Pomiary twardości

-98-

Tabela 7 Udziały objętościowe martenzytu α’, hematytu i magnetytu otrzymane dla obszarów pod powierzchniami A1, A2 i B2 metodą BB po 30-minutowej obróbce SMAT i 30-minutowym wyżarzaniu w różnych temperaturach

[158].

Powierzchnia Temperatura, °C Udział objętościowy, %

Martenzyt α’ (w tym faza α) Fe2O3 Fe3O4

A1 ^{550 43 18 2,5} 650 28 20 1 A2 ^{550 44 14 1} 650 47 21 2 B2 ^{550 33 12 1} 650 46 10 2

Udział objętościowy Fe2O3 i Fe3O4 wyniósł odpowiednio 10-20 i 1-2% dla powierzchni płytek wyżarzanych w temperaturach 550 i 650°C (Tabela 7). Po obróbce cieplnej w 700°C udział Fe2O3 i Fe3O4 spadł niemal do zerowego poziomu.

2.1.4.4 Pomiary twardości

W celu wykonania pomiarów twardości na przekroju poprzecznym próbek wykorzystano twardościomierz Vickersa. Wyniki otrzymane po 30-minutowej obróbce SMAT przedstawiono na Rys. 51. Można zauważyć, że średnie wartości twardości dla obszaru nachylonego, znajdującego się pomiędzy strefami WYP i WKL, są najmniejsze, co może wynikać z najniższego udziału objętościowego martenzytu α’ w tym obszarze. Głębokość umocnionej warstwy powierzchniowej jest stosunkowo duża – dochodzi do ok. 300 µm.

-99-

Rys. 51 Rozkład twardości Vickersa na przekrojach poprzecznych próbek pod powierzchniami A1, A2 i A3 po 30-minutowej obróbce SMAT [158].

2.1.4.5 Analiza numeryczna

Modelowanie konwencjonalnego procesu kulowania SP jest skomplikowane ze względu na interakcje zachodzące pomiędzy powierzchnią a dużą ilością kul z nią oddziałujących [108]. Modelowanie kulowania ultradźwiękowego USP jest jeszcze trudniejsze ze względu na różne prędkości kul, a także z powodu losowo skierowanych uderzeń o powierzchnię próbki [75]. Dlatego w modelowaniu procesu USP zazwyczaj przyjmuje się stałą prędkość kul [192,196]. Co więcej, modelowanie oddziaływań dużej liczby uderzeń o powierzchnię wymaga znacznej ilości mocy obliczeniowej i pamięci operacyjnej. W związku z tym w niniejszej pracy przeprowadzono analizę numeryczną pojedynczego uderzenia kuli o powierzchnię materiału.

W celu oszacowania naprężeń powstających podczas uderzenia pojedynczej kuli o powierzchnię próbki opracowano dwuwymiarowy model MES. Rozpatrzono trzy różne przypadki. Pierwszy dotyczy uderzenia kuli o powierzchnię A1 (Rys. 52a). Drugi dotyczy uderzenia kuli o powierzchnię nachyloną pod kątem 45° względem płaszczyzn A1 i A3 (Rys. 52b). Trzeci przypadek rozpatruje uderzenie kuli o powierzchnię A3 (Rys. 52c). Do modelu wprowadzono szczeliny powietrza podobne do tych pojawiających się w trakcie prób doświadczalnych (Rys. 44) podczas obróbki SMAT pomiędzy powierzchnią B1 (oraz B2) a mocowaniem próbki (Rys. 52a, b). Przeciętne prędkości kul w trakcie obróbki USP wynoszą 1 – 20 m/s, w zależności od parametrów procesowych, takich jak częstotliwość drgań, rozmiar kul czy odległość pomiędzy powierzchnią próbki a dnem komory [6]. Dlatego w modelu powinno się również uwzględnić efekty prędkości odkształcenia. W analizie numerycznej wykorzystano empiryczne równanie konstytutywne Johnsona-Cooka w celu uwzględnienia wpływu prędkości odkształcenia na deformację materiału metalicznego [197]:

-100-

𝜎_𝑒𝑞 = [𝐴 + 𝐵 ∙ 𝜀_𝑒𝑞𝑛 ] ∙ [1 + 𝐶 ∙ ln (^{𝜀̇𝑒𝑞}

𝜀̇_𝑒𝑞0^)] (26)

gdzie 𝜎_𝑒𝑞 - intensywność naprężeń, 𝐴 - początkowa granica plastyczności materiału w temperaturze pokojowej, 𝐵 - współczynnik umocnienia, 𝐶 - współczynnik czułości na prędkość odkształcenia, 𝜀_𝑒𝑞 - intensywność odkształcenia plastycznego, 𝜀̇_𝑒𝑞 - intensywność prędkości odkształcenia plastycznego, 𝜀̇_𝑒𝑞0 - referencyjna quasi-statyczna intensywność prędkości odkształcenia, a 𝑛 - wykładnik umocnienia. Ze względu na brak odpowiednich danych dla stali 316L w analizie wykorzystano odpowiadające im parametry dostępne dla podobnego gatunku stali austenitycznej, tj. 304: 𝐴 = 310⁡MPa, 𝐵 = 1000⁡MPa, 𝐶 = 0,07, 𝜀̇_𝑒𝑞0 = 1⁡s−1, 𝑛 = 0,65 [198]. Wartości modułu sprężystości, współczynnika Poissona i gęstości odkształconego materiału przyjęto odpowiednio: 193 GPa, 0,25 i 7758 kg/m3. Do celów analizy założono, że kula uderzająca o powierzchnię materiału jest ciałem sztywnym o średnicy 3 mm, a jej prędkość początkowa wynosi 10 m/s – są to typowe parametry procesu USP [157,199].

Na Rys. 52 przedstawiono otrzymane rozkłady intensywności naprężeń na przekrojach poprzecznych obszarów WYP (Rys. 52a), obszarów nachylonych znajdujących się między WYP i WKL (Rys. 52b) oraz obszarów WKL (Rys. 52c). Mapy konturowe rozkładu naprężeń dla każdego przypadku otrzymano w momencie czasowym t, tj. momencie, w którym w uderzanym przez kulę materiale zaczynają pojawiać się stosunkowo duże naprężenia.

-101-

Rys. 52 Rozkład intensywności naprężeń na przekroju poprzecznym płytek w momencie uderzenia kuli o powierzchnię A1 (a), A2 (b) i A3 (c) [158].

-102-

Modele przedstawione na Rys. 52a i c różnią się tym, że w pierwszym przypadku występuje szczelina powietrza. Naprężenia generowane w materiale w trakcie pojedynczego uderzenia kuli pod kątem 90° do powierzchni są mniejsze, gdy taka szczelina jest obecna. Na Rys. 52a i b szczeliny powietrza występują w obu przypadkach z tą różnicą, że w drugim przypadku kula uderza o powierzchnię nachyloną pod kątem 45° względem powierzchni, pod którymi znajdują się obszary WYP (pod A1) i WKL (pod A3). Porównując przedstawione wyniki można zauważyć, że obliczone naprężenia są nieco mniejsze w obszarze nachylonym w momencie czasowym t niż te obliczone w obszarze WYP. Jednakże obserwuje się znaczną różnicę w otrzymanych wartościach naprężeń po czasie Δt (przyjęty jako równy w obu przypadkach), gdy naprężenia generowane w obszarze nachylonym są znacznie mniejsze.

Z powyższych rozważań wynika, że zarówno obecność szczeliny powietrza obniżającej naprężenia, jak i stosunkowo krótki czas oddziaływania wysokich naprężeń, wynikający z nachylenia powierzchni, mogą przyczynić się do obserwowanego doświadczalnie obniżenia udziału objętościowego martenzytu α’ pod powierzchniami A2 i B2. W procesie USP duża ilość kul uderza o powierzchnię metalu, a uderzenie w obszar nachylony generuje mniejsze naprężenia niż uderzenie w pozostałe części płyty. W związku z tym ogólny rozkład naprężeń w obszarze nachylonym będzie znacząco różnił się od rozkładu obserwowanego w regionach WYP i WKL.

2.1.5 Podsumowanie

W tej części pracy analizowano niejednorodność odkształcenia plastycznego w walcowanej na zimno stali nierdzewnej austenitycznej 316L, poddanej obróbce powierzchniowej SMAT przy uwzględnieniu tekstury powierzchni płytek. Przeprowadzono szczegółową analizę XRD z wykorzystaniem geometrii BB i GIXD, co pozwoliło badać zmiany mikrostruktury na różnych głębokościach pod powierzchnią kulowanego materiału. Obliczono udziały objętościowe martenzytu α’ w różnych obszarach próbek. Zaobserwowano i omówiono następujące różnice w mikrostrukturze w zależności od rozpatrywanego obszaru i czasu trwania obróbki SMAT:

 W badanych obszarach znajdowały się różne ilości martenzytu α’. Regiony nachylone zlokalizowane pod powierzchniami A2 i B2 ogólnie charakteryzowały się mniejszą ilością tej fazy.

-103-

 Wydłużenie czasu trwania obróbki SMAT z 30 do 35 minut spowodowało ok. 40-procentowy wzrost udziału objętościowego martenzytu α’ we wszystkich rozważanych obszarach.

 Analiza numeryczna wykazała, że obecność szczelin powietrza pomiędzy kulowanym materiałem a mocowaniem oraz stosunkowo krótki czas oddziaływania wysokich naprężeń wynikający z nachylenia powierzchni, sprzyjały zredukowaniu naprężeń w materiale w trakcie uderzenia kuli. Mogło to być przyczyną obserwowanego zmniejszenia udziału objętościowego martenzytu α’.

 Wyżarzanie zarówno w temperaturze 550, jak i 650°C spowodowało znaczny wzrost udziału objętościowego fazy martenzytycznej α’.

Niejednorodność odkształcenia plastycznego w stosunkowo cienkich płytach pojawiająca się w trakcie obróbki SMAT może oddziaływać na mechanizmy wiązania płytek w trakcie drugiego etapu metody duplex, wpływając na rozwój mikrostruktury w pobliżu powierzchni granicznych wytwarzanych układów wielowarstwowych. Zrozumienie wpływu niejednorodności odkształcenia na mikrostrukturę jest istotnym krokiem w kierunku wytworzenia wysokiej jakości układu wielowarstwowego.

W tej części badań zastosowano proces USP do wytworzenia materiału ultradrobnoziarnistego, który został wykorzystany w drugim etapie metody duplex – w procesie ściskania pakietowego CC. Następny rozdział opisuje finalną część przeprowadzonych badań, tj. wytworzenie układu wielowarstwowego o strukturze ultradrobnoziarnistej.

-104-