 11 (corrected)
Stal dwufazowa Orientation map (alpha and gamma) IQ map (alpha and gamma) Materiał Materiał odkształcony nieodkształcony
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).
Optymalizacja procesów przemysłowych Walcowanie asymetryczne
Walcowanie asymetryczne Zalety Mniejsza siła nacisku Mniejszy moment siły Jednorodna tekstura Wady Wygięcie próbki F/F sym 1.05 1.00 0.95 0.90 0.85 def 10% def 20% def 30% 1.00 1.05 1.10 1.15 1.20 ω 1 /ω2 bend flash 10 8 6 4 2 0-2 -4-6 -8-10 -12 def 10% def 20% def 30% 1.00 1.05 1.10 1.15 1.20 1.25 ω 1 /ω2 M/M sym 1.04 1.00 0.96 0.92 0.88 def 10% def 20% def 30% 1.00 1.05 1.10 1.15 1.20 ω 1 /ω2
Symulacja procesu walcowania Walcowanie symetryczne Walcowanie asymetryczne ω1/ω2=1.3
Rozkład naprężeń Symulacja procesu walcowania
MES + krystalograficzny model deformacji Walcowanie asymetryczne Symetryczne Asymetryczne Tekstura Tekstura modelowa eksperymentalna
Badanie efektów starzenia
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
Obliczenia MES wykład obieralny dla studentów WFiIS Ćwiczenie 1 statyczna analiza prostej kratownicy 2D Ćwiczenie 2 statyczna analiza wspornika 2D
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] 350 300 250 200 150 100 50 0 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 Strain Stress [MPa] 350 300 250 200 150 100 50 0 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 Rolling direction Transverse direction Strain
Obliczenia MES wykład obieralny dla studentów WFiIS Ćwiczenie 4 analiza dynamiczna (wyznaczanie częstotliwości Initial Mode1 Mode2 drgań własnych) Mode Natural Frequency [MHz] 1 9.407 2 9.557 3 9.568 4 10.027 5 10.033 Mode3 Mode4 Mode5
Obliczenia MES wykład obieralny dla studentów WFiIS Ćwiczenie 5 analiza walcowania asymetrycznego 3D
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)