popularyzatorski opis rezultatów projektu

Nr wniosku: 166480, nr raportu: 19172. Kierownik (z rap.): prof. dr hab. inż. Krzysztof Maciej Sztwiertnia
Celem naukowym projektu było wyjaśnienie mechanizmów formowania się mikrostruktury i tekstury tytanu
poddanemu po raz pierwszy osiowo-symetrycznemu wyciskaniu przy nałożeniu cyklicznego skręcania
wywoływanego matrycą (metoda KoBo) [1]. Wykorzystując model symulacyjny oparty na metodzie
elementów skończonych (ściślej przy wykorzystaniu the self-consistent viscoplastic method of grain-topolycrystal scale transition) wyjaśniono mechanizm formowania się tekstury krystalograficznej [2].
Znaleziono eksperymentalne dowody potwierdzające koncepcję wyjaśniającą złożoną, o bimodalnym
rozkładzie wielkości ziarna, mikrostrukturę tytanu po KoBo, np. [3, 4]. Według tej koncepcji materiał
zachowuje się jak ciecz zmieniająca kierunek przepływu bez zmiany lokalnej tekstury [5]. Wykazano, że
KoBo pozwala na odkształcanie tytanu ze zróżnicowanym stopniem rozdrobnienia ziarna oraz jego znaczne
umocnienie. Uzyskuje się mikrostruktury o bimodalnym rozkładzie wielkości ziaren z różnymi udziałami
frakcji nano- i ultradrobnoziarnistej, której udział decyduje o właściwościch mechanicznych. Metodami
takimi jak KoBo można zmodyfikować mikrostrukturę czystego tytanu w kierunku istotnej poprawy
jego wytrzymałości przy jednoczesnym zwiększeniu jego plastyczności, co hamuje powstawanie i
rozprzestrzenianie się pęknięć. Jest to istotne w implantologii oraz wszędzie tam gdzie jest korzystne
zastąpienie stopu przez czysty tytan.
W przypadkach, w których w mikrostrukturze materiału pojawiają się elementy o wymiarach
nanometrycznych, a większe ziarna wykazują złożoną podstrukturę przestrzenna, kątowa rozdzielczość
standardowo stosowanych metod analizy wykorzystująca EBSD/SEM jest za mała. W ramach projektu
rozwinięto software wspierający pomiary w TEM i umożliwiający charakteryzację mikrostruktury w
zakresie nano- oraz ultradrobnokrystalicznym, rys. 1. Oprogramowania KikSpot utworzone w ramach
projektu zapoczątkowało rozwinięcie szeregu programów do analizy obrazów dyfrakcyjnych w TEM [6].
Rys. 1. Przykładowa mikrostruktura czystego technicznie (Grade 2) tytanu po wyciskaniu metodą KoBo
zmierzona przy wykorzystaniu programu KikSpot w TEM. Mapa orientacji krystalograficznych w przekroju
poprzecznym wyciskanego pręta (a); zmiany orientacji liczone względem punktu o najmniejszej wartości
parametru KAM (Kernel Average Misorientation) (b) oraz analiza zmian orientacji w ziarnie 6 - można
zaobserwować lokalne gradienty orientacji (c).
Upowszechnienie wiedzy na temat nietypowych metod intensywnego odkształcenia (SPD od ang. Severe
Plastic Deformation), przy pomocy których można uzyskać półprodukty o wysokich właściwościach
istotnych np. w implantologii medycznej; wyjaśnienie mechanizmów formowania się mikrostruktury w
złożonym schemacie odkształcenia i stworzenie narzędzi softwarowych wspomagających badania
mikroskopowe w skali nanometrycznej ma znaczenie dla społeczeństwa oraz ma istotny wpływ na rozwój
inżynierii materiałowej w zakresie uzyskiwania materiałów o podwyższonych właściwościach.
1. A. Korbel and W. Bochniak, 1998, U.S. Patent 5.737.959, 2000 European Patent 0.711.210.
2. K. Kowalczyk-Gajewska, K.Sztwiertnia, J.Kawałko, K.Wierzbanowski, M.Wronski, K. Frydrych,
S.Stupkiewicz, H.Petryk, Texture evolution in titanium on complex deformation paths: Experiment and
modeling, Materials Science & Engineering A, 2015, 637, 251 –263.
3. K Sztwiertnia, A Morawiec, M Bieda, J Kawałko, Microstructure of titanium deformed by warm extrusion
with forward-backward rotating die, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 63 (2014) 012012.
4. K Sztwiertnia, J Kawalko, M Bieda, M Jaskowski, K Pieła and W Bochniak, Microstructure and texture of
zinc deformed by extrusion with forward-backward rotating die (KoBo), IOP Conf. Series: Materials Science
and Engineering 82 (2015) 012084
5. A. Gusak, M. Danielewski, A. Korbel, W. Bochniak and N. Storozhuk, Elementary model of severe
plastic deformation by KoBo process, Journal of Applied Physics, 2014, 115, 034905-1 034905-5.
6. crystorient.com