Z przyjemnością informujemy, że w dniu 29 lutego 2024 roku Rada Naukowa IPPT PAN nadała Sandrze Musiał z Zakładu Mechaniki Materiałów IPPT PAN stopień doktora w dziedzinie nauk inżynieryjno-technicznych, w dyscyplinie inżynieria materiałowa. Rada Naukowa wyróżniła jej rozprawę doktorską.
Tytuł rozprawy brzmi „Analiza procesu przemiany energii podczas deformacji plastycznej materiałów polikrystalicznych”. Promotorem pracy jest prof. dr hab. inż. Wiera Oliferuk, IPPT PAN oraz promotorem pomocniczym - dr inż. Michał Maj, IPPT PAN.
Recenzentami byli: prof. dr hab. inż. Marek Faryna (na zdjęciu), Instytut Metalurgii i Inżynierii Materiałowej PAN, dr hab. inż. Magdalena Jabłońska, prof. Politechniki Śląskiej (na zdjęciu), prof. dr hab. inż. Jarosław Mizera, Politechnika Warszawska.
Rozprawa doktorska Sandry Musiał dotyczy analizy procesu przemiany energii podczas deformacji materiałów krystalicznych. W procesie deformacji plastycznej część energii mechanicznej dostarczanej do deformowanego materiału magazynuje się w tym materiale, zwiększając jego energię wewnętrzną, a reszta ulega rozproszeniu w postaci ciepła. Miarą przemiany energii w danej chwili procesu deformacji jest parametr nazywany zdolnością magazynowania energii, definiowany jako stosunek przyrostu energii zmagazynowanej do przyrostu pracy odkształcenia plastycznego.
W rozprawie opracowano eksperymentalną metodykę wyznaczania powierzchniowych rozkładów składników bilansu energii, tj. pracy odkształcenia plastycznego oraz energii dyssypowanej w postaci ciepła w całym zakresie sprężysto-plastycznej deformacji, wykorzystując eksperymentalnie wyznaczone pola przemieszczenia i temperatury na powierzchni próbki (za pomocą metod korelacji obrazów cyfrowych (Digital Image Correlation DIC) i termografii podczerwieni (Infrared Thermography IRT)) oraz elementy teorii przepływu ciepła i teorii plastyczności. Rozprawa ma przede wszystkim charakter doświadczalny, ale zawiera także obliczeniowe aspekty dotyczące zarówno wyznaczania rozkładu naprężenia, jak i rozkładu źródeł ciepła. Eksperymentalnie wyznaczone pole gradientu przemieszczenia wykorzystano jako dane wejściowe do sprężysto-plastycznego modelu materiału, na podstawie którego uzyskano pole naprężenia i odkształcenia plastycznego, a w rezultacie – pracy odkształcenia plastycznego. Z kolei, pole energii dyssypowanej w postaci ciepła wyznaczono w oparciu o równanie przewodzenia ciepła w stanie nieustalonym, uwzględniając zarówno przepływ ciepła w próbce, jak i wymianę ciepła z otoczeniem. Wykorzystując ewolucję zmierzonego pola temperatury, wyznaczono wszystkie człony równania przewodzenia ciepła, w tym moc źródeł ciepła bez potrzeby rozwiązywania tego równania. Żeby uzyskać źródła ciepła w opisie materialnym (w układzie współrzędnych, w którym wyznaczano pola przemieszczenia), czyli wyrazić składniki bilansu energii w tym samym układzie współrzędnych, opracowano kilkuetapową procedurę obliczeniową. W rozpatrywanym procesie deformacji energia dyssypowana w postaci ciepła jest dominującym, ale nie jedynym składnikiem źródeł ciepła. Dlatego uwzględniono również ciepło efektu piezokalorycznego oraz ciepło tracone do otoczenia na drodze konwekcji i promieniowania.
Opracowaną metodę zastosowano do wyznaczenia pól: pracy odkształcenia plastycznego, energii dyssypowanej w postaci ciepła oraz zdolności magazynowania energii podczas jednoosiowego rozciągania stali austenitycznej 310S. Procesy rozciągania przeprowadzono z różnymi prędkościami odkształcenia. Pokazano, że badana stal nie wykazuje istotnej wrażliwości na prędkość odkształcenia w rozważanym zakresie. Jednakże, wpływ czasu trwania procesu rozciągania na pole temperatury i poszczególne człony w równaniu przewodzenia ciepła był znaczący. Dla najszybszego z badanych procesów dominował człon związany z wzrostem temperatury próbki w czasie, a dla najwolniejszego – człon związany z przewodzeniem ciepła w próbce. Wyznaczono także zależności poszczególnych źródeł ciepła, tj. energii dyssypowanej w postaci ciepła, ciepła przekazanego przez próbkę do otoczenia na skutek konwekcji i promieniowania oraz ciepła efektu piezokalorycznego od czasu procesu deformacji. Pokazano, że czas trwania procesu wpływał znacząco na wymianę ciepła na drodze konwekcji. Udział ciepła odbieranego od próbki w jej wyniku był największy podczas najwolniejszego z badanych procesów. Z kolei wpływ promieniowania w badanym zakresie temperatury był znikomy.
W pracy potwierdzono, że zdolność magazynowania energii nie jest stała podczas deformacji plastycznej. W zaawansowanym stadium deformacji, wartości w obszarze lokalizacji odkształcenia plastycznego gwałtownie spadają i stają się bliskie zeru, a nawet ujemne, co oznacza, że materiał traci zdolność magazynowania energii. Uzyskane wyniki są spójne z wynikami innych prac. Jednakże, w rozprawie wyznaczono, w całym zakresie deformacji plastycznej, powierzchniowe rozkłady zdolności magazynowania energii , co nie było do tej pory obecne w literaturze.
Ponadto, wyznaczono zmianę lokalnej orientacji krystalograficznej podczas jednoosiowego rozciągania badanej stali, za pomocą metody dyfrakcji elektronów wstecznie rozproszonych (Electron Backscatter Diffraction EBSD). Zaobserwowano, że podczas deformacji, w wyniku znacznych obrotów sieci krystalicznej nastąpił rozwój tekstury krystalograficznej w kierunku dwóch głównych składowych. Zgodnie z oczekiwaniem, dla materiału o średniej wartości energii błędu ułożenia EBU, bliźniakowanie mechaniczne było, obok poślizgu dyslokacji, istotnym mikroskopowym mechanizmem odkształcenia plastycznego stali 310S. Zaobserwowano, że początkowa orientacja poszczególnych ziaren miała istotny wpływ na to, który z mechanizmów odkształcenia plastycznego dominował w danym ziarnie. Ponadto, pokazano, że na zaawansowanym etapie deformacji, dochodzi do fragmentacji ziaren zarówno na skutek poślizgu dyslokacji, jak i bliźniakowania. Bliźniaki oddziałują z innymi elementami mikrostruktury, co prowadzi do osiągnięcia finalnej tekstury krystalograficznej. W obszarze, w którym zdolność magazynowania energii jest ujemna, zaobserwowano bardzo drobną strukturę lamelową, złożoną z naprzemiennych warstw bliźniak-osnowa. Na podstawie licznych obserwacji mikrostruktury i rozważań teoretycznych obecnych w literaturze, stwierdzono, że struktura lamelowa występująca w całym obszarze, w którym , stwarza dogodne warunki do propagacji zarówno mikropasm, jak i makroskopowych pasm ścinania. Jednakże, potwierdzenie obecności pasm ścinania oraz mogącego zachodzić w ich otoczeniu mechanizmu rekrystalizacji dynamicznej, której makroskopową manifestacją jest uwalnianie części energii zmagazynowanej w materiale, wymaga dalszych badań.
