Co dokładnie dzieje się ze stalą nierdzewną podczas jej odkształceń, jakie zachodzą w temperaturze -269 stopni Celsjusza – zbada to naukowiec z Politechniki Krakowskiej. Wyniki jego prac mogą pomóc projektować konstrukcje, które będą lepiej się sprawdzały w temperaturach bliskich zera absolutnego.
Celem projektu realizowanego w Katedrze Mechaniki Stosowanej i Biomechaniki na Wydziale Mechanicznym Politechniki Krakowskiej jest sprawdzenie, w jakim zakresie i w jaki sposób prędkość odkształcenia wpływa na zjawiska zachodzące w ekstremalnie niskich temperaturach. Pozwoli to poszerzyć wachlarz możliwości projektowania konstrukcji pracujących w takim środowisku. To m.in. 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 -269 stopni Celsjusza). Polega na tym, że w materiale odkształcanym plastycznie występują nagłe spadki naprężenia przy stałym odkształceniu całkowitym. Zjawisko to występuje cyklicznie i takie spadki powtarzają się regularnie 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 – tłumaczy dr inż. Rafał Schmidt z Politechniki Krakowskiej.
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 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) – dodaje 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 – przewiduje dr inż. Schmidt.
Wyjaśnia, że 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 – może spowodować, że spadki naprężenia będą mniejsze, ale będą występować z większą częstotliwością w stosunku do odkształceń plastycznych.
Badania będą prowadzone w ramach grantu MINIATURA. Dr inż. Rafał Schmidt znalazł się na ogłoszonej ostatnio trzeciej liście rankingowej wśród 64 badaczek i badaczy, którzy na badania wstępne, pilotażowe, kwerendy, staże naukowe, wyjazdy badawcze i konsultacyjne otrzymali w sumie blisko 2,5 mln zł. Laureaci tego rozdania reprezentują 42 instytucje naukowe, najwięcej: Uniwersytetu Wrocławski (5), Uniwersytet Warszawski (4), Uniwersytet Łódzki (4) i Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu (4).
MK, źródło: PK