|
Uwagi o zastosowaniu analizy fraktograficznej i fraktalnej w pracach naukowo-badawczych |
|
|
W literaturze analizowanego zagadnienia można znaleźć wiele prac naukowych, które wykorzystują metody fraktografii ilościowej w badaniach różnych materiałów. Dotyczą one między innymi roli wtrąceń niemetalicznych oraz wpływu temperatury na mechanizm pękania. Metody oceny odporności na pękanie oraz wpływ składników strukturalnych na podstawie ilościowego opisu profili przełomów przedstawiono m.in w rozprawie doktorskiej J.Szala "Podstawy fraktografii ilościowej w zastosowaniu do oceny przełomów tworzyw metalicznych".Innym z przykładów zastosowania metod fraktografii ilościowej było określenie korelacji między KIc, polem powierzchni przełomu i wytrzymałością na zginanie w badaniach węglików spiekanych. Z przeglądu literatury wynika, że teoria fraktali oraz liczne metody analizy fraktalnej znajdują coraz szersze zastosowanie w różnych dziedzinach badań, stwarzając realną szansę na ilościowy opis oraz wyjaśnienie wielu zjawisk i procesów, które trudno było zinterpretować stosując konwencjonalne metody pomiarów. Ukazało się wiele prac, które potwierdzają słuszność założenia, że profil pękniętego materiału ma charakter fraktalny. Wykorzystując wymiar fraktalny próbuje się scharakteryzować geometrię powierzchni przełomu i wiązać jej cechy z odpornością materiału na pękanie. Pierwszym, który podjął się wykorzystania analizy fraktalnej do oceny zależności pomiędzy wymiarem fraktalnym D i odpornością materiału na pękanie jest twórca geometrii fraktalnej Mandelbrot. Stosując zarówno technikę wyspową, jak i konwencjonalne metody cięciwy do badania próbek udarnościowych stali maraging starzonych w zakresie temperatur 300 - 430°C odkrył, że starzenie w różnych temperaturach powoduje zwiększanie wymiaru fraktalnego, gdy udarność maleje. Wydaje się, że powinno być odwrotnie - bardziej rozwinięta powierzchnia (większy wymiar fraktalny) powinna być odzwierciedleniem raczej większej, a nie mniejszej energii w próbie udarności. Także inne badania z zastosowaniem metody wyspowej do otrzymywania wymiaru fraktalnego powierzchni przełomu różnych metalicznych i niemetalicznych materiałów dawały sprzeczne wyniki. W niektórych przypadkach wymiar fraktalny rósł wraz ze wzrostem odporności na pękanie, a w innych malał. Nie zaobserwowano zupełnie żadnych zależności pomiędzy wymiarem fraktalnym D a odpornością na pękanie mierzoną w dynamicznej próbie pękania dla serii stopów tytanu. Analiza wpływu temperatury na mechanizm pękania stali węglowej czy badania stopów aluminium dały podobne wyniki. Może to wynikać z niejednoznaczności dotyczących zastosowania metody pomiaru techniką wyspową. Stosowanie profilometrii do uzyskania wymiaru fraktalnego jest alternatywną techniką pomiaru. Zaobserwowano spadek wymiaru fraktalnego wraz ze wzrostem odporności na pękanie JIc dla próbek ze stali mikrostopowej o zróżnicowanej mikrostrukturze. Z kolei stwierdzono tendencję odwrotną - wzrost wymiaru fraktalnego wraz ze wzrostem odporności na pękanie Jlc stali austenitycznej. Te pozorne sprzeczności w uzyskiwanych wynikach wskazują raczej na to, że należy je rozważać biorąc pod uwagę wiele aspektów dotyczących procesów i mechanizmów pękania. Ma tu zapewne również ogromny wpływ preparatyka otrzymywania profilu przełomu, a przede wszystkim sposób i miejsce jego odtworzenia. Częstym błędem spowodowanym złym odwzorowaniem profilu jest zmiana jego długości wraz ze zmianą kąta pochylenia płaszczyzny szlifu w stosunku do uśrednionej płaszczyzny przełomu. Precyzyjne spełnienie podstawowego warunku w metodzie szlifowania przełomów, prostopadłości płaszczyzny szlifu do płaszczyzny uśrednionej przełomu jest praktycznie nieosiągalne. Podejmowano próbę oszacowania wielkości tego błędu dla przełomu modelowego zbudowanego z półsferoid. Bardzo ważnym zagadnieniem jest problem reprezentatywności analizowanego profilu i jego miejsca odtwarzania. Niejednorodność materiału powoduje zmiany w mechanizmie pękania, a zatem i w wyglądzie powierzchni przełomu. Błędy wynikające z niejednorodności struktury są trudne do oceny, tym bardziej, że sama ocena niejednorodności struktury należy do najtrudniejszych problemów stereologii. Z bardzo dobrym skutkiem zagadnieniem tym zajmował się Roskosz i opracował metodykę wyboru reprezentatywnej długości profilu do badań profilometrycznych. Oceniając powtarzalność wyników oceny morfologii przełomu, dla jednej z próbek ze stali OH17T wykonali poprzez zeszlifowanie kolejnych warstw 5 profili przełomu tej próbki. Oceniając po kilkanaście fragmentów poszczególnych profili i stosując odpowiednie testy statystyczne wykazano, że wartości wskaźników morfologicznych określone na pięciu profilach przełomu tej samej próbki różnią się nieistotnie. Mając odmienne zdanie niektórzy autorzy prac silnie podkreślają, że parametry RL oraz D opisują przede wszystkim profil i nie zawsze charakteryzują w sposób jednoznaczny powierzchnię przełomu. Proponują i analizują metody wyznaczania parametrów, które mają odzwierciedlać powierzchnie przełomów - Rs (współczynnik rozwinięcia pola powierzchni przełomu) i Ds (wymiar fraktalny pola powierzchni przełomu). Dochodzą do ciekawych wniosków, że aby uzyskać wiarygodne wyniki tych parametrów wystarczą trzy płaszczyzny tnące (trzy profile powierzchni przełomu) odpowiednio ułożone w stosunku do makroskopowej płaszczyzny przełomu. Dla tych samych próbek wyznaczano wymiar fraktalny dla profili i dla powierzchni uzyskując różne wartości. Stwierdzono ponadto, że wraz ze wzrostem udarności zwiększały się wartości obu rodzajów wymiaru fraktalnego. Wpływ umiejscowienia płaszczyzn tnących (dostarczających linii profilu) na wyniki profilometryczne w przypadku próbek łamanych metodą Charpy'ego analizowano w pracy Recent developments in quantitative fractography. Wykazano, że topografia przełomów tych próbek zmienia się wraz z odległością analizowanej płaszczyzny od miejsca inicjacji pęknięcia, co miało wpływ na zmniejszanie się wartości parametru Ds.Badania nad określeniem związków pomiędzy właściwościami mechanicznymi żelaza Armco i stali 32HA z wymiarem fraktalnym powierzchni przełomów. Wykazały, że wielkość ziarna badanych próbek wpływa na wymiar fraktalny D przyjmując najmniejszą wartość dla próbki o największym ziarnie (najmniejsza udarność) i największą dla próbki o najdrobniejszym ziarnie (największa udarność). W pracy badano wpływ technik nanoszenia warstw na wartości wymiarów fraktalnych. Z przeglądu literatury wynika, że pomimo opracowania szeregu wyrafinowanych metod badania powierzchni przełomów, z różnych względów wiele parametrów wyznacza się nadal wykorzystując profile przełomów pomimo, że staranne przygotowanie do badań profilu przełomu jest bardzo czasochłonne. Analiza literatury ukazała iż badane zagadnienie dotyczące zastosowania analizy faktograficznej, fraktalnej i multifraktalnej w pracach naukowo-badawczych, zostało opisane w rozprawie doktorskiej S.Stach „Zastosowanie stereometrii powierzchni i analizy multifraktalnej w opisie morfologii przełomu materiałów” Ukazała ona możliwość wykorzystania profilografometrów do ilościowego opisu powierzchni przełomów.
Inżynieria materiałowa dotychczas używała narzędzia jakim jest stereometryczne badanie powierzchni przełomu. W powyższej pracy przedstawiono natomiast inne narzędzi które oparte jest na symulacji numerycznej za pomocą analizy multifraktalnej. W połączeniu tych metod otrzymuje się doskonałe narzędzie do detekcji pęknięć wtórnych i przesłonięć, wykorzystywane do oceny odporności materiałów na pękanie. Czasochłonne metody zastopione zostały sprowadzone do określania szerokości rozstawu widma multifraktalnego badanego profilu. Więcej informacji na ten temat dostępne jest na stronie www mojego promotora.
|