Badania układów wielowarstwowych zbudowanych z materiałów
ultradrobnoziarnistych utleniających się powierzchniowo
W ramach niniejszej pracy wytworzono i scharakteryzowano układ wielowarstwowy zbudowany z materiałów ultradrobnoziarnistych utleniających się powierzchniowo. Powstawanie klastrów tlenkowych na powierzchniach granicznych łączonych warstw zakłóca przepływ materiału w ich pobliżu, co prowadzi do tworzenia niejednorodności mikrostruktury w tym rejonie. Niewątpliwie wpływa to na finalne własności takiego wielowarstwowego materiału. Rozwiązanie tego problemu jest obarczone trudnościami, przede wszystkim ze względu na brak dostatecznej wiedzy na temat występujących zjawisk zachodzących w pobliżu powierzchni granicznych łączonych warstw. Formowanie, rozwój i zachowanie zgorzeliny stają się częścią ewolucji mikrostruktury w tego rodzaju wielowarstwowych materiałach. Opracowano modele numeryczne umożliwiające uzyskanie rozkładów naprężeń i odkształceń wokół utleniających się powierzchni granicznych w układach wielowarstwowych wytwarzanych metodą duplex, w której drugim etapem jest walcowanie pakietowe. Do tego celu wykorzystano metodę elementów skończonych i modelowanie wieloskalowe. Zaprezentowano model matematyczny pozwalający przeprowadzić symulację rozdrobnienia ziarna, który powstał w oparciu o połączenie modelu numerycznego wieloskalowego bazującego na metodzie elementów skończonych z modelem numerycznym opartym o metodę frontalnych automatów komórkowych. Następnie przeprowadzono modelowanie procesu ściskania pakietowego w celu wstępnego scharakteryzowania procesu i oceny jego potencjalnych możliwości do wytwarzania układów wielowarstwowych. Kolejnym etapem było wytworzenie materiału o strukturze ultradrobnoziamistej z wykorzystaniem obróbki powierzchniowej i przeprowadzenie analizy jego mikrostruktury. Finalną częścią badań było zastosowanie procesu ściskania pakietowego do połączenia płytek po obróbce powierzchniowej, co pozwoliło wytworzyć układ wielowarstwowy zbudowany z materiałów ultradrobnoziamistych. Otrzymany układ wielowarstwowy został
scharakteryzowany zarówno doświadczalnie, jak i numerycznie. Badania TEM przeprowadzone w rejonie między uformowanymi klastrami tlenkowymi, gdzie doszło do utworzenia wiązania pomiędzy sąsiednimi płytkami wykazały, że ten stosunkowo niewielki obszar charakteryzuje się wysokim stopniem niejednorodności strukturalnej. Mikrografie TEM ujawniły dwie całkowicie odmienne mikrostruktury. Pierwsza charakteryzowała się drobną strukturą pasmową i obecnością fazy martenzytu α’, a druga była reprezentowana przez stosunkowo grubszą strukturę komórkową i pojedynczą fazę austenitu γ. Analiza numeryczna procesu ściskania pakietowego wykazała, że odkształcenia na wewnętrznych powierzchniach granicznych są znacznie wyższe niż odkształcenia na zewnętrznych powierzchniach granicznych. Zjawisko to zostało potwierdzone badaniami mikroskopowymi, które ujawniły obecność popękanej warstwy tlenkowej na wewnętrznych powierzchniach granicznych i obecność ciągłej warstwy zgorzeliny na zewnętrznych powierzchniach granicznych. Przeprowadzone badania dowiodły, że odkształcenie stanowi zasadniczy czynnik mający wpływ na zachowanie warstw tlenkowych, a tym samym na kształtowanie mikrostruktury w ich pobliżu.
Ultrafine-grained multilayered metallic material with oxidised interfaces was obtained by using surface mechanical attrition treatment (SMAT) combined with co-rolling. The formation of oxide clusters at the interfaces of the bonded layers disturbs the material flow in their vicinity, leading to inhomogeneity of the microstructure in this area. This undoubtedly affects the final properties of such multilayered material. The solution to the problem is fraught with difficulties, mainly due to a lack of sufficient knowledge of the phenomena occurring in the vicinity of the interfaces of the bonded layers. The formation and behaviour of oxide scale become part of the evolution of microstructure in such multilayered materials. Several numerical models have been developed and applied to obtain stress and strain distributions around oxidized interfaces in multilayered materials produced by duplex method, based on SMAT and co-rolling at elevated temperatures. For this purpose, the multiscale modelling based on finite element method was used. The numerical tool developed using combination of the multiscale model with the model based on frontal cellular automata method, in order to simulate the grain refinement phenomenon is presented. Next, a numerical model simulating constrained compression process was developed in order to evaluate its potential capabilities for manufacturing multilayered systems. A material with ultrafine-grained structure was produced using SMAT and the analysis of its microstructure was performed. The constrained compression process was applied in the second stage of the duplex method to join the plates after SMAT, which allowed to create a multilayered system made of ultrafine-grained materials. The obtained multilayered structures were studied both experimentally and numerically. Transmission electron microscopy (TEM) studies were performed in areas between the oxide clusters, where successful bonding was established. It was found, that this relatively small regions are characterised by a high degree of structural inhomogeneity. The TEM micrographs revealed two totally different types of microstructures. The first type was characterised by fine band structure with the presence of α'-martensite while the other type of microstructure was coarse cellular structure within a single phase: γ - austenite. The numerical analysis of the CC processing showed that the strains at the
interior interfaces are significantly higher than the strains at the nodes representing the outer ones. The noticed effect corresponds to the microstructural observations confirming the presence of the cracked oxide scale layer on the interior and a continuous oxide layer observed on the exterior interface. The conducted research proved that the strain is an essential factor affecting the behaviour of oxide layers, and thus the formation of the microstructure in their vicinity.
