Wyniki wyszukiwania - BazTech

Ograniczanie wyników

Powiadomienia systemowe

Sesja wygasła!

Znaleziono wyników: 1

Liczba wyników na stronie

Wyniki wyszukiwania

Sortuj według:

Ogranicz wyniki do:

Micromechanicsk of contact and interphase layers

Stupkiewicz St.

Prace Instytutu Podstawowych Problemów Techniki PAN

2005

nr 2

3-244

This thesis presents several aspects of micromechanics of interfaces, interface layers, and materials with propagating phase transformation fronts. Two application areas are addressed, namely contact of rough bodies and martensitic microstructures in shape memory alloys. The objective is to develop micromechanical modelling tools suitable for the analysis of this class of problems and also to provide several specific applications motivated by scientific and technological interest. Chapter 1 has an introductory character and outlines the micromechanical point of view adopted in this thesis, as well as the scope and the objectives of the work. Chapter 2 presents selected basic concepts, definitions, and relationships which are frequently referred to throughout the thesis. The interior-exterior decomposition and the compatibility conditions are introduced. Furthermore, elements of homogenization with the spccification for simple laminates, including explicit micro-macro transition relations, are provided as a basis for thc micromechanical analysis of evolving martensitic microstructures. The introduction to homogenization serves also as a reference for the micromechanical analysis of boundary layers carried out in Chapters 4 and 5. The first part of the thesis, Chapters 3, 4, 5, and 6, is concerned with the micromechanics of contact interactions of rough bodies. Chapter 3 is mostly devoted to modelling of evolution of real contact area in metal forming processes. An introductory discussion of thin homogeneous laycrs is also provided and constitutive relations in a mixed form are introduced for elastic, elasto-plastic, and rigid-plastic material models. This formalism is next applied to derive a phenomenological model of real contact area evolution which accounts for the effect of macroscopic plastic deformations on asperity flattening. The phenomena and effects discussed in Section 3.3 constitute one of thc motivations of the subsequent micromechanical analysis of contact boundary layers, which is presented in Chapters 4, 5, and 6. Boundary layers induced by micro-inhomogeneous boundary conditions are studied in Chapter 4. The notion of the macro- and micro-scale is introduced and the method of asymptotic expansions is applied in order to derive the equations of the corresponding macroscopic and microscopic boundary value problems. While contact of rough bodies is the main interest of this part of the thesis, two simpler, but closely related, cases of prescribedv micro-inhomogeneous tractions and displacements are considered in detail, in addition to the case of frictional contact of a rough body with a rigid and smooth obstacle. In Chapter 5, a micromechanical framework is developed for the analysis of the boundary layers discussed in Chapter 4. A special averaging operation is defined, and several properties of the corresponding averages of the boundary layer fields are derived. As an illustration, the framework is applied to analyse the boundary layer induced in an elastic body by a sinusoidal fluctuation of surface traction. The finite element analysis of contact boundary layers, carried out in Chapter 6, concludes the first part of the thesis. Implementation issues are discussed, and two representative asperity interaction problems of asperity ploughing and asperity flattening in elasto-plastic solids are analyzed. In the latter case, a real three-dimensional topography of a sand-blased surface is considered, and experimental verification of the developed finite element model is performed. In the numerical examples, attention is paid to the interaction of the homogeneous macroscopic deformation with the deformation inhomogeneities within the boundary layer, and the related effects of the macroscopic in-plane strain on the macroscopic contact response are studied. Chapter 7, 8, and 9, constituting the second part of the thesis, are concerned with moddeling of martensitic microstructures in shape memory alloys (SMA). Chapter 7 is a brief introduction to the topic. Basic concepts and phenomena are introduced, and the crystallographic theory of martensite is outlined for both the internally twinned and internally faulted martensites. In Chapter 8, micromechanical modelling of evolving laminated microstructures in SMA single crystals is carried out. The martensitic transformation under stress is assumed to proceed by the nucleation and growth of parallel martensitic plates. The corresponding micromechanical model is developed by combining a micro-macro transition scheme with a rateindependent phase transformation criterion based on the local thermodynamic driving force on the phase transormation front. Macroscopic constitutive rate-equations are derived for the case of an evolving rank-one laminate. Finally, the macroscopic pseudoelastic response of single crystals of Cu-based shape memory alloys is studied along with the corresponding evolution of the microstructure, including the effects related to detwinning. A simple model of the stress-induced martensitic transformation in macroscopically adiabatic conditions is also discussed. In the modelling and in the applications, full account is taken for distinct elastic anisotropy of the phases which leads to the redistribution of internal stresses and to the related softening effect during progressive transformation. In Chapter 9, an approach is developed for prediction of the microstructure of stress-induced martensitic plates at the initial instant of transformation. Microstructural parameters and the transformation stress are obtained as a solution of the minimization problem for load multiplier, and the predicted microstructures are, in general, different from those following from the classical crystallographic theory of martensite. The approach is then applied for CuZnAl single crystals undergoing stress-induced cubicto-monoclinic transformation, and the effects of the stacking fault energy, loading direction, and temperature on the predicted microstructures are studied.

Mikromechanika materiałów niejednorodnych pozwala przewidywać ich właściwości makroskopowe na podstawie znanych właściwości, mikrostruktury oraz mechanizmów deformacji w skali mikro. Jest więc atrakcyjnym i efektywnym narzędziem nowoczesnej mechaniki materiałów. Niniejsza rozprawa habilitacyjna jest poświęcona mikromechanicznemu modelowaniu warstw i powierzchni. W mechanice ośrodków ciągłych makroskopową powierzchnię o zerowej grubości można zazwyczaj traktować w skali mikro jako warstwę o grubości niezerowej, charakteryzującą się pewną mikrostrukturą. Celem analizy mikromechanicznej jest wtedy określenie makroskopowych właściwości takiej powierzchni w zależności od jej mikrostruktury i zjawisk zachodzących w skali mikro. W pierwszej części niniejszej rozprawy, w rozdziałach 3-6, powyższe podejście mikromechaniczne wykorzystano do analizy warstw kontaktowych. Mikrostrukturę warstwy kontaktowej tworzą w tym przypadku chropowatość oddziałujących powierzchni i związane z nią niejednorodności deformacji w warstwie wierzchniej . Mikromechanika powierzchni obejmuje również prowadzoną w różnych skalach analizę materiałów, które zawierają powierzchnie (warstwy) międzyfazowe i w których te powierzchnie zasadniczo wpływają na makroskopowe właściwości tych materiałów. Z taką sytuacją mamy do czynienia, na przykład, w materiale podlegającym przemianie fazowej, w której trakcie następuje propagacja frontów przemiany fazowej i związana z nią ewolucja mikrostruktury materiału. Analizie mikromechanicznej i modelowaniu ewolucji warstwowych struktur martenzytycznych, naprężeniowo indukowanych w kryształach stopów z pamięcią kształtu, poświęcona jest druga część niniejszej rozprawy, rozdziały 7-9. Unikalne zachowanie i właściwości tych materiałów, podlegających martenzytycznej przemianie fazowej, wynikają ze zjawisk zachodzących w skali mikro na frontach przemiany fazowej. Podstawowym celem niniejszej pracy jest opracowanie metod mikromechanicznej analizy warstw i powierzchni. Podejście mikromechaniczne jest niezwykle atrakcyjne, gdyż pozwala przewidywać właściwości makroskopowe przy wykorzystaniu znanych i lepiej określonych praw i właściwości w skali mikro. Celem pracy jest również rozwiązanie, z wykorzystaniem opracowanych narzędzi, konkretnych zagadnień z zakresu stosowanej mechaniki materiałów. Zastosowania opisane w pracy dotyczą dwóch obszarów tematycznych (mikromechanika warstw kontaktowych oraz ewolucja mikrostruktur martenzytycznych w stopach z pamięcią kształtu). Choć zjawiska leżące u ich podstaw są zdecydowanie różne, w obu przypadkach zasadniczym elementem, którego nie można pominąć przy próbach modelowania, są powierzchnie i warstwy, a także zjawiska zachodzące w tych warstwach. Wspólne ujęcie obu obszarów zainteresowań w niniejszej rozprawie pozwoliło na poszerzenie zakresu analizowanych konfiguracji (warstwy jednorodne i niejednorodne, warstwy o grubości infinitezymalnej lub skończonej, układy o znanej lub nieznanej mikrostrukturze). Cechą wspólną wszystkich analizowanych przypadków jest również centralna rola warunków zgodności (Rozdział 2.4) w opisie mechaniki warstw i powierzchni. Szczegółowe wnioski płynące z niniejszej pracy podano na końcu każdego rozdziału. Otrzymane wyniki w pełni potwierdzają znane zalety podejścia mikromechanicznego. Zjawiska w skali mikro, które poddaje się analizie w celu opisania zjawisk i wyznaczenia efektywnych właściwości własności skali makro, są zazwyczaj lepiej poznane i łatwiejsze w opisie. Opis mikromechaniczny wymaga też wprowadzania mniejszej liczby parametrów materiałowych, dodatkowo mających jasną interpretację fizyczną. W pracy wskazano również na ograniczenia podejścia mikromechanicznego. Dokładność opisu zależy od dokładności, z jaką jesteśmy w stanie scharakteryzować mikrostrukturę i zachowanie w skali mikro. Ponadto, modelowanie mikromechaniczne w.ymaga często znaczących nakładów obliczeniowych, co wskazuje na potrzebę równoległego rozwijania modeli fenomenologicznych, które w możliwie dużym stopniu powinny korzystać z przesłanek płynących z mikromechaniki. Układ pracy jest następujący. Rozdział 1 stanowi wstęp zawierający motywację, zakres oraz cel badań. Rozdział 2 zawiera te podstawowe (i zazwyczaj dobrze znane) elementy współczesnej mikromechaniki, które są wykorzystane w kolejnych częściach pracy: rozkład symetrycznego tensora na składowe wewnętrzną i zewnętrzną względem wyróżnionej powierzchni; podstawowe elementy teorii homogenizacji; warunki zgodności na powierzchni nieciągłości; równania przejścia mikro-makro dla prostego laminatu dwufazowego. W rozdziałach 3-6 oraz 8-9 zamieszczono oryginalne wyniki badań własnych, częściowo opublikowane w pracach (124, 128-133). Rozdział 7 jest krótkim wprowadzeniem do mikrostruktur martenzytycznych. Rozdział 10 zawiera podsumowanie, wnioski oraz perspektywy dalszych badań.