Co dokładnie dzieje się ze stalą nierdzewną podczas jej odkształceń, jakie zachodzą w temperaturze -269oC? To będzie przedmiotem badań dr inż. Rafała Schmidta – pracownika Katedry Mechaniki Stosowanej i Biomechaniki na Wydziale Mechanicznym Politechniki Krakowskiej. Narodowe Centrum Nauki w ramach konkursu MINIATURA 8 przyznało dr inż. Schmidtowi grant w wysokości blisko 50 tysięcy złotych na realizację projektu badawczego “Analiza wpływu prędkości odkształcenia na plastyczność stali austenitycznych w temperaturach kriogenicznych”. Wnioski z badań mogą pomóc projektować konstrukcje, które będą lepiej się sprawdzały w temperaturach bliskich zera absolutnego.
Celem projektu jest sprawdzenie w jakim zakresie i w jaki sposób prędkość odkształcenia wpływa na zjawiska zachodzące w ekstremalnie niskich temperaturach, co rozwinie zakres możliwości projektowania konstrukcji pracujących w takim środowisku. Takimi konstrukcjami są przykładowo akceleratory cząstek elementarnych, w których wykorzystuje się ciekły hel do chłodzenia magnesów nadprzewodzących. Innym przykładem są urządzenia do rezonansu magnetycznego, w których również znajdują się magnesy nadprzewodzące, aby możliwe było uzyskanie silnego pola magnetycznego.
Projekt polegać będzie na badaniach wpływu prędkości odkształcenia materiałów stosowanych w temperaturach kriogenicznych tj. stali nierdzewnych na zjawiska zachodzące w pobliżu zera absolutnego, a dokładnie na zjawisko nieciągłego płynięcia plastycznego oraz na wywoływaną odkształceniem plastycznym przemianę fazową. Nieciągłe płynięcie plastyczne to zjawisko występujące w materiałach obciążanych w bardzo niskich temperaturach (np. temperatura ciekłego helu -269oC). Polega na tym, że w materiale odkształcanym plastycznie występują nagłe spadki naprężenia przy stałym odkształceniu całkowitym. Zjawisko to występuje cyklicznie i takie spadki się regularnie powtarzają podczas odkształcania.
Przemiana fazowa to kolejne zjawisko, którym podlegają stale nierdzewne w niskich temperaturach. Polega na przebudowie sieci krystalicznej materiału w wyniku odkształceń plastycznych, czyli takich, po których materiał nie powróci do pierwotnego kształtu
– Stale nierdzewne, którymi będę się zajmował mają strukturę austenityczną, która jest paramagnetyczna. Podczas przemiany fazowej powstaje nowa struktura martenzytyczna o innych parametrach, a w przypadku fazy martenzytu α’ posiada właściwości ferromagnetyczne, czyli oddziałuje z polem magnetycznym w którym się znajduje. Zjawisko transformacji fazowej w temperaturach kriogenicznych występuje bardzo intensywnie i wykazuje wyraźną lokalizację – mówi dr inż. Rafał Schmidt.
Metale wytwarzane w sposób konwencjonalny mają strukturę polikrystaliczną, czyli składają się z ziaren. Każde z nich składa się z uporządkowanej sieci atomów zwanej siecią krystaliczną. Transformacja fazowa polega na przebudowie tej sieci co wpływa na parametry materiału.
– Pod wpływem odkształcenia plastycznego atomy w sieci krystalicznej mogą zmienić swoje ułożenie. Tak się dzieje w przypadku stali nierdzewnych, których niektóre fragmenty sieci krystalicznej pod wpływem odkształceń plastycznych ulegają przemianie fazowej z austenitu o sieci regularnie ściennie centrowanej (fcc) na martenzyt o sieci regularnej przestrzennie centrowanej (bcc)– tłumaczy dr inż. Schmidt.
Zjawiska występujące w stalach nierdzewnych mają istotne znaczenie z uwagi na ich zastosowanie w temperaturach kriogenicznych. W większości przypadków takie niskie temperatury jak temperatura ciekłego helu są potrzebne do uzyskania nadprzewodnictwa w celu wytworzenia bardzo silnych pól magnetycznych.
W ramach projektu wykonane zostaną eksperymenty w ciekłym helu, które pozwolą na obserwację tych wszystkich zjawisk. Następnie – na podstawie otrzymanych wyników doświadczalnych i zaobserwowanych mechanizmów zachodzących w materiale – zaproponowany zostanie ich opis przy pomocy modelu matematycznego.
– Należy się spodziewać, że od pewnej prędkości odkształcenia zaniknie zjawisko nieciągłego płynięcia plastycznego oraz że zmiana prędkości odkształcenia wpłynie na charakter poszczególnych seracji – mówi dr inż. Schmidt.
Seracja jest pojedynczym cyklem zjawiska nieciągłego płynięcia plastycznego, pojedynczym nagłym spadkiem naprężenia. Dodatkowo, podczas tego spadku naprężenia znacząco wzrasta temperatura w materiale, w miejscu, gdzie doszło do poślizgu materiału. Zmiana prędkości odkształcenia – co będzie przedmiotem badań podczas realizacji projektu – może spowodować, że spadki naprężenia będą mniejsze, ale będą występować z większą częstotliwością w stosunku do odkształceń plastycznych.
Grant na realizację badań został przyznany dr inż. Rafałowi Schmidtowi 24 lipca 2024 roku. Projekt rozpocznie się wraz z początkiem sierpnia tego roku i potrwa dwanaście miesięcy. Realizowany będzie w Centrum Badawczym – Laboratorium Ekstremalnie Niskich Temperatur Politechniki Krakowskiej. Dr inż. Schmidt był pierwszym wypromowanym doktorem Szkoły Doktorskiej Politechniki Krakowskiej.
Źródło: Politechnika Krakowska
