Zjawisko pękania jest podstawowym czynnikiem ograniczającym odkształcalność materiałów w procesach przeróbki plastycznej. Poznanie warunków sprzyjających zjawisku pękania w danych warunkach procesu pozwala na wskazanie sposobu skutecznego unikania go. Problem ten ma szczególne znaczenie w analizie procesów bardziej złożonych, np. w jednoczesnym plastycznym kształtowaniu materiałów o różnych właściwościach w celu uzyskania materiału kompozytowego o oczekiwanych cechach.

Postęp technologii i wymagania stawiane nowoczesnym materiałom uzasadniają realizację prac związanych z opracowaniem nie tylko nowoczesnego procesu technologicznego, ale także prac nad usprawnieniem samego procesu projektowania, z wykorzystaniem jego teoretycznego modelowania.

Wymagania stawiane materiałom przez nowoczesną, stale się rozwijającą technikę nie mogą być już w wielu przypadkach zaspokajane prze istniejące tradycyjne materiały konstrukcyjne, nawet po zastosowaniu w stosunku do nich wielu zabiegów ulepszających, podnoszących ich właściwości mechaniczne. Ostatnie lata przyniosły rozwój nowej grupy materiałów, w tym materiałów kompozytowych, które powszechnie uważa się za materiały przyszłości. Możliwości łączenia ze sobą materiałów o bardzo zróżnicowanych charakterystykach mechanicznych i różnorodnych formach geometrycznych stwarza olbrzymie możliwości w dziedzinie projektowania i tworzenia nowych materiałów o ciekawych, określonych z góry właściwościach. Ważnym rodzajem wśród wyrobów kompozytowych są kompozyty warstwowe typu rdzeń – powłoka oraz typu „sandwicz”. Jednym ze sposobów uzyskiwania wymienionych materiałów kompozytowych jest technologia przeróbki plastycznej, a w szczególności proces wyciskania.

Proces wyciskania materiałów kompozytowych, takich jak pręty czy druty, o układzie rdzeń – powłoka wymusza konieczność poszukiwania możliwości odpowiedniego prognozowania zjawiska pękania rdzenia czy powłoki na etapie projektowania procesu, w celu uniknięcia go w procesie rzeczywistym. W procesie jednoznacznego kształtowania materiałów o różnych właściwościach ma się do czynienia ze zróżnicowanym odkształceniem składników, czego nie da się w całości zniwelować doborem parametrów procesu przy dłużej różnicy cech składników. To zróżnicowanie powoduje, że zupełne wyrównanie prędkości wypływu warstw materiału jest w zasadzie niemożliwe. Różnica prędkości cząstek w poszczególnych warstwach jest jedną z głównych przyczyn możliwych wad wyrobów. Możliwość jednoczesnego odkształcenia różnych materiałów zależy od wielu czynników, a głównie: od aranżacji geometrycznej składników a materiale wsadowym, udziału objętościowego, stosunku właściwości mechanicznych, warunków tarcia, cech narzędzi kształtujących. Uwzględnienie ich wpływu może pozwolić na lepsze przewidywanie efektów wspólnego odkształcenia składników, w tym efektów ograniczających zakres odkształcalności, np. pękania składników.

Metoda elementów skończonych jest obecnie jedną z ważniejszych metod stosowanych w modelowaniu procesów przeróbki plastycznej. W najprostszym przypadku analizę numeryczną procesu można przeprowadzić, wprowadzając tylko wartości naprężenia uplastyczniającego. Jednak bardzo często jest to niewystarczające. Pełne modelowanie jest możliwe tylko wtedy, gdy da się na tym etapie przewidzieć warunki i miejsce ewentualnego pękania, czy wstępowania innych zjawisk negatywnych (rozwarstwienie, nierównomierność rdzenia bądź powłoki). Istotnym problem jest wskazanie skutecznej metody przewidywania zjawiska pękania w tak skomplikowanych procesach przeróbki plastycznej, by możliwe było skuteczne określenie ewentualności zajścia tego zjawiska bez wykonywania szeregu kosztownych eksperymentów w trakcie projektowania zaawansowanych wyrobów. Dużą pomoc stanowią programy obliczeniowe oparte np. na MES, dające możliwość implementowania nowych procedur, co może wpłynąć na znaczne przyspieszenie etapu projektowania.

Celem niniejszej pracy jest przedstawienie możliwości stosowania rozwiązań w zakresie przewidywania plastycznego rozdzielenia oraz obszaru możliwości ich zastosowania w odniesieniu do procesu wyciskania materiałów złożonych.

Spis treści

1. Teoretyczne podstawy zagadnienia

   1. Metaliczne materiały kompozytowe

   2. Jednoczesne odkształcenie plastyczne metalicznych kompozytów warstwowych

   3. Stopień odkształcenia kompozytu

   4. Wady wyrobów wyciskanych. Zjawiska ograniczające w procesie wyciskania

   5. Cech szczególne jednoczesnego odkształcenia materiałów złożonych

   6. Pękania

      1. Wprowadzenie

      2. Powstawanie przełomu

      3. Zjawisko pękania w wyciskaniu kompozytów rdzeń – powłoka

      4. Kryteria pękania

      5. Metody wyznaczania odkształcania pękania

      6. Rozdzielenie bez powstania złomu

2. Analiza stanu zagadnienia

3. Badania własne

   1. Cel badań własnych

   2. Program badań

   3. Badania eksperymentalne procesu wyciskania w kierunku identyfikacji zjawiska pękania

      1. Wprowadzenie

      2. Stanowisko badawcze do realizacji badań eksperymentalnych procesu wyciskania materiałów złożonych. Warunki realizacji badań

      3. Materiały użyte w badaniach

      4. Próbki do badań – seria I

      5. Próbki do badań - seria II

      6. Próbki do badań – próbki III

      7. Wyniki badań eksperymentalnych serii I. Identyfikacja charakteru płynięcia materiału złożonego i zjawiska pękania

      8. Wyniki badań eksperymentalnych serii II

      9. Wyniki badań eksperymentalnych serii III. Wyznaczanie stałych w kryteriach pękania

   4. Badania teoretyczne MES

      1. Wprowadzenie

      2. Symulacja procesu wyciskania materiałów złożonych z możliwością przewidywania zjawiska pękania

         1. Warunki brzegowe

         2. Geometria modelu

         3. Procedury do obliczania wartości kryteriów pękania w modelowaniu MES

      3. Wyniki modelowania procesu wyciskania materiałów złożonych

4. Analiza wyników

5. Wnioski