Pracownia Mechaniki Materiałów Niesprężystych

Zakład Mechaniki Materiałów
Kierownik: prof. H. Petryk, czł. koresp. PAN
Struktura: Pracownia Mechaniki Materiałów Niesprężystych
Kierownik: prof. H. Petryk
Pracownia Plastyczności Stosowanej
Kierownik: prof. R. Pęcherski
Pracownia Warstwy Wierzchniej
Kierownik: dr hab. S. Kucharski, prof. IPPT
Zespół Zaawansowanych Materiałów Kompozytowych
Kierownik: dr hab. M. Basista, prof. IPPT
Laboratorium Termoplastyczności – Kierownik: dr M. Maj
Tematyka: Zakład prowadzi kompleksowe badania nowoczesnych
materiałów, z naciskiem na :
• badania doświadczalne w skalach od makro do nano
• modelowanie mikromechaniczne i wieloskalowe
Pracownicy: 3 prof. 5 dr hab. 9 dr 6 mgr 4 tech.
Zakład Mechaniki
Materiałów
Zespół Zaawansowanych Materiałów
Kompozytowych
Wytwarzanie i modelowanie kompozytów ceramiczno-metalowych
•
•
•
•
Cel: Opracowanie technologii wytwarzania kompozytów MMC. Modelowanie i
pomiary naprężeń resztkowych, właściwości efektywnych, parametrów zniszczenia.
Metody: Metalurgia proszków; dyfrakcja rentgenowska i neutronowa; metody
mechaniczne i nieniszczące. Modelowanie MES z wykorzystaniem obrazów µ-CT.
Wyniki: Wytworzono kompozyty Cr/Re/Al2O3, NiAl/Al2O3, Ag/C (grafen).
Zmierzono i wyznaczono numerycznie: naprężenia resztkowe w MMC, moduły
Younga (4 metody eksperymentalne), odporność kompozytów na pękanie.
Perspektywy: rozszerzenie na NiAl/Re, zastosowanie do łopatek turbin lotniczych.
Nowa aparatura
- piec rurowy
- mikroskop opt.
- szlifierko-polerka
Naprężenia
resztkowe:
Mikrostruktura i zniszczenie
kompozytu Cr/Re/Al2O3,
µ-CT FEM vs.
dyfrakcja
neutronów
Węglewski W, Bochenek K, Basista M, Schubert Th, Jehring U, Litniewski J, Mackiewicz S, Comput. Mater. Sci., 2013 (30 pkt)
Nosewicz S, Rojek J, Pietrzak K, Chmielewski M, Powder Technology, 2013 (35 pkt)
Węglewski W, Basista M, Manescu A, Chmielewski M, Pietrzak K, Schubert Th, Composites Part B (45 pkt, w recenzjach)
Zakład Mechaniki
Materiałów
Pracownia Mechaniki Materiałów Niesprężystych
Zespół Zaawansowanych Materiałów Kompozytowych
Mikromechanika materiałów niejednorodnych
z
z
z
z
Cel: opracowanie metod przewidywania termomechanicznych właściwości
materiałów niejednorodnych oraz rozwoju mikrostruktury
Metoda: modelowanie analityczne, analiza wieloskalowa, MES, eksperymentalna
weryfikacja modeli, m.in. na materiałach kompozytowych wytwarzanych w ZeZMK
Wyniki: modele ewolucji mikrostruktury w polikryształach w procesach SPD,
oszacowania i optymalizacja termomechanicznych właściwości kompozytów
Perspektywy: opis efektów skali, zastosowania do projektowania i optymalizacji
właściwości nowych materiałów (m.in. kompozytów z grafenem)
A
Micro-CT scan
B
[MPa]
B
MES
A
rozwój tekstury
w procesie KoBo
(model mikromech [1]) modele MES [2,3]
Porównanie mierzonych i obliczonych wartości
modułu Younga kompozytu Al2O3-25%Cr-(0,2,5)%Re [3]
Optymalizacja
[1] Kowalczyk-Gajewska K, Stupkiewicz S, Arch. Metal. Mater., 2013 (20 pkt)
właściwości
[2] Węglewski W, Bochenek K, Basista M, et al., Comp. Mat. Sci., 2013 (30 pkt) kompozytu [4]
[3] Chmielewski M., Węglewski W., Bull. Pol. Acad. Sci.-Tech. Sci., 2013 (25 pkt)
[4] Kursa M., Kowalczyk-Gajewska K., Petryk H., Composites Part B, 2014 (45pkt)
Porównanie
Zakład Mechaniki
Materiałów
Pracownia Mechaniki Materiałów Niesprężystych
Laboratorium Termoplastyczności
Niestateczność materiałów i ewolucja mikrostruktur
z
Cel: rozwój teorii i opis ewolucji mikrostruktur w plastycznych kryształach metali
z
Metody: przyrostowa minimalizacja energii, mikroskopia skaningowa + EBSD
z
z
Wyniki: nowe kryterium energetyczne powstawania struktury pasmowej w
plastycznych kryształach metali [1], korelacja z obserwacjami doświadczalnymi [1,2]
Perspektywy: rozszerzenie badań o efekty skali i migrację granic, poznanie
mechanizmów i warunków termodynamicznych rozdrabniania mikrostruktury
Postać niestabilności
plastycznej deformacji
kryształu
Wynik obliczeń
dla prostego ścinania
Wynik obliczeń
dla rozciągania [110]
Wynik doświadczalny [2]
EBSD po rozciąganiu
Metoda obliczeń: przyrostowa minimalizacja energii
[1] Petryk H, Kursa M, J. Mech. Phys. Solids, 2013 (40 pkt)
[2] Oliferuk W, Maj M, Zembrzycki K, Exp. Mechanics, 2014 (35 pkt)
η Δ 2 w(1) + (1 − η )Δ 2 w( 2) → min
z ograniczeniami
Zakład Mechaniki
Materiałów
Pracownia Mechaniki Materiałów Niesprężystych
Efektywne algorytmy obliczeniowe w mechanice materiałów
z
z
z
z
Cel: Implementacja zaawansowanych modeli materiałów (SMA, plastyczność)
Metody: Automatyczne różniczkowanie (AD), obliczenia symboliczne, metoda
elementów skończonych (MES), przyrostowa minimalizacja energii
Wyniki: Model pseudosprężystości w stopach z pamięcią kształtu (SMA) [1],
efektywne algorytmy dla dużych odkształceń plastycznych [2,3]
Perspektywy: Plastyczność w skali nano, efekty gradientowe, nowe modele
mikromechaniczne, modelowanie wieloskalowe (FE2)
funkcja
dyssypacji
mnożnik
Lagrange’a
Przyrostowa minimalizacja energii
Model SMA: implementacja MES,
z ograniczeniami nierównościowymi, skończone deformacje, kontakt,
metoda ALM [1]
symulacja pracy stentu [1]
[1] Stupkiewicz S, Petryk H, Int. J. Num. Meth. Eng., 2013 (40 pkt)
[2] Korelc J, Stupkiewicz S, Int. J. Num. Meth. Eng., 2014 (40 pkt)
[3] Stupkiewicz S, Piccolroaz A, Bigoni D, J. Eur. Cer. Soc., 2014 (50 pkt)
η
Rozkład ciśnienia w proszku
ceramicznym poddanym dużym
deformacjom niesprężystym [3]
Zakład Mechaniki
Materiałów
Pracownia Mechaniki Materiałów Niesprężystych
Pracownia Warstwy Wierzchniej
Modelowanie zagadnień kontaktu i zużycia powierzchni
z
z
z
z
Cel: Modelowanie i badania eksperymentalne zjawisk kontaktowych
Metoda: Podejście mikromechaniczne, metoda elementów skończonych (MES)
Wyniki: Efektywne metody symulacji zużycia [1,2], nowe sformułowanie modelu
kawitacji [3], kontakt powierzchni chropowatych: model i weryfikacja doświadcz. [4]
Perspektywy: Modelowanie wieloskalowe, modelowanie smarowania
elasto-hydrodynamicznego w skali mikro, rozbudowa stanowisk doświadczalnych
Symulacja zużycia: skończone
deformacje i zmiany kształtu [2]
Ewolucja ciśnienia
wskutek zużycia [2]
Modelowanie smarowania
(soft-EHL, skończone
deformacje): grubość
warstwy smaru [3]
[1] J Lengiewicz, S Stupkiewicz, Wear, 2013 (35 pkt)
[2] S Stupkiewicz, Comp. Meth. Appl. Mech. Eng., 2013 (45 pkt)
[3] J Lengiewicz, M. Wichrowski, S Stupkiewicz, Trib. Int., 2014 (35 pkt)
[4] S Kucharski, G Starzyński, Wear, 2014 (35 pkt)
Sprężysto-plastyczne
odziaływanie nierówności:
porównanie modelu
z eksperymentem [4]
Zakład Mechaniki
Materiałów
Pracownia Warstwy Wierzchniej
Właściwości mechaniczne warstw i mikrogeometria powierzchni
z
z
z
z
Cel: badanie właściwości materiałów anizotropowych i cienkich warstw
Metoda: mikro- i nano-indentacja, mikroskop sił atomowych, profilometr
skaningowy, porównanie z obliczeniami MES
Wyniki: ocena wpływu implantacji jonów na właściwości SMA [1], weryfikacja
modeli plastyczności kryształów w testach mikro- i nano-indentacji [2]
Perspektywy: opracowanie metod identyfikacji parametrów modeli
plastyczności kryształów metodą indentacji, uwzględnienie efektu skali
µm
µm
3.5
3.5
3
3
2.5
2.5
2
2
1.5
1.5
1
1
0.5
0.5
0
μm
0
-0.5
-1
-1.5
-2
-2.5
z
-0.5
μ
m
-1
-1.5
-2
-2.5
-3
y
-3
-3.5
-4
-3.5
z y
-4
x
Eksperyment [2]
x Wynik
obliczeń MES [2]
[1] Levintant-Zayonts N. et al., Russian Chemical Reviews, 2013 (30 pkt)
[2] Kucharski S, Stupkiewicz S, Petryk H, Experimental Mechanics, 2014 (35 pkt)
P[mN]
Odciski kuli w monokrysztale miedzi
impl. dose 2E18
nonimplanted
nonimplanted
impl. dose 5E17
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
20 h[nm]40
60
80
Test nanoindentacji [1] :
efekt implantacji jonowej w
materiale z pamięcią kształtu
Zakład Mechaniki
Materiałów
Pracownia Plastyczności Stosowanej
Termomechanika materiałów wielofunkcyjnych:
eksperyment – modelowanie – symulacje procesów – weryfikacja
z
z
z
Cel: nowe modele konstytutywne materiałów metalicznych oraz pianek
Metoda: teoria stanów granicznych dla ciał anizotropowych z efektem różnicy
wytrzymałości, badania doświadczalne: INSTRON, tomografia
Wyniki: sformułowanie stowarzyszonego prawa płynięcia dla materiałów o różnej
anizotropii, podanie równania ewolucji uszkodzeń dla pianek ceramicznych
Perspektywy: zastosowania do procesów tłoczenia blach i infiltracji,
opis pasm ścinania oraz ewolucji anizotropowej powierzchni plastyczności
Próba ściskania próbek z
pianki korundowej
Przykładowe wyniki
doświadczalne
[1] Nowak M, Nowak Z, Pęcherski RB, Potoczek M, Śliwa R,
Arch. Metal. Mater., 2013 (20 pkt)
[2] Ostrowska-Maciejewska J, Szeptyński P, Pęcherski RB,
Arch. Metal. Mater., 2013 (20 pkt)
Model pianki
90% porowatości
Symulacje numeryczne
vs eksperyment [1]
Model teoretyczny oparty na udziałach
gęstości energii stanów własnych [2] :
Zakład Mechaniki
Materiałów
Tematyka badawcza ZMM – Podsumowanie
ZMM prowadzi kompleksowe badania – teoretyczne, numeryczne i doświadczalne
– nowoczesnych materiałów, takich jak :
• Materiały wielofunkcyjne i wieloskładnikowe
(stopy z pamięcią kształtu (SMA), kompozyty ceramiczno-metalowe (MMC),
intermetaliki, pianki, ...)
• Materiały metaliczne o silnie rozdrobnionej strukturze
(metale nanokrystaliczne (+UFG), po intensywnych deformacjach
plastycznych (SPD), kompozyty z udziałem nanocząstek, ...)
• Cienkie warstwy i pokrycia o specjalnych właściwościach
(powierzchnie implantowane jonowo, warstwy wierzchnie po deformacjach
plastycznych, diagnostyka cienkich warstw, ...)
ze szczególnym naciskiem na :
• Modelowanie mikromechaniczne i wieloskalowe
• Badania doświadczalne w skalach od makro do nano