Výzkumný tým z Fyzikálního ústavu AV ČR a Ústavu termomechaniky AV ČR publikoval v časopise Science studii objasňující mechanismus lokalizované deformace materiálu v tahu. Dráty ze superelastické slitiny NiTi je možné vratně deformovat do 10 procent prodloužení díky martenzitické fázové transformaci vyvolané mechanickým napětím. Deformace však není homogenní, ale lokalizovaná v deformačních pásech šířících se drátem při konstantní tahové síle. Otázky, proč a jak dochází k lokalizované deformaci, dlouhodobě přitahují pozornost jak materiálových vědců, tak inženýrů vyvíjejících technické aplikace slitin NiTi. Nové poznatky se podařilo získat pomocí experimentálních metod 3D rentgenové difrakce a korelace obrazu kombinovaných se simulací jevu pomocí mechanického modelu superelastické deformace a metody konečných prvků. Polykrystalické materiály vystavené mechanickému namáhání se deformují ve většině případů homogenně, což jinak řečeno znamená, že deformace nastává ve všech vzájemně interagujících zrnech polykrystalu víceméně současně a v podobném rozsahu. Ve speciálních případech však deformace probíhá prostřednictvím šíření makroskopických pásů lokalizované deformace, pásů smykové deformace předcházejících lomu nebo dochází ke vzniku krčku, ve kterém tahová deformace zůstává lokalizována až do lomu. O nutné kom binaci materi álov ých věd Jevy lokalizované deformace, proč a jak k nim dochází, vždy přitahovaly pozornost materiálových inženýrů a teoretiků modelujících deformaci materiálů pro jejich praktický význam, například z hlediska tváření či mechanické únavy materiálů. Přestože mikroskopické rysy aktivního deformačního mechanismu a mikrostruktura materiálu určitě hrají podstatnou roli, jsou to jevy makroskopické, řízené zákonitostmi mechaniky kontinua. Proto je k jejich vysvětlení nutná kombinace materiálových věd, mechanických zkoušek a modelování. Klíčem k pokroku v jejich výzkumu je podle mnohých makroskopické rozhraní v materiálu oddělující různě deformované oblasti materiálu táhnoucí se přes tisíce polykrystalických zrn, na němž musí být zachována kontinuita deformujícího se materiálu. Jenže nahlédnout dovnitř zatíženého materiálu je velmi obtížné a po odtížení makroskopické rozhraní buď zmizí, nebo se v jeho okolí zcela změní vnitřní napjatost, což znemožní charakterizaci rozhraní běžnými metalografickými způsoby. Přes velké množství experimentálních i teoretických prací v literatuře zabývající se lokalizací deformace v mnoha případech dodnes nevíme, jak makroskopická rozhraní uvnitř deformujících se materiálů vypadají, stejně jako neznáme napětí a deformace v jednotlivých zrnech na rozhraní. Tým vědců z Fyzikálního ústavu AV ČR a Ústavu termomechaniky AV ČR nedávno publikoval výsledky studie objasňující mechanismus lokalizace deformace v tahově namáhaném superelastickém drátu ze slitiny s tvarovou pamětí NiTi. Pomocí metody 3D rentgenové difrakce (3D-XRD) se jim podařilo určit stavy napjatosti v polykrystalických zrnech mikrometrických rozměrů v okolí čela deformačního pásu v 0,1 mm tenkém drátu (obr. B, C). Tenzory deformace a napětí byly vyhodnoceny v ~15000 austenitických zrnech na čele deformačního pásu (konstantní hodnoty složek tensorů v těžištích zrn). Autoři současně provedli simulace lokalizované superelastické deformace drátu pomocí konstitučního modelu popisujícího termomechanické chování NiTi upraveného zahrnutím tzv. nelokálních, gradientních efektů. Analýzou výsledků, v kombinaci s výsledky měření povrchové deformace metodou DIC se podařilo vytvořit prostorový model čela deformačního pásu tvořený kuželovitou plochu makroskopického rozhraní uvnitř v drátu a s ní spojenými gradienty makroskopické deformace, napětí a fázového složení. Ukázalo se, že před postupujícím čelem pásu dochází k dramatickému přerozdělení vnitřního napětí v drátu tak, že zrna na kuželovité vnitřní ploše vykazují vyšší smyková napětí než ostatní zrna polykrystalu (obr. C). V natahovaném drátu potom tato zrna transformují koordinovaně, zatímco v ostatních zrnech se neděje téměř nic. Čelo deformačního pásu se šíří natahovaným drátem při konstantní vnější síle, ale nominální tahové napětí vypočtené z této síly a průřezu drátu nemá přímý vztah k martenzitické transformaci, jak se doposud v literatuře obecně předpokládalo. Pomocí simulace tahové deformace drátu autoři provedli numerickou rekonstrukci pohybu čela pásu, a tím vysvětlili podstatu lokalizované superelastické deformace v NiTi. Postupujícím přerozdělováním vnitřního napětí v zrnech při tahovém zatěžování se tak podařilo objasnit mezoskopický mechanismus lokalizované deformace NiTi drátů, který po 50 let představoval záhadu v oboru výzkumu martenzitických transformací. Vnitřní napětí v technických materiálech se běžně určují pomocí metody neutronové difrakce s prostorovým rozlišením ~0,1 mm, v případě 3D-XRD metody je rozlišení v oblasti mikrometrů. Za dramatickým zvýšením stojí, vedle možnosti získat difrakční signál z mnohem menšího objemu, odlišný princip určování makroskopického vnitřního napětí z difrakčních dat u metody 3D-XRD, kde se nejprve určí tenzory deformace v jednotlivých zrnech, z nich se při znalosti elastických konstant a orientace mřížky v zrně určí tenzory napětí. Jak roste prostorové rozlišení metod Následně se pomocí průměrování a interpolace vyhodnotí gradienty makroskopického tenzoru napětí v materiálu. Zrna tedy slouží jako speciální voxely pro rekonstrukci kontinuálního napěťového pole v drátu. Prostorové rozlišení metody roste s klesající velikostí polykrystalických zrn. V každém materiálovém bodě se tímto způsobem určí dva různé tenzory napětí – lokální v každém zrně, který má vztah k martenzitické fázové transformaci na úrovni krystalové mřížky a makroskopický na úrovni kontinua, s nímž pracují makroskopické modely deformace materiálů. Oba popisy jsou aproximací reálného napěťového pole v drátu s gradienty napjatosti uvnitř jednotlivých zrn. Protože se vzorek v experimentu otáčí a mikrostruktura, textura a stav napjatosti v zatíženém polykrystalickém materiálu se metodou v představené konfiguraci určují s prostorovým rozlišením, mají v literatuře používané alternativní názvy 3D rentgenová difrakce, 3D rentgenová napěťová tomografie nebo 3D rentgenová mikroskopie rozumné opodstatnění. Ve srovnání s v poslední době velmi populárními 3D zobrazovacími metodami elektronové mikroskopie je třeba zdůraznit, že metody 3D rentgenové mikroskopie jsou nedestruktivní a obecně použitelné k in-situ pozorování vývoje mikrostruktury materiálu v reakci na vnější vlivy. Petr Šittner Pavel Sedmák
