ŠMÍD, M. Současné působení únavy a creepu u Ni superslitin a slitiny TiAl [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství. 2013.
viz. spis
Oponentský posudek na disertační práci Autor práce: Ing. Miroslav Šmíd Název tématu: Současné působení únavy a creepu u Ni superslitiny a slitiny TiAl Školitel: Doc. RNDr. Karel Obrtlík, CSc. Pracoviště: Vysoké učení technické v Brně, FSI Ústav fyziky materiálů akademie věd české republiky Oponent: Prof. Ing. Stanislav Věchet, CSc. Vysoké učení technické v Brně, FSI V předložené disertační práci studoval autor Ing. Miroslav Šmíd mechanické vlastnosti dvou pokročilých konstrukčních materiálů, a to niklové superslitiny Inconel 792-5A a intermetalické slitiny TiAl. Hlavní pozornost byla zaměřena na chování a vlastnosti obou materiálů při cyklickém zatěžování za zvýšených teplot (750 a 800 °C) a dále pak vlivu vložených statických prodlev s tahovým nebo tlakovým předpětím. Téma práce je velmi aktuální, neboť interakce únavového a creepového zatěžování je velmi častou příčinou porušení cyklicky zatěžovaných strojních součástí používaných v teploenergetice, jako jsou např. lopatky plynových a spalovacích turbin. Velmi zajímavou skutečností je i to, že výše uvedená slitina TiAl by mohla v budoucnu nahradit některé Ni superslitiny. Oponovaná disertační práce je rozdělena na část teoretickou (kapitola 2) a praktickou (kapitoly 4 až 6), která obsahuje vlastní zkoušky, výsledky a jejich interpretaci. V úvodní teoretické části (podkapitola 2.1), popsal autor chemické složení niklových superslitin, včetně vlivu legujících prvků na mikrostrukturu, dále pak uvádí chemické složení nejdůležitějších stabilních i metastabilních fází. Uvádí též jejich vliv na mechanické vlastnosti studovaného materiálu. V druhé podkapitole 2.2 je obdobná problematika diskutována u nově zaváděného materiálu TiAl. U tohoto materiálu je též podrobněji popsáno jeho deformační chování. Další část této kapitoly (podkapitola 2.3) je věnována únavě materiálů. Zde autor diskutuje problematiku únavového porušování materiálů se zaměřením na tři klasická stádia únavového procesu (cyklické změkčení - zpevnění, nukleace únavových trhlin, šíření únavových trhlin), dále je pozornost věnována mikromechanismům porušování, které se uplatňují při šíření únavových trhlin, a to jak za pokojové teploty, tak i za zvýšených teplot. V závěrečné části (podkapitola 2.4) je diskutováno chování obou slitin v teplotní oblasti, kde již nastává tečení materiálů, tedy interakce únava-creep. Tuto teoretickou část práce autor vypracoval na základě studia značného množství literárních pramenů (celkem 135 pramenů). V celé kapitole je text doplněn diagramy, tabulkami i fotografiemi, které vhodně dokumentují diskutovanou problematiku. K této části práce mám následující připomínku a dotazy: 1. Práce Hakl, J., Vlasák, T, Lapin J. je citována, sice v pozměněné formě, dvakrát, viz literatura [8] a [92]. Stejné nedopatření je i ve zkrácené verzi doktorské práce, viz literatura [5] a [20]. Zde by bylo vhodné před tiskem tezí provést opravu. 1. Kde se nalézá rozhraní mezi nízkocyklovou a vysokocyklovou oblastí u obou studovaných slitin? 2. Může autor vysvětlit rozdíl mezi Wöhlerovou křivkou a odvozenou Wöhlerovou křivkou, viz str. 33? 3. O jaké materiály se jedná na obr. 2.3.7-1 a 2.3.7-2? V druhé, tj. v praktické části práce (kapitola 4 a 5), se autor nejprve zaměřil na vstupní rozbor chemického složení obou zkoumaných materiálů, které byly vyrobeny různými výrobci (PSB Turbo, Velká Bíteš, a.s., GfE Metalle und Materialien GmbH, Norimberk) a dále na tepelné zpracování, včetně metalografické analýzy struktury. Další část práce je věnována únavovým zkouškám. Tyto zkoušky byly provedeny na pracovišti ÚFM AV Brno na servohydraulickém pulsátoru MTS 810. Experimenty byly provedeny při vysokých teplotách (800 °C u materiálu Inconel 792-5A, 750 °C u slitiny TiAl). Hlavní pozornost byla věnována vlivu prodlev s tahovým nebo tlakovým předpětím na nízkocyklické únavové vlastnosti. Experimenty byly provedeny při zatěžování tahem v režimu řízené celkové deformace, přičemž byly stanoveny křivky cyklického zpevnění-změkčení, cyklické deformační křivky, Basquinovy a Mansonovy-Coffinovy křivky. Při těchto experimentech získal autor mnoho zajímavých a nových výsledků, které značně rozšiřují dosavadní znalosti o únavových vlastnostech zkoumaných materiálů. Některé výsledky mohou být též využity konstruktéry v technické praxi. U vybraných zkušebních vzorků byl dále jednak pozorován vývoj povrchového reliéfu pomocí transmisní elektronové mikroskopie, jednak byla provedena fraktografická analýza na rastrovacím elektronovém mikroskopu, která ukázala, jaké mikromechanismy únavového porušování jsou typické pro studované materiály. I v této části práce je text vhodně doplněn fotografiemi, diagramy, tabulkami i velice pěknými metalografickými a fraktografickýmí snímky, které názorně dokumentují studovanou problematiku. Dotaz k této části práce: 1. Při uvážení vzájemné polohy cyklických deformačních křivek (obr. 5.3-1), Basquinových a Mansonových-Coffinových křivek (obr. 5.4.1-1, 5.4.1-2 ) u materiálu Inconel 792-5A, snižují nebo zvyšují vložené statické prodlevy s tahovým, eventuelně tlakovým předpětím odolnost materiálu vůči cyklickému zatěžování? 2. Potvrdily výsledky této práce možnost uvedenou výše, a to, že slitina TiAl může nahradit některou z Ni superslitin? Pokud ano, pro jaké konstrukční součásti by byla vhodná? 3. Která z uvedených slitin, i s uvážením celkové ekonomické náročnosti a požadavků na speciální výrobní zařízení, je pro použití v praxi vhodnější? Diskuse a závěry V závěru práce (kapitola 6. a 7.) autor jednak diskutuje dosažené výsledky, jednak konstatuje nejdůležitější závěry. Diskuse je vedena na dobré úrovni a jednotlivé závěry jsou vhodně formulovány. Teze disertační práce Teze disertační práce jsou zpracovány na kvalitní úrovni a splňují podmínky stanovené směrnicí rektora. Jsou napsány věcně a poskytují dobrý přehled o nejdůležitějších výsledcích získaných autorem ve zvolené oblasti výzkumu. Celkové shrnutí Na závěr je možno konstatovat, že práce má vysokou odbornou úroveň a přináší celou řadu původních poznatků, zejména o únavových vlastnostech zkoumaných materiálů, které jsou přínosem pro vědu i technickou praxi. Z těchto důvodů a dále vzhledem k tomu, že autor prokázal způsobilost k vědecké práci, doporučuji, aby Ing. Miroslavu Šmídovi byl po úspěšném obhájení udělen titul Ph.D. V Brně dne 27.2. 2013 Prof. Ing. Stanislav Věchet, CSc. Vysoké učení technické v Brně FSI – VUT v Brně Technická 2896/2 616 69 BRNO
Oponentský posudek na disertační práci SOUČASNÉ PŮSOBENÍ ÚNAVY A CREEPU U Ni SUPERSLITIN A SLITINY TiAl Disertant: Ing. Miroslav Šmíd Vysoké učení technické v Brně Fakulta strojního inženýrství Vedoucí práce: doc. RNDr. Karel Obrtlík, CSc. Ústav fyziky materiálů AV ČR v. v. i., Brno Oponent: prof. RNDr. Ludvík Kunz, CSc., Ústav fyziky materiálů AV ČR, v. v. i., Brno Doktorská disertační práce pana ing. Miroslava Šmída je zaměřena na výzkum nízkocyklového únavového chování lité niklové superslitiny IN792-5A při teplotě 800 °C a intermetalické slitiny TiAl-7Nb při teplotě 750 °C. Hlavní náplní práce je porovnání únavových charakteristik odpovídajících cyklickému namáhání v režimu řízené deformace s konstantní rychlostí deformace při spojitém cyklickém namáhání a namáhání s vloženými prodlevami při maximální deformaci v tahu resp. tlaku. Záměrem práce je přispět k hlubšímu poznání mechanismu spolupůsobení únavy a creepu za těchto podmínek namáhání. Téma je aktuální ze dvou důvodů. Součásti vyráběné pro vysokoteplotní aplikace jsou v praxi vystavovány právě spolupůsobení únavy a creepu. Zaručení spolehlivého provozu vyžaduje detailní znalosti chování materiálu za těchto podmínek. Dostupná experimentální data jsou v otevřené literatuře vcelku sporá. Doposud publikované výsledky zdaleka nepokrývají všechny možnosti a kombinace cyklického a statického zatěžování, způsobu zatěžování (řízená deformace či síla), teplot i vysokoteplotních materiálů. V kapitole „Současný stav znalostí“ disertant shrnuje základní poznatky o složení a struktuře niklových slitin a intermetalické slitiny TiAl. V další části dokládá, že se dostatečně detailně obeznámil s obecnými základy problematiky únavového poškození kovových materiálů, změnami struktury v důsledku cyklické plastické deformace, iniciací a šířením únavových trhlin. V kapitole 2.4 shrnuje poznatky o interakci únavy a creepu s tím, že se soustředil na niklové superslitiny a intermetalikum TiAl. Z obsahu této kapitoly je zřejmé, že se disertant dostatečně hluboce seznámil s tématikou, které se ve vlastní práci věnuje a že má dostatečné teoretické vědomosti. Cíle práce jsou uvedeny v kapitole 3. Jsou realistické a jasně formulované v šesti dílčích bodech. Z cílů je patrné, že záměrem výzkumu je jednak získání kvalitních experimentálních dat popisujících chování studovaných materiálů, která mohou být využita inženýrskou praxí a současně získat poznatky, které rozšíří stav znalostí resp. odpoví na otevřené otázky. Oba použité materiály jsou v práci charakterizovány dostatečně detailně. Postačujícím způsobem je také popsáno provedení únavových experimentů. Pro studium strukturních změn byly využity sofistikované přístupy přípravy orientovaných fólií pro transmisní elektronovou mikroskopii a standardně kvalitní rastrovací elektronová mikroskopie. Dosažené experimentální výsledky jsou podrobně a srozumitelně uvedeny v kapitole 5. Disertant charakterizoval mikrostrukturu obou materiálů pomocí rastrovací a transmisní elektronové mikroskopie. Získal poznatky o reakci mikrostruktury na únavové zatěžování bez prodlev a s prodlevami. Kvalita obrázků je vysoká a svědčí o velmi pečlivém přístupu. Pro oba materiály a typy zatížení disertant stanovil křivky cyklického zpevnění/změkčení, cyklické deformační křivky a křivky únavové životnosti. Získal experimentální poznatky o vývoji a průběhu středního napětí při únavových zkouškách a data charakterizují relaxaci napětí. Z práce je zřejmé, že si osvojil a velmi dobře zvládl provádění a vyhodnocování náročných deformačně řízených únavových zkoušek. Experimentální zdatnost prokázal také zvládnutím a cíleným využitím relativně nové metody FIB. Prokázal schopnost spolupráce s dalšími výzkumnými pracovišti a týmy, konkrétně v rámci spolupráce s ÚJF využil metodiku neutronové difrakce pro stanovení podílů fází ve slitině TiAl. Diskuse v rozsahu asi 20ti stran, je logicky rozdělena na dvě části; jedna je věnována superslitině IN792-5A, druhá slitině TiAl. V diskusi disertant konkrétně analyzuje a posuzuje získané výsledky a zařazuje je do rámce současných poznatků. Z diskuse a závěrů plyne, že byly získány nejenom nové experimentální poznatky, ale že byl podán i výklad vlivu prodlev na únavové chování studovaných materiálů. Vzhledem k tomu, že cíle práce byly formulovány zřetelně a konkrétně, srovnání s dosaženými výsledky jasně prokazuje, že cílů práce bylo dosaženo. Disertant uvádí 136 literárních odborných pramenů, ze kterých čerpal a podle názoru oponenta pokrývají dostatečně pole odborného zájmu. Práce jsou vždy řádně citovány. Vlastních publikací uvádí 9. Vzhledem k tomu, že práce přinesla bezpochyby nové a publikovatelné výsledky, očekával bych jejich co nejrychlejší publikaci v kvalitním odborném časopisu. Celkově je předložená disertační práce velmi kvalitní. Představuje dobrý příspěvek k výzkumu chování vysokoteplotních materiálů v podmínkách zatěžování nízkocyklovou únavou a creepem. Přínos práce spočívá ve třech oblastech: 1) v experimentálním stanovení únavových a únavově-creepových charakteristik dvou vysokoteplotních materiálů, 2) ve velmi kvalitním studiu mikrostrukturních změn v důsledku únavového a únavově-creepového vysokoteplotního namáhání a 3) v rozboru vlivu a výkladu napěťových prodlev na deformační mechanismy. Práce je napsána dobře, konsistentně a s přehledem. Nemám k ní žádné závažné dotazy či připomínky. Kvalitu práce nesnižuje několik málo drobností, jako např. nepříliš dobrá kvalita převzatého obr. 2.1.2.-1, gramatický nedostatek na str. 26, 9. ř. zd. nebo překlep na str. 35, 17. ř. zd.). U obhajoby práce bych považoval za dobré, aby se disertant vyjádřil k následujícím otázkám. V případě superslitiny IN792-5A podrobené čisté únavě probíhá lokalizace cyklické plastické deformace do persistentních skluzových pásem. Vzhledem k délce těchto pásem tento proces zřejmě vyžaduje, aby dislokace prosekávaly částice. Při zatěžování s vloženými prodlevami persistentní skluzová pásma pozorována nebyla. To naznačuje, že převážná část cyklické plastické deformace se v případě cyklování s vloženými prodlevami odehrává v kanálech. To je podporováno i pozorováním, že povrchový reliéf je tvořen polem jemných stop kolmých k ose zatěžování. Lze na základě provedeného pozorování mikrostruktury pomocí TEM posoudit stupeň prosekávání a obcházení částic dislokacemi při zatěžování bez prodlev a s prodlevami? Teplota 800 °C je hraniční teplota, při které by už mohl začít probíhat (při vhodném zatěžování) rafting. Případné morfologické změny částic (obou typů) by tak mohly ovlivňovat odezvu superslitiny při vložení prodlev. V práci je na str. 96 uvedeno, že porovnání neodhalilo výrazné změny ve tvaru a rozložení precipitátů. Byly pozorovány nějaké nevýrazné změny? V reálné praxi jsou komponenty zatěžovány často v režimu konstantní síly. Cyklická složka je dána např. kmitáním lopatky a statická centrifugálními silami. Domníváte se, že mezi deformačně řízeným a silově řízeným zatěžováním bude výrazný rozdíl? Hodlá se disertant dále věnovat výzkumu interakce únavy a creepu u vysokoteplotních materiálů a pokud ano, kde vidí z hlediska rozšíření základního poznání slibný prostor. Vyjádření • k aktuálnosti tématu disertační práce: Téma je zcela aktuální. • zda práce splnila cíl: Ano, velmi dobře a kontrolovatelně. • k postupu řešení problému a k výsledkům disertace s uvedením konkrétního přínosu doktoranda: Postup řešení je správný, výsledky jsou nové, původní a publikovatelné. Přínos doktoranda je jednak v získání nových experimentálních poznatků a v jejich interpretaci a zařazení do kontextu současných poznatků v dané oblasti. • k významu pro praxi: Studie byla provedena na materiálu, který je používán ve výrobním podniku a získaná data mají pro výrobce cenu. • k formální úpravě práce a jazykové úrovni. Práce je provedena pečlivě, v dobré úpravě a splňuje náročná kritéria. • k tezím: teze jsou připraveny odpovídajícím způsobem dle požadavku. Závěr Předkládaná práce prokazuje, ze Ing. Miroslav Šmíd je schopen samostatné vědecké práce na velmi dobré úrovni. Disertace splňuje po věcné i formální stránce všechny nároky kladené na doktorské disertace. Proto ji doporučuji k obhajobě. Po jejím úspěšném průběhu doporučuji udělit Ing. Miroslavu Šmídovi akademický titul PhD. Brno, 9. března 2013.
eVSKP id 65202