Wieloskalowa analiza mechanizmów umocnienia w materiałach
wielowarstwowych wytworzonych z wykorzystaniem przeróbki plastycznej
W pracy poddano ocenie działanie mechanizmów umocnienia w materiałach wielowarstwowych wytworzonych na drodze przeróbki plastycznej. Dyskusja działających mechanizmów umocnienia przeprowadzona została w skali makro reprezentowanej przez globalne własności mechaniczne analizowanych materiałów wielowarstwowych oraz w skali mikro jako efekty zmian mikrostrukturalnych wynikające z wytworzenia struktury wielowarstwowej. W części teoretycznej pracy przeprowadzona została analiza istniejących rozwiązań teoretycznych, które pozwalają na charakterystykę zachowania się materiałów wielowarstwowych w trakcie odkształcania. Skupiono się na określeniu decydujących czynników wpływających na wzrost własności mechanicznych. W przeprowadzonej analizie literaturowej przedstawione zostały różne techniki wytwarzania materiałów wielowarstwowych. Analizie poddano różne rodzaje materiałów wielowarstwowych w tym materiały niejednorodne oraz bimodalne strukturalnie. Omówione zostały sposoby wytwarzania struktur wielowarstwowych oraz zmiany mikrostrukturalne wynikające z procesu ich wytwarzania. Na podstawie dostępnych źródeł literaturowych zostały poddane analizie techniki wytwarzania materiałów niejednorodnych i wielowarstwowych oraz występujących w nich mechanizmów umocnienia. W części doświadczalnej pracy skupiono się na zaprojektowaniu różnych układów wielowarstwowych, niejednorodnych oraz bimodalnych strukturalnie. Do wytworzenia struktur wielowarstwowych wykorzystano procesy spajania wybuchem, procesy z silną akumulacją energii odkształcenia w procesie ciągnienia, umocnienie odkształceniem powierzchniowym oraz procesy ściskania pakietowego. Podstawowymi materiałami badawczymi były stale z mikrododatkami stopowymi na osnowie austenitu i ferrytu. Zastosowanie do badań materiałów o różnych charakterystykach sieci krystalicznej pozwoliło na ocenę skuteczności zastosowanych technik wytwarzania materiałów wielowarstwowych oraz umożliwiło analizę roli poszczególnych mechanizmówumocnienia w kształtowaniu własności mechanicznych i właściwości badanych materiałów. Szczegółowej dyskusji poddane zostały mechanizmy umocnienia od granic ziaren, od podstruktury dyslokacyjnej, wydzieleniowe, roztworowe oraz umocnienie odkształceniowe. Otrzymane wyniki badań pozwoliły na opracowanie związków pomiędzy parametrami zastosowanych technik wytwarzania materiałów wielowarstwowych, mikrostrukturą oraz własnościami mechanicznymi. Wykazano, że materiały wielowarstwowe, których cechą charakterystyczną jest wzrost umocnienia uzyskany w wyniku oddziaływania różnych sposobów odkształcania stanowią atrakcyjną alternatywę dla wielu materiałów konstrukcyjnych, zwłaszcza gdy poddawane są one obciążeniom dynamicznym.
In the thesis, the influence of strengthening mechanisms in the multilayered materials obtained by the plastic deformation processes, was discussed. The effect of the strengthening mechanisms was analysed at the macro scale, as the mechanical properties of the multilayered materials, and at the micro scale, as the changes in the microstructure characteristics resulting from developing a multi-layered structure. In the theoretical part of the thesis, analysis of the theoretical solutions of the behaviour of the multilayered materials during deformation processes was performed. Determination of main factors of increased mechanical properties was a major aspect taken into the consideration. Manufacturing techniques of the multilayered materials, including inhomogeneous and structurally bimodal materials, as well as their effects on the microstructure development, were presented. Furthermore, the strengthening mechanisms, which are crucial in the enhancement of the mechanical properties of multilayered materials, were discussed. The research part of the thesis was focused on designing multi-layered, inhomogeneous and bimodal materials. Multilayered structures were produced by explosive welding, also by using severe plastic deformation effects in drawing process, as well as by surface mechanical treatment and constrained compression process. The basic materials used in the work were microalloyed steels of the austenitic and ferritic structure. Application of different crystallographic structures allowed to assess the effectiveness of applied manufacturing techniques and to analyze the role of particular strengthening mechanisms in the enhancement of the properties of discussed materials. Detailed attention was given to grain boundary strengthening, dislocation substructure and precipitation strengthening as well as work hardening mechanisms. The obtained results allowed to develop relations between process parameters applied in the selected manufacturing techniques, microstructure development and mechanical properties. It has been shown that multi-layered materials, which are characterized by high strength, can be an attractive alternative for many construction materials, especially those applied for dynamic loading.
