Polskie Towarzystwo Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej Oddział Krakowski

W imieniu Zarządu Krakowskiego Oddziału Polskiego Towarzystwa Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej serdecznie zapraszam na seminarium naukowe, na którym dr inż. Weronika Zwolińska-Faryj wygłosi referat pt. Odpowiedź mechaniczna oraz proces pękania stali austenitycznych w temperaturach kriogenicznych.

Streszczenie

Stale nierdzewne austenityczne są szeroko stosowane w wielu gałęziach przemysłu ze względu na swoje wyjątkowe właściwości mechaniczne i fizyczne. Charakteryzują się unikalnym połączeniem wysokiej wytrzymałości i udarności oraz odporności na zmęczenie i korozję. Jedną z najważniejszych cech tych stali jest ich zdolność do pracy w bardzo szerokim zakresie temperatur. Ta wszechstronność sprawia, że znajdują zastosowanie m.in. w inżynierii kosmicznej, gdzie materiały muszą wytrzymywać ekstremalne wahania temperatury.
Celem niniejszej pracy jest szczegółowe opisanie procesu przemiany fazowej zachodzącej w stalach nierdzewnych austenitycznych oraz zbadanie jej wpływu na proces pękania tych materiałów. Stale austenityczne są materiałami metastabilnymi. W odpowiednich zakresach temperatur, pod wpływem przyłożonego obciążenia zachodzi bezdyfuzyjna przemiana fazowa. Plastyczny austenit przekształca się w bardziej kruchą fazę martenzytyczną.
Początkowo badania przemiany austenit–martenzyt opierały się na stosunkowo prostym mechanizmie Baina, jednak w praktyce ścieżka ta nie zachodzi doświadczalnie. Zamiast tego obserwuje się inne relacje między fazami, takie jak Pitsch, Kurdjumov–Sachs oraz Nishiyama–Wasserman. Odkryto, że te ścieżki przemiany są ciągłe i różnią się od siebie obrotem o określony kąt. Są rozłożone wokół orientacji Baina, tworząc tzw. kręgi Baina. Każda z tych ścieżek deformuje się zgodnie z prawym tensorem rozciągnięcia Baina S^Bain, jednak wymaga również dodatkowego obrotu wokół odpowiedniej osi, który można opisać tensorem obrotu R. Połączenie tych tensorów tworzy gradient deformacji F, który opisuje pełną deformację zachodzącą podczas przemiany austenitu w martenzyt.
Podejście to opracowano w oparciu o niezmienność odpowiednich kierunków lub płaszczyzn dla każdej z relacji. Uwzględnienie macierzy przejścia L pomiędzy układami współrzędnych fazy wyjściowej i końcowej pozwoliło na wyprowadzenie macierzy korespondencji C, która efektywnie opisuje przemianę fazową dla trzech wspomnianych ścieżek. Stwierdzono, że najsilniejsze granice międzyfazowe powstają zgodnie z relacją Pitscha — tworzą się tam bardzo silne wiązania między starą i nową fazą, co utrudnia propagację pęknięcia.
Zależność ta znajduje odzwierciedlenie w badaniach eksperymentalnych. Jedne z nich opisywały zachowanie mechaniczne w próbach jednoosiowego rozciągania oraz dla złożonej ścieżki obciążenia, rozciągania połączonego ze skręcaniem dla próbek wykonanych z austenitycznej stali nierdzewnej AISI 316L. W warunkach ciekłego helu, w obu przypadkach, martenzyt lokuje się najczęściej zgodnie z relacja Pitscha. W niskich temperaturach ruchy atomów są ograniczone, materiał wybiera więc najbardziej korzystna dla siebie ścieżkę transformacji. Udział martenzytu jest bardzo wysoki. Mimo takich warunków materiał nie pęka w sposób kruchy, otrzymany przełom jest ciągliwy. Tworzone są silne granice pomiędzy fazami, najwięcej w relacji Pitscha, które utrudniają drogę pęknięcia i mogą prowadzić do jego wygaszenia. W temperaturze pokojowej natomiast, martenzyt powstaje zgodnie z kręgami Baina z jednakową częstotliwością dla wszystkich dezorientacji, co potwierdza istnienie płynnej zmiany relacji orientacji pomiędzy austenitem, a martenzytem α» udowodnionej analitycznie.
Kolejne badania dotyczyły mechanizmu przerywanego płynięcia plastycznego (ang. intermittent plastic flow) w temperaturze ciekłego helu (4,2 K) dla próbek o standardowej geometrii „dog-bone” również wykonanych ze stali AISI 316L. Materiał poddano jednoosiowej próbie rozciągania, a proces przerywano na kilku etapach obciążenia. Zjawisko przerywanego płynięcia plastycznego obserwowano zarówno w skali makro, jak i mikro.
Odkryto, że miejsca, w których występowały odkształcenia, były skorelowane z obszarami tworzenia się fazy wtórnej. W każdym kolejnym cyklu udział objętościowy fazy martenzytycznej wzrastał dwukrotnie, aż do czwartego cyklu, kiedy osiągnął stały poziom odpowiadający nasyceniu materiału przemianą fazową. Szczegółowe trójwymiarowe charakterystyki pola odkształceń uzyskano na podstawie badań profilometrycznych. Wyniki te zestawiono z analizami EBSD, badaniami synchrotronowymi i ferrytoskopowymi, które wykazały, że każdemu ząbkowi na wykresie siła–odkształcenie towarzyszyły makroskopowe pasma ścinania o określonej orientacji, wynikające z aktywności określonych płaszczyzn w ziarnach austenitu.
Propagacja pasm ścinania była procesem gwałtownym i inicjowała przemianę fazową. Faza martenzytyczna koncentrowała się na granicy makropasm ścinania, blokując tym samym ich dalsze rozprzestrzenianie. Granice powstające pomiędzy fazą pierwotną a wtórną tworzyły się zgodnie z relacją Pitscha niezależnie od etapu obciążenia. Cały proces pozostawiał wyraźne ślady na powierzchni próbki.

Miejsce spotkania: Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
Termin: 12 listopada 2025 r. (środa) o godz. 17.00 w paw. B2, sala 110

Przewodnicząca Krakowskiego Oddziału PTMTS
dr hab. inż. Kinga Nalepka, prof. AGH