ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑΛΛΟΓΝΩΣΙΑΣ. ΚΟΠΩΣΗ ΜΕ ΔΙΑΒΡΩΣΗ ΚΡΑΜΑΤΟΣ Al7075-T651

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑΛΛΟΓΝΩΣΙΑΣ Διπλωματική Εργασία: ΚΟΠΩΣΗ ΜΕ ΔΙΑΒΡΩΣΗ ΚΡΑΜΑΤΟΣ Al7075-T651 ΡΑΓΚΟΥΣΗΣ ΑΝΤΩΝΗΣ ΑΕΜ: 4753 Επιβλέπων: Αναπ. Καθηγητής Ν.ΜΙΧΑΗΛΙΔΗΣ Συνεπιβλέπουσα: Διδάκτορας Φ. ΣΤΕΡΓΙΟΥΔΗ ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ 2013

2 Σελ 2

3 1. Πρόλογος Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ώς σκοπό την μελέτη της συμπεριφοράς δοκιμίων κράματος αλουμινίου σε κόπωση και κόπωση υπό διαβρωτικό περιβάλλον σε απιονισμένο νερό και υδατικό διάλυμα χλωριούχου νατρίου. Ορισμένα από τα δοκίμια χρησιμοποιήθηκαν ώς έχουν, ενώ άλλα υποβλήθηκαν σε επιφανειακές κατεργασίες μικρο-κοκκοβολής και ανοδίωσης. Ολοκληρώνοντας την εργασία αυτή, θα ήθελα να απευθύνω τις θερμές ευχαριστίες μου στον Αναπληρωτή Καθηγητή κ. Ν. Μιχαηλίδη για την ανάθεση της παρούσας εργασίας καθώς και για την καθοδήγηση και τις πολύτιμες συμβουλές που παρείχε καθ όλη την διάρκεια εκπόνησής της. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω τον υπ. Διδάκτορα κ. Δ. Κουντουρά για την βοήθεια σε θέματα ανοδίωσης και την παροχή σχετικού εξοπλισμού, και την Διδάκτορα κ. Φ. Στεργιούδη, χωρίς την διαρκή βοήθεια της οποίας η εκπόνηση της εργασίας αυτής θα ήταν αδύνατη. Θεσσαλονίκη, Νοέμβριος 2013 Σελ 3

4 2. Περίληψη Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε η αντοχή 16 δοκιμίων (C-Rings) κατασκευασμένων από κράμα αλουμινίου 7075-Τ651 σε κόπωση στον αέρα και σε κόπωση σε διαβρωτικό περιβάλλον σε απιονισμένο νερό και υδατικό διάλυμα 3,5% w/v NaCl. Ορισμένα από τα δοκίμια υποβλήθηκαν σε επιφανειακές κατεργασίες μικροκοκκοβολής και ανοδίωσης τύπου ΙΙ θειικού οξέος, σε ιδιοκατασκευή, και μελετήθηκε η μεταβολή της αντοχής τους σε κόπωση και διάβρωση σε σχέση με τα δοκίμια που μελετήθηκαν ώς είχαν. Στα δοκίμια πραγματοποιήθηκε εξέταση της περιοχής θραύσης με στερεοσκόπιο και της μικροδομής του υλικού με οπτικό μικροσκόπιο και μελετήθηκαν οι διαφορές στην μορφολογία της ρωγμής ανάλογα με τον εκάστοτε συνδυασμό διαβρωτικού περιβάλλοντος και επιφανειακής κατεργασίας στην οποία είχαν υποβληθεί. Παρατηρήθηκε διαφορετικός μηχανισμός ρωγμάτωσης ανάμεσα στην κόπωση και την κόπωση με διάβρωση και σημαντικά γρηγορότερη αστοχία των δοκιμίων σε διαβρωτικό περιβάλλον. Το υδατικό διάλυμα χλωριούχου νατρίου οδήγησε σε αστοχία γρηγορότερα από το απιονισμένο νερό. Η ανοδίωση, ενώ αύξησε την αντοχή σε διάβρωση, μείωσε τον χρόνο ζωής του υλικού λόγω της μεγάλης μείωσης της αντοχής σε κόπωση. Αντίθετα, η μικρο-κοκκοβολή, αυξάνοντας την αντοχή σε κόπωση, αύξησε σημαντικά τον χρόνο ζωής. Το πειραματικό μέρος της εργασίας πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Μεταλλογνωσίας του τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Σελ 4

5 1. Πρόλογος Περίληψη Θεωρητικό Υπόβαθρο Αλουμίνιο και τα κράματά του Δοκίμια τύπου C-Ring Κόπωση Διάβρωση Κόπωση σε διαβρωτικό περιβάλλον Ανοδίωση Μικρο-κοκκοβολή (shot peening) Σκοπός Εργασίας Εξοπλισμός Πειραματική διαδικασία Συνθήκες πειράματος Επεξεργασία δοκιμίων Μικρο-κοκκοβολή Ανοδίωση Πραγματοποίηση δοκιμών Αποτελέσματα Πειραματικά αποτελέσματα Αποτελέσματα στερεοσκοπικής και μικροσκοπικής εξέτασης Ανάλυση αποτελεσμάτων Κόπωση Κόπωση με διάβρωση σε απιονισμένο H 2 O Κόπωση με διάβρωση σε υδατικό διάλυμα NaCl Μικροσκοπική εξέταση Μηχανισμός αστοχίας Συμπεράσματα Βιβλιογραφία Σελ 5

6 3. Θεωρητικό Υπόβαθρο 3.1. Αλουμίνιο και τα κράματά του Το αλουμίνιο, χημικό στοιχείο με σύμβολο Al και ατομικό αριθμό 13, είναι το δεύτερο σε αφθονία μεταλλικό στοιχείο στην Γη. Ανήκει στην κατηγορία των ελαφρών μετάλλων, δηλαδή των μετάλλων των οποίων η πυκνότητα έχει χαμηλές τιμές. Συγκεκριμένα, η πυκνότητα του αλουμινίου είναι 2,7 g/cm 3, περίπου το 1/3 αυτής του χάλυβα (7,83 g/cm 3 ). Από τα τέλη του 19 ου αι., οπότε η μέθοδος Hall- Heroult επέτρεψε την οικονομική παραγωγή του σε μεγάλη κλίμακα, απέκτησε τεράστια σημασία για την βιομηχανία λόγω των ιδιοτήτων του, οι οποίες περιλαμβάνουν χαμηλό βάρος, πολύ καλές μηχανικές ιδιότητες [κυρίως υψηλό ειδικό μέτρο ελαστικότητας (Ε/ρ) και υψηλή ειδική μηχανική αντοχή (σ TS /ρ)], καλή αντοχή σε διάβρωση (ακόμα και σε εχθρικά περιβάλλοντα όπως το θαλασσινό νερό), καλή κατεργασιμότητα, πολύ καλή ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητα και ελκυστική εμφάνιση.[1] Η αντοχή σε διάβρωση οφείλεται στο γεγονός ότι το μέταλλο έχει μεγάλη χημική συγγένεια με το οξυγόνο και αν αφεθεί στον αέρα οξειδώνεται ταχέως δίνοντας ένα λεπτό συνεχές επιφανειακό στρώμα Al 2 O 3, το οποίο είναι αδιαπέραστο από το οξυγόνο και του προσφέρει αντιοξειδωτική προστασία.[2] Το αλουμίνιο χρησιμοποιείται ευρέως όχι μόνο σε καθαρή μορφή, αλλά και σε μορφή κράματος με άλλα στοιχεία. Ο αριθμός των κραμάτων που αναγνωρίζονται είναι εκατοντάδες, και το εύρος των φυσικών και μηχανικών ιδιοτήτων που αυτά παρουσιάζουν είναι εντυπωσιακό.[1] Τα κράματα αυτά χωρίζονται σε δύο κατηγορίες, τα κράματα διαμόρφωσης και τα κράματα χύτευσης. Τα κράματα αυτών των κατηγοριών υποδιαιρούνται στην συνέχεια σε κράματα που μπορούν να υποστούν θερμική κατεργασία και σε κράματα των οποίων η θερμική κατεργασία είναι αδύνατη. Οι ιδιότητες των πρώτων εξαρτώνται από την ακολουθούμενη θερμική κατεργασία, ενώ των δεύτερων από το ποσοστό ενδοτράχυνσης που έχουν υποστεί.[2] Οι κύριες προσθήκες στα κράματα αλουμινίου είναι ο χαλκός, ο σίδηρος, το μαγγάνιο, το μαγνήσιο, το πυρίτιο και ο ψευδάργυρος. Η επίδραση του κάθε κραματικού στοιχείου στις ιδιότητες του αλουμινίου φαίνεται στον πίνακα 3.1.[2] Οι κωδικές ονομασίες των κραμάτων διαμόρφωσης αποτελούνται από δύο μέρη, τα οποία χωρίζονται με παύλα. Το πρώτο μέρος αποτελείται από 4 αριθμούς που υποδηλώνουν το κύριο στοιχείο προσθήκης, τις τροποποιήσεις των ορίων περιεκτικότητας, και τα δύο τελευταία ψηφία προσδιορίζουν την ειδική κατηγορία του κράματος της ομάδας αυτής. Το δεύτερο μέρος αναφέρεται στην θερμική ή μηχανική κατεργασία την οποία έχει υποστεί το κράμα.[2] Σελ 6

7 Πίνακας 3.1: Επίδραση προσθηκών στις ιδιότητες του αλουμινίου [2] Προσθήκη Επίδραση στις ιδιότητες του αλουμινίου Χαλκός Σε ποσοστό ως 12% βελτιώνει την μηχανική αντοχή και την κατεργασιμότητα. Η σκλήρυνση επιτυγχάνεται με κατακρήμνιση Σίδηρος Σε μικρά ποσοστά, βελτίωση της αντοχής και της σκληρότητας και μείωση της πιθανότητας θερμικής ρωγμάτωσης κατά την χύτευση Μαγγάνιο Βελτίωση της ολκιμότητας και σε συνδυασμό με τον σίδηρο, της χυτευσιμότητας Μαγνήσιο Βελτίωση της μηχανικής αντοχής και της αντοχής σε διάβρωση. Σε ποσοστό >6% προκαλεί σκλήρυνση με κατακρήμνιση Πυρίτιο Βελτιώνει κατά πολύ την χυτευσιμότητα και ην αντοχή σε διάβρωση Ψευδάργυρος Μειώνει την χυτευσιμότητα, αλλά σε συνδυασμό με άλλα στοιχεία προσθήκης, βελτιώνει την μηχανική αντοχή Τα κράματα της σειράς 7xxx, τα οποία είναι κράματα με κύριο κραματικό στοιχείο τον ψευδάργυρο(zn) και προσθήκη μαγνησίου(mg) και χαλκού(cu), παρουσιάζουν, μετά από κατάλληλες θερμικές κατεργασίες, τις καλύτερες μηχανικές ιδιότητες από όλα τα κράματα του αλουμινίου. Το ποσοστό του Zn κυμαίνεται από 4%-8% ενώ του Mg από 1% έως 3%. Η επιτυγχανόμενη σκλήρυνση δομής οφείλεται κυρίως στην κατακρήμνιση της ένωσης MgZn 2. Προσθήκη Cu σε ποσοστό μικρότερο του 2% προκαλεί σκλήρυνση λόγω της δημιουργίας στερεού διαλύματος και κατακρήμνισης. Ωστόσο η παρουσία χαλκού μειώνει την εμβαπτότητα, την συγκολλησιμότητα και την δυσθραυστότητα των κραμάτων Al-Mg-Zn. Παρουσία χρωμίου, σε ποσοστό μικρότερο του 0,3% βελτιώνει την αντοχή των κραμάτων σε διάβρωση υπό μηχανική καταπόνηση, ενώ παρουσία ζιρκονίου βελτιώνει την συγκολλησιμότητα.[2] Τα κράματα αυτά υποβάλλονται εύκολα σε θερμικές κατεργασίες λόγω του μεγάλου θερμοκρασιακού εύρους της περιοχής ομογενοποίησής τους, της καλής τους εμβαπτότητας, και των σχετικά χαμηλών θερμοκρασιών γήρανσης, από την θερμοκρασία περιβάλλοντος στους 160 ο C. Τα χαρακτηριστικά των κραμάτων αυτών δεν αλλοιώνονται κατά την συγκόλλησή τους, ωστόσο αυτή παραμένει μέτρια. Το κυριότερο μειονέκτημα των κραμάτων αυτής της σειράς είναι η μειωμένη αντοχή εν θερμώ, έτσι η θερμοκρασία χρήσης τους παραμένει χαμηλή (έως 120 ο C).[2] Τα κράματα της σειράς 7xxx χρησιμοποιούνται, κυρίως, στην κατασκευή δομικών στοιχείων αεροσκαφών και τμημάτων κατασκευών που υφίστανται ισχυρή καταπόνηση, όπου απαιτούνται υψηλή μηχανική αντοχή και αντοχή σε διάβρωση.[2] Σελ 7

8 Το κράμα Al 7075-Τ651, το οποίο χρησιμοποιήθηκε στην πειραματική διαδικασία της παρούσας εργασίας, έχει σύσταση 1.2-2% Cu, % Mg, 0,3% Mn max, 0.4% Si max, 0.5% Fe max, % Cr, % Zn, 0.2% Ti max, 0.05 max άλλα μέταλλα συνολικά, υπόλοιπο Al.[1] Από την στιγμή της έλευσής του στην αγορά την δεκαετία του 1940 καθιερώθηκε ώς πρότυπο στην αεροδιαστημική βιομηχανία. Ήταν το πρώτο κράμα Al-Zn-Mg-Cu με καλή αντοχή σε εργοδιάβρωση λόγω της προσθήκης χρωμίου. Οι θερμικές κατεργασίες Τ7 (υπεργήρανση) γενικά οδηγούν στην καλύτερη συμπεριφορά σε διάβρωση, ενώ η κατεργασίες Τ6 δίνουν καλύτερες μηχανικές ιδιότητες.[3] Το Τ6 στην ονομασία υποδηλώνει την επεξεργασία, συγκεκριμένα θερμική κατεργασία ομογενοποίησης, βαφή και τεχνητή γήρανση στους 120 C.[1,2] Το ΤΧ51 ισχύει ειδικά για πλάκες, για ράβδους και μπάρες που έχουν υποστεί έλαση ή ψυχρή παραμόρφωση, και σε υλικά επεξεργασμένα σε μήτρα ή δακτύλιο, ή δακτυλίους έλασης. Υποδηλώνει ότι τα προϊόντα αυτά δεν λαμβάνουν περαιτέρω ίσιωμα μετά το stretching (τάνυση) το οποίο μειώνει τις εσωτερικές τους τάσεις. Επομένως τα δοκίμια που χρησιμοποιήθηκαν δεν έχουν σημαντικές εσωτερικές τάσεις, αφού παρήχθησαν στο σχήμα ως έχουν. Στον πίνακα 3.2 φαίνονται οι βασικότερες ιδιότητες του κράματος Al 7075-Τ651.[1,4] Πίνακας 3.2: Επίδραση προσθηκών στις ιδιότητες του αλουμινίου [2] Πυκνότητα (20 C) 2.80 g/cm 3 Αντοχή σε εφελκυσμό (24 C) 572 MPa Όριο διαρροής (24 C) 503 MPa Διατμητική αντοχή 331 MPa Σκληρότητα Brinell 150 HB Λόγος Poisson 0,33 Μέτρο ελαστικότητας σε εφελκυσμό 71 GPa Όριο κόπωσης 159 MPa σε 5*10 8 κύκλους Συντελεστής θερμικής διαστολής (25 C) 23,4 μm/m K Θερμοκρασία liquidus 635 C Θερμοκρασία solidus 477 C Ειδική ηλεκτρική αντίσταση 52.2 nω m Θερμική αγωγιμότητα (20 C) 150 W/m K Σελ 8

9 3.2. Δοκίμια τύπου C-Ring Τα δοκίμια που χρησιμοποιούνται στις διαφορετικές πειραματικές διαδικασίες ακολουθούν συγκεκριμένα πρότυπα κατασκευής έτσι ώστε αφενός να δίνουν αποτελέσματα τα οποία μπορούν να συγκριθούν μεταξύ τους και αφετέρου οι δοκιμές να μπορούν να επαναληφθούν με ευκολία. Στην συγκεκριμένη πειραματική διαδικασία, χρησιμοποιήθηκαν δοκίμια σχήματος C (C-Rings) κατασκευασμένα σύμφωνα με το πρότυπο της ASTM G Τα C-Rings είναι ευέλικτα, οικονομικά δοκίμια για τον ποσοτικό προσδιορισμό της ευαισθησίας σε εργοδιάβρωση όλων των τύπων κραμάτων. Κατασκευάζονται από υλικά με τέτοιο προσανατολισμό και από τέτοια περιοχή έτσι ώστε να αντιπροσωπεύουν ικανοποιητικά το υλικό προς εξέταση. Αν εξετάζονται περιοχές με κόκκους με συγκεκριμένη κατεύθυνση, θα πρέπει τα C-Rings να είναι κατασκευασμένα έτσι, ώστε η διεύθυνση της κύριας τάσης (παράλληλα στον κοχλία εφαρμογής τάσης) να είναι και η διεύθυνση με την ελάχιστη αντοχή σε εργοδιάβρωση.[5] Η συνηθέστερη μέθοδος φόρτισης είναι μέσω σταθερής παραμόρφωσης (με χρήση κοχλία και περικοχλίου) με εφελκυστικές τάσεις να ασκούνται στο εξωτερικό του δαχτυλιδιού. Τα δοκίμια όμως μπορούν να υποβληθούν και σε σταθερό φορτίο (με χρήση κοχλία, περικοχλίου και ελατηρίου), ή σε σταθερή παραμόρφωση με τις εφελκυστικές τάσεις στο εσωτερικό του δαχτυλιδιού. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν δοκίμια με ή χωρίς εγκοπή στο σημείο μέγιστης τάσης (εικόνα 3.3).[5] Εικόνα 3.3: Δοκίμια τύπου C και οι διάφοροι δυνατοί τρόποι φόρτισης τους. Η μορφή τους είναι τέτοια ώστε οι τάσεις να μην είναι ομοιόμορφες. Αρχικά, υπάρχει κλίση τάσεων κατά μήκος του πάχους, με τις μέγιστες εφελκυστικές τάσεις στην εξωτερική πλευρά και τις μέγιστες θλιπτικές στην εσωτερική. Επίσης, η τάση μεταβάλλεται από μηδέν στις οπές συγκράτησης έως την μέγιστη τιμή της, η οποία είναι και η ονομαστική τιμή, στην ευθεία που βρίσκεται στην μέγιστη απόσταση από αυτές. Τέλος, η τάση μπορεί να διαφέρει και πάνω στην συγκεκριμένη ευθεία, Σελ 9

10 ανάλογα με τις διαστάσεις του C-Ring. Γενικά, οι μέγιστες εφελκυστικές τάσεις βρίσκονται στα άκρα της εξωτερικής επιφάνειας όταν η φόρτιση είναι όπως στο σχήμα (α) της εικόνας 3.3.[5] Κατά την κατασκευή των δοκιμίων από συμπαγές υλικό, πρέπει να παρθούν προληπτικά μέτρα για την αποφυγή πρακτικών που υπερθερμαίνουν, παραμορφώνουν πλαστικά, ή αναπτύσσουν εναπομείνουσες τάσεις στην μεταλλική επιφάνεια. Η κατεργασία θα πρέπει να γίνει σε στάδια, έτσι ώστε η τελική κοπή να είναι ένα φινίρισμα 0,7 μm ή καλύτερο. Τα κατάλληλα βήματα κατεργασίας, είδη εργαλείων κ.λπ., εξαρτώνται από το κράμα και την θερμική κατεργασία του δοκιμίου. Κατεργασίες όπως γλύφανση και μηχανική στίλβωση, οι οποίες προκαλούν ροή μετάλλου, θα πρέπει να αποφεύγονται.[5] Μια υψηλής ποιότητας επιφάνεια δοκιμίου είναι η πιο επιθυμητή για δοκιμασίες διάβρωσης. Για την απομάκρυνση τυχόν θερμικά επηρεασμένου στρώματος ή παραμορφώσεων κατά την κατεργασία, μπορούν να χρησιμοποιηθούν χημικοί ή ηλεκτροχημικοί παράγοντες. Θα πρέπει να δοθεί προσοχή έτσι ώστε να μην επιλεγούν υλικά τα οποία θα προσβάλουν επιλεκτικά το υλικό και δεν θα αφήνουν κατάλοιπα στην επιφάνεια. Επίσης θα πρέπει να διατηρηθεί η ακεραιότητα της επιφανείας μετά την τελική προετοιμασία: θα πρέπει να αποφεύγεται ο χειρισμός με γυμνά χέρια ή τραχύς χειρισμός που θα μπορούσε να βλάψει την επιφάνεια.[5] Σελ 10

11 3.3. Κόπωση Κόπωση ονομάζεται η προοδευτική, τοπική, μόνιμη αλλαγή στην δομή ενός υλικού το οποίο υποβάλλεται σε φορτία που προκαλούν εναλλασσόμενες περιοδικές τάσεις σε κάποιο σημείο ή σημεία του που μπορεί να οδηγήσουν σε ρωγμές ή ολική αστοχία μετά από ικανό αριθμό εναλλαγών και για τιμές τάσεων κατά πολύ μικρότερες της αντοχής του σε εφελκυσμό ή ακόμη και του σημείου διαρροής του.[6] Η θραύση τότε επέρχεται χωρίς προηγούμενη παραμόρφωση, παρουσιάζοντας χαρακτηριστική όψη σε δύο ζώνες.[2] Στο σχήμα 3.4 παρουσιάζονται οι διάφοροι τύποι φορτίου που επιφέρουν κόπωση. Κάθε περιοδικό φορτίο αναλύεται σε άθροισμα ημιτονοειδών φορτίων-αρμονικών. Κάθε αρμονική προσδιορίζεται πλήρως από την μεταβολή της καταπόνησης Δ σ, τον λόγο του R και την συχνότητά του f. Ένα τυχαίο φορτίο προσδιορίζεται από μια κατά προσέγγιση συνάρτηση που περιγράφει κατά το δυνατόν πληρέστερα την κίνηση του φορτίου αυτού.[2] Επιπλέον, στο σχήμα 3.5 παρουσιάζονται οι διάφοροι τύποι της κυκλικής φόρτισης.[7] Σχήμα 3.4: Τύποι φορτίου ημιτονοειδούς, περιοδικής, και τυχαίας μεταβολής[7] Σελ 11

12 Σχήμα 3.5: Τύποι κυκλικής φόρτισης [7] Τα χαρακτηριστικά μεγέθη των δοκιμών κόπωσης είναι: Η μέγιστη σ max και η ελάχιστη σ min τάση Το εύρος της καταπόνησης σ α = (σ max - σ min )/2 Η μεταβολή της καταπόνησης Δ σ = σ max - σ min = 2σ α Η μέση τιμή της καταπόνησης (στατική καταπόνηση): σ m = (σ max + σ min )/2 Ο λόγος των καταπονήσεων R= σ min / σ max [2] Ανάλογα με τα χαρακτηριστικά μεγέθη των επιβαλλόμενων φορτίων, οι δοκιμές κόπωσης διακρίνονται σε: Εναλλασσόμενες συμμετρικές, όταν σ m = 0 και R=-1 Ασύμμετρες επαναλαμβανόμενες, όταν 0<σ m < σ α και -1<R<0 ή σ m = σ α και R=0 Κυματοειδείς, όταν σ m > σ α και 0<R<1 [2] Τα δοκίμια που υποβάλλονται σε κυκλική κόπωση, για διάφορα επίπεδα εύρους της καταπόνησης σ α, δίνουν καμπύλες της μορφής σ α =f(n f ) ή σ α =f(logn f ), σχήμα 3.6. Αυτές οι καμπύλες ονομάζονται καμπύλες S-N ή καμπύλες Wöhler. Το N f παριστά τον αριθμό των κύκλων που απαιτείται για την θραύση του δοκιμίου σε δεδομένη τιμή της τάσης.[2] Σελ 12

13 Σχήμα 3.6: Καμπύλη S-N για χάλυβα SAE 4140 έπειτα από εξομάλυνση[7] Σε μία καμπύλη αντοχής σε κόπωση διακρίνονται τρείς ζώνες: Ζώνη ολιγοκυκλικής κόπωσης κατά την οποία διάρκεια ζωής του δοκιμίου είναι σύντομη (N f <10 2 κύκλοι). Πριν την θραύση το δοκίμιο υπόκειται σε σημαντική πλαστική παραμόρφωση. Ζώνη κόπωσης ή περιορισμένης αντοχής. Η θραύση επέρχεται μετά από έναν αριθμό κύκλων, που αυξάνεται καθώς η επιβαλλόμενη τάση ελαττώνεται (102<N f <10 6 κύκλοι). Ζώνη απεριόριστης αντοχής ή ζώνη ασφαλείας. Η θραύση αποκλείεται να συμβεί, υπό το καθεστώς μικρών καταπονήσεων ακόμη και έπειτα από μεγάλο αριθμό κύκλων (N f >10 6 κύκλοι).[2] Για πολλά υλικά, κυρίως στους χάλυβες αλλά και σε κράματα Ti, Mg, μερικά κράματα Al-Mg κ.λπ., παρατηρείται στην καμπύλη Wöhler μία οριζόντια ασυμπτωτική περιοχή, που προσδιορίζει το όριο αντοχής σε κόπωση σ d του υλικού. Σε ένα υλικό που υποβάλλεται σε κυκλική καταπόνηση τιμής μικρότερης του σ d δεν παρατηρείται θραύση από κόπωση (σχήμα 3.7).[2] Το όριο αντοχής σε κόπωση, ωστόσο, δεν είναι δυνατόν να προσδιοριστεί για όλα τα υλικά, όπως π.χ. στους ωστενιτικούς χάλυβες και τα περισσότερα μη σιδηρούχα κράματα. Για τα υλικά αυτά ορίζεται ένα όριο κόπωσης για δεδομένο αριθμό κύκλων. Συνήθως, προσδιορίζεται, συμβατικά, ένα όριο κόπωσης που αντιστοιχεί σε 10 6, 10 7 ή 10 8 κύκλους (σχήμα 3.7).[2] Σελ 13

14 Σχήμα 3.7: Εύρος τάσης (S) συναρτήσει του λογαρίθμου του αριθμού κύκλων φόρτισης (N) για (a) υλικό που παρουσιάζει όριο κόπωσης και (b) υλικό που δεν παρουσιάζει.[7] Η συμπεριφορά σε κόπωση των υλικών εξαρτάται από την ύπαρξη ή μη ρωγμών στο αρχικό υλικό. Συγκεκριμένα: Αν το υλικό δεν είναι προ-ρωγματωμένο και οι τιμές των σ max και σ min βρίσκονται κάτω από την τιμή του ορίου διαρροής σ y, βρισκόμαστε στην ζώνη κόπωσης υψηλού αριθμού κύκλων (high cycle fatigue) στην οποία οι παραμορφώσεις είναι κυρίως ελαστικές. Εδώ ισχύει ο νόμος του Basquin: Δ σ N f^a = C 1, με a και C 1 σταθερές[2] Αν στο μη προ-ρωγματωμένο υλικό έχουμε σ max και σ min μεγαλύτερα από το σ y, βρισκόμαστε στην ζώνη κόπωσης χαμηλού αριθμού κύκλων (low cycle fatigue) στην οποία οι παραμορφώσεις είναι κυρίως πλαστικές. Εδώ ισχύει ο νόμος των Coffin- Manson: Δε pl N f^b = C 2, με b και C 2 σταθερές[2] Στα προ-ρωγματωμένα υλικά, αντίθετα, η μελέτη της θραύσης βασίζεται στην θεωρία του Griffith για ψαθυρή θραύση τύπου Ι. Συγκεκριμένα, έχει προταθεί η σχέση του Paris, η οποία περιγράφει την σχέση που υπάρχει ανάμεσα στην ταχύτητα διάδοσης ρωγμής da/dn, και τον συντελεστή έντασης τάσης Κ(σχήμα3.8): da/dn=cδκ n με C σταθερά του υλικού και2<n<4 Επειδή όμως η τάση μεταβάλλεται, μεταβάλλεται και το Κ(σχήμα 3.8): ΔΚ = Κ max Κ min ΔΚ = Υ (σ max - σ min ) = ΥΔσ [2] Σελ 14

15 Σχήμα 3.8: Πάνω: Διάδοση ρωγμής και μεταβολή του συντελεστή έντασης τάσης Κάτω: Μεταβολή της da/dn ως συνάρτηση της μεταβολής της τιμής του Κ.[7] Ο μακροσκοπικός μηχανισμός της αστοχίας από κόπωση περιλαμβάνει τα ακόλουθα στάδια: 1. Έναρξη ρωγμής. Είναι το στάδιο εκείνο κατά το οποίο αναπτύσσεται λόγω κόπωσης του υλικού κάποιο ελάττωμα, το οποίο θα μπορούσε ενδεχομένως να εξαλειφθεί με κατάλληλη κατεργασία (όπως π.χ. με ανόπτηση, επιφανειακές κατεργασίες κ.λπ.).[2] 2. Ανάπτυξη ρωγμής μέσω των ταινιών ολίσθησης. Περιλαμβάνει την επέκταση της αρχικής ρωγμής μέσω των κρυσταλλογραφικών επιπέδων μέγιστης διατμητικής τάσης (45 ο ). Το στάδιο αυτό καλείται και στάδιο Ι ανάπτυξης της ρωγμής και η ταχύτητα διάδοσης ρωγμής είναι πολύ μικρή (μερικά nm/κύκλο), σε αντίθεση με το στάδιο ΙΙ (μερικά μm/κύκλο). Η επιφάνεια θραύσης του σταδίου Ι έχει το χαρακτηριστικό γνώρισμα, το οτι είναι λεία χωρίς ίχνη πλαστικής παραμόρφωσης.[2] Η ανάπτυξη ρωγμής με αυτόν τον τρόπο παρατηρείται συνήθως σε υλικά τα οποία έχουν υποβληθεί σε φορτίσεις υψηλού αριθμού κύκλων σε χαμηλές φορτίσεις και είναι σχεδόν απούσα σε κόπωση υπό υψηλές φορτίσεις και χαμηλό αριθμό κύκλων. Επίσης, η τάση των ρωγμών να διαδίδονται με το στάδιο Ι εξαρτάται από το υλικό αλλά και το περιβάλλον.[6] Σελ 15

16 3. Ανάπτυξη ρωγμής μέσω των επιπέδων της μέγιστης εφελκυστικής τάσης. Περιλαμβάνει την επέκταση της ρωγμής του προηγούμενου σταδίου κάθετα στον άξονα εφαρμογής της μέγιστης εφελκυστικής τάσης. Καλείται επίσης και στάδιο ΙΙ ανάπτυξης της ρωγμής. Η επιφάνεια θραύσης από κόπωση μετά από το στάδιο ΙΙ παρουσιάζει ραβδώσεις οι οποίες αποτελούν διαδοχικές θέσεις του μετώπου της διαδιδόμενης ρωγμής, κάθετα στην μέγιστη εφελκυστική τάση, και καθεμία δημιουργείται μετά από κάθε κύκλο κόπωσης. Επομένως η μέτρησή τους μπορεί να δώσει με ακρίβεια τη χρονική διάρκεια του σταδίου ΙΙ. Ο μακροσκοπικός μηχανισμός διάδοσης της ρωγμής, ονομάζεται διαδικασία πλαστικής αμβλύνσεως και απεικονίζεται στην εικόνα 3.9.[2] Εικόνα 3.9 Μηχανισμός διάδοσης της ρωγμής από κόπωση κατά το στάδιο ΙΙ[7] 4. Τελικό στάδιο αστοχίας. Συμβαίνει όταν η ρωγμή αποκτήσει επαρκές μήκος, με αποτέλεσμα η διατομή του υλικού να είναι αδύνατο να αντέξει την εφαρμογή του φορτίου. Όταν συμβεί αυτό, η ρωγμή διαδίδεται ακαριαία και το υλικό οδηγείται στην τελική θραύση η οποία εμφανίζεται στην περιοχή αυτή σαν όλκιμη (η επιφάνεια θραύσης παρουσιάζει σημαντική πλαστική παραμόρφωση).[2] Στην περίπτωση των βιομηχανικών κραμάτων, τα οποία περιέχουν συνήθως μικροδιάκενα η/και μικρά εγκλείσματα ξένων στοιχείων, οι ρωγμές αναπτύσσονται λίγο ταχύτερα λόγω της συνένωσης αυτών των ατελειών μεταξύ τους και με τα άκρα των ρωγμών.[2] Τα σημαντικότερα μακροσκοπικά χαρακτηριστικά στην επιφάνεια θραύσης είναι τα σημάδια διάδοσης της ρωγμής, που είναι γνωστά σαν «σημάδια παραλίας» (beachmarks) ή «σημάδια παλίρροιας» (clamshell marks). Σελ 16

17 Οι παράγοντες που επηρεάζουν την διάρκεια ζωής σε κόπωση είναι: Ο τρόπος εφαρμογής και το πλάτος της παραμόρφωσης η συγκέντρωση της επιβαλλόμενης τάσης η οποία τείνει να ελαττώσει την αντοχή στην κόπωση όταν υπάρχουν οπές, απότομες μεταβολές της διατομής κτλ. Το είδος της κρυσταλλικής δομής (μονοκρυσταλλικό ή πολυκρυσταλλικό υλικό) Ο προσανατολισμός του μονοκρυσταλλικού υλικού Το μέγεθος των κόκκων του πολυκρυσταλλικού υλικού Η συχνότητα των κυκλικών μεταβολών Οι επιφανειακές ανωμαλίες. Ανώμαλες επιφάνειες δημιουργούν τοπικές συγκεντρώσεις τάσης και κατ επέκταση ρωγμές Η κατάσταση της επιφάνειας. Κατεργασίες επιφανειακής σκλήρυνσης, όπως π.χ. η εναζώτωση και η ενανθράκωση, προκαλούν αύξηση της αντοχής του μετάλλου δεδομένου ότι οι ρωγμές δημιουργούνται, συνήθως, στην επιφάνεια. Η προηγούμενη κατεργασία Η θερμοκρασία Η παρουσία και δεύτερης φάσης στο υλικό Το περιβάλλον. Το διαβρωτικό περιβάλλον ευνοεί την ανάπτυξη και την διάδοση των ρωγμών. Ο συνδυασμός της διαβρωτικής επίδρασης με την κυκλική καταπόνηση, στα μέταλλα, είναι γνωστός σαν «κόπωση διάβρωσης».[7] Σελ 17

18 3.4. Διάβρωση Ως διάβρωση ορίζουμε την αντίδραση ενός υλικού με το περιβάλλον του, η οποία οδηγεί σε μερική η ολική καταστροφή του υλικού. Όλα τα υλικά υφίστανται κάποιο είδος διάβρωσης στην διάρκεια της χρήσης τους, άλλα σε μεγαλύτερη και άλλα σε μικρότερη έκταση. Αυτό σημάνει οτι η οικονομική επιβάρυνση λόγω της διάβρωσης είναι πολύ μεγάλη, με υπολογισμούς να δείχνουν οτι αντιστοιχεί στο 3-4% του ΑΕΠ για τις ανεπτυγμένες χώρες.[8] Η διάβρωση των μεταλλικών υλικών είναι δύο ειδών: Η υγρή διάβρωση ή απλώς διάβρωση, που πραγματοποιείται σε υδατικό περιβάλλον Η ξηρή διάβρωση ή οξείδωση, που πραγματοποιείται σε ξηρό αέριο περιβάλλον και συνήθως σε υψηλή θερμοκρασία.[2] Η χημεία της διάβρωσης είναι αρκετά σύνθετη, αλλά πρόκειται πάντα για οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις με το μέταλλο που διαβρώνεται να παίρνει μέρος στην αντίδραση οξείδωσης[8]: Μ Μ +n +ne - Και μία ή περισσότερες από τις παρακάτω αναγωγικές αντιδράσεις ανάλογα με τις συνθήκες: Έκλυση υδρογόνου 2Η + + 2e H 2 Αναγωγή οξυγόνου O 2 + 2H 2 O + 4e 4OH - (ουδέτερο ή αλκαλικό διάλυμα) O 2 + 4H + + 4e 2H 2 O (όξινο διάλυμα) Αναγωγή ιόντων Εναπόθεση μετάλλου M +3 + e M +2 M + + e M Η υγρή διάβρωση επηρεάζεται τόσο από περιβαλλοντικούς παράγοντες όσο και από τις ιδιότητες του υλικού. Στους πρώτους περιλαμβάνονται το ph, η οξειδωτική ισχύς (δυναμικό), η θερμοκρασία, η ταχύτητα (ροή υγρού) και η συγκέντρωση των συστατικών του διαλύματος. Στους δεύτερους ανήκουν η κρυσταλλογραφική δομή του υλικού, η ύπαρξη κραματικών στοιχείων, και οι θερμικές κατεργασίες που έχουμε υποβάλλει το υλικό.[10] Σελ 18

19 Οι κυριότεροι τρόποι διάβρωσης είναι: Ομοιόμορφη διάβρωση. Το μέταλλο διαβρώνεται ομοιόμορφα σε όλη του την επιφάνεια, δηλαδή η ταχύτητα διάβρωσης είναι παντού η ίδια.[11] Γαλβανική διάβρωση, η οποία συμβαίνει όταν ένα μέταλλο ή κράμα συνδέεται ηλεκτρικά σε ένα άλλο μέταλλο ή αγώγιμο αμέταλλο στον ίδιο ηλεκτρολύτη. Κατά την γαλβανική ένωση, η διάβρωση του λιγότερο ανθεκτικού μετάλλου αυξάνεται και η επιφάνειά του γίνεται ανοδική, ενώ η διάβρωση του πιο ανθεκτικού μετάλλου ελαττώνεται και η επιφάνειά του γίνεται καθοδική. Η κινητήριος δύναμη για διάβρωση ή ροή ρεύματος είναι το δυναμικό που αναπτύσσεται μεταξύ των ανόμοιων μετάλλων. Η έκταση της επιταχυνόμενης διάβρωσης λόγω γαλβανικής ένωσης επηρεάζεται από την διαφορά δυναμικού μεταξύ των μετάλλων, τις ιδιότητες του περιβάλλοντος, την συμπεριφορά των μετάλλων σε πόλωση και την γεωμετρική σχέση μεταξύ των μετάλλων ή κραμάτων.[10] Σημειακή ή τρηματική διάβρωση (pitting). Η διάβρωση περιορίζεται σε ορισμένα μόνο σημεία, αλλά η ταχύτητά της σε αυτά τα σημεία είναι μεγάλη. Έχει μεγάλη σημασία π.χ. στις σωληνώσεις, οι οποίες μπορεί να αχρηστευτούν επειδή θα ανοίξουν τρύπες σε ορισμένα σημεία, αν και η γενική διάβρωση θα είναι μικρή. Τέτοια σημεία μπορεί να είναι ασυνέχειες σε προστατευτικές καλύψεις.[11] Μεταξύ κρυσταλλιτών (intercrystalline ή intergranular corrosion). Εδώ διαβρώνονται κυρίως οι διαχωριστικές επιφάνειες που όπως ξέρουμε είναι σε πιο ασταθή κατάσταση από τους ίδιους τους κρυσταλλίτες. Η διάβρωση αυτού του είδους δε φαίνεται εκ πρώτης όψεως και γι αυτό είναι και επικίνδυνη. Διευκολύνεται από την παρουσία ξένων ουσιών.[11] Εκλεκτική (selective leaching). Όταν ένα υλικό αποτελείται από διαφορετικά συστατικά, αυτά συνήθως διαβρώνονται και διαφορετικά. Χαρακτηριστικό παράδειγμα η εκλεκτική απομάκρυνση του ψευδαργύρου από ένα κράμα 30%Zn-70%Cu (ορείχαλκος) που έχει ως αποτέλεσμα την αλλαγή του χρώματος από το κιτρινωπό του ορείχαλκου στο κοκκινωπό του χαλκού.[11] Διάβρωση σε σχισμές (crack ή cranny ή crevice corrosion). Ορισμένα υλικά διαβρώνονται ταχύτερα είτε σε περιοχές με μικρορωγμές που προϋπάρχουν στο υλικό είτε σε περιοχές που καλύπτονται από αντικείμενα (γιατί εκεί δημιουργείται διαφορά στη συγκέντρωση τάσεων)[11]. Η αντοχή των διάφορων υλικών σε διάβρωση σχισμής εξαρτάται από τον συνδυασμό υλικού και περιβάλλοντος. Τα υλικά που παθητικοποιούνται, ιδιαίτερα ο ανοξείδωτος χάλυβας, είναι περισσότερο επιρρεπή σε διάβρωση σχισμής απ ότι πιο ενεργά υλικά. Ο μηχανισμός αυτού του τύπου της διάβρωσης είναι η τοπική διαφοροποίηση του περιβάλλοντος σε σχέση με το υπόλοιπο τμήμα, για παράδειγμα στην ύπαρξη κυψελίδων οξυγόνου με διαφορετική περιεκτικότητα. Έτσι στο εσωτερικό της χαραμάδας μπορεί να υπάρχει έλλειψη οξυγόνου στον ηλεκτρολύτη λόγω περιορισμένης ροής, ενώ αντίθετα η υπόλοιπη επιφάνεια Σελ 19

20 βρίσκεται σε επαφή με οξυγόνο και γίνεται καθοδική σε σχέση με την περιοχή της χαραμάδας.[8] Διάβρωση απολέπισης (exfoliation corrosion), αλλιώς γνωστή και σαν φυλλοειδής ή στρωματική διάβρωση, είναι μία μορφή ενδοκρυσταλλικής, συνήθως τοπικής διάβρωσης η οποία εξαρτάται από την δομή του υλικού και είναι πιο συνήθης σε συγκεκριμένα κράματα και θερμικές κατεργασίες αλουμινίου. Σε αυτή την μορφή διάβρωσης, η προσβολή γίνεται εκλεκτικά κατά μήκος συγκεκριμένων οδών παράλληλων στην επιφάνεια. Έτσι στρώματα μη διαβρωμένου μετάλλου ανάμεσα σε αυτές τις οδούς αποκολλώνται και ωθούνται πάνω από την αρχική επιφάνεια από τα ογκώδη προϊόντα διάβρωσης ανάμεσα στις οδούς.[10] Μηχανική διάβρωση (erosion corrosion) είναι η αύξηση του ρυθμού καταστροφής ενός υλικού εξαιτίας της σχετικής κίνησης μεταξύ του διαβρωτικού υγρού και της επιφάνειας του μετάλλου. Η κίνηση αυτή είναι συνήθως αρκετά γρήγορη και περιλαμβάνει μηχανική φθορά. Η μηχανική διάβρωση θεωρείται οτι περιλαμβάνει την επίδραση μικρών σωματιδίων αραιά διασκορπισμένων σε jet υγρού, με την επιφάνεια του υλικού.[8] Σπηλαίωση. Η διάβρωση αυτή είναι μία ειδική μορφή μηχανικής διάβρωσης. Προκαλείται από το σχηματισμό και την καταστροφή φυσαλίδων στο υγρό κοντά στην μεταλλική επιφάνεια. Η εμφάνιση της σπηλαιώδους διάβρωσης μοιάζει με αυτή της τρηματικής εκτός από το γεγονός ότι η επιφάνεια της τρηματικής διάβρωσης είναι τραχιά και τα τρήματα είναι σχετικά κοντά. Ο μηχανισμός της σπηλαιώδους διάβρωσης συνίσταται στο σχηματισμό φυσαλίδας στην επιφάνεια του προστατευτικού φιλμ τού υλικού, στην κατάρρευσή της και την καταστροφή του φιλμ, στην διάβρωσή της νέας επιφάνειας που σχηματίζεται και στον εκ νέου σχηματισμό του επιφανειακού φιλμ. Η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται με το σχηματισμό νέας φυσαλίδας στο ίδιο σημείο και οδηγεί σε βαθιές οπές. Η σπηλαιώδης διάβρωση μπορεί να συμβεί και σε υλικά που δεν εμφανίζουν προστατευτικό φιλμ, με την αποκόλληση μεταλλικών σωματιδίων από την επιφάνεια. Η επιφανειακή τραχύτητα που αναπτύσσεται αποτελεί σημείο πυρήνωσης για καινούργιες φυσαλίδες.[8] Διάβρωση με τριβή. Παρατηρείται σε σημεία επαφής εξαρτημάτων και σε πολύ μικρές σχετικές μετατοπίσεις (της τάξης μεγέθους του μικρομέτρου).επειδή οι επιφάνειες δεν είναι ποτέ τελείως λείες, η επαφή τους πραγματοποιείται στις κορυφές των ανωμαλιών τους. Συνεπώς, η σχετική μετατόπιση των δύο επιφανειών προκαλεί φθορά των άκρων των επιφανειακών ανωμαλιών και θραύση του προστατευτικού στρώματος οξειδίου, γεγονός που επιταχύνει την διάβρωση.[2] Δυναμοδιάβρωση ή εργοδιάβρωση (stress corrosion). Αναφέρεται σε ρωγματώσεις που προκαλούνται από την ταυτόχρονη παρουσία εφελκυστικής τάσης και διαβρωτικού περιβάλλοντος. Στη διάρκεια της δυναμοδιάβρωσης επιφανειακά το υλικό εμφανίζεται ανέπαφο, ενώ λεπτές ρωγμές Σελ 20

21 αναπτύσσονται σε αυτό. Μία ειδική περίπτωση της δυναμοδιάβρωσης η οποία θα αναλυθεί εκτενώς στην συνέχεια είναι η κόπωση σε διαβρωτικό περιβάλλον (corrosion fatigue)[8] Προστασία από την διάβρωση επιτυγχάνεται με διάφορούς τρόπους, οι κυριότεροι εκ των οποίων είναι: Καθοδική προστασία με την επιβολή εξωτερικού ρεύματος, στην οποία χρησιμοποιείται ένα βοηθητικό αδρανές ηλεκτρόδιο συνδεδεμένο σε πηγή συνεχούς ρεύματος έτσι ώστε να λειτουργεί ως άνοδος και το προστατευόμενο μέταλλο συνδέεται έτσι ώστε να λειτουργεί ως κάθοδος.[8] Καθοδική προστασία με την δημιουργία γαλβανικού ζεύγους, στην οποία χρησιμοποιείται ένα υλικό πιο ανοδικό από το υλικό που πρόκειται να προστατευθεί. Τα δύο υλικά έρχονται σε ηλεκτρονική και ηλεκτρολυτική επαφή έτσι ώστε να δημιουργείται γαλβανικό ζεύγος με κάθοδο το υλικό με το πιο ηλεκτροθετικό δυναμικό (προστατευόμενο υλικό) και άνοδο το υλικό με το πιο ηλεκτροαρνητικό δυναμικό (θυσιαζόμενη άνοδος). Χρησιμοποιείται δηλαδή η αρχή της γαλβανικής διάβρωσης για τον έλεγχο της διάβρωσης.[8] Ανοδική προστασία. Η αρχή της ανοδικής προστασίας διαφέρει από εκείνη της καθοδικής προστασίας, καθώς εδώ η τιμή του δυναμικού διάβρωσης αυξάνεται, ώστε να εμπεριέχεται στην περιοχή της παθητικοποίησης. Η μέθοδος αυτή, συνεπώς, μπορεί να εφαρμοστεί μόνο στα μέταλλα που παθητικοποιούνται. Η ανοδική προστασία διασφαλίζεται διατηρώντας, με την βοήθεια ενός ποτενσιοστάτη, σταθερό το δυναμικό ισορροπίας μεταξύ της κατασκευής που προστατεύεται και ενός ηλεκτροδίου αναφοράς.[2] Προστατευτική επικάλυψη. Είναι η πιο παλιά μέθοδος για την προφύλαξη ενός μετάλλου από την διάβρωση. Τα πιο απλά υλικά είναι οργανικά (χρώματα ή γράσο). Το μειονέκτημά τους είναι ότι φεύγουν εύκολα, ιδίως με την αύξηση της θερμοκρασίας. Μπορεί όμως να χρησιμοποιηθούν για την επικάλυψη άλλα μέταλλα, όπως ο ψευδάργυρος, κασσίτερος, χαλκός, νικέλιο και άργυρος. Ο γαλβανισμός είναι μέθοδος επικάλυψης με ψευδάργυρο κατά την οποία το υλικό, είτε σαν σύρμα είτε σαν φύλλα, περνάει μέσα από λιωμένο ψευδάργυρο. Στους γαλβανισμένους χάλυβες, ακόμα και αν η κάλυψη δεν είναι πλήρης, το στοιχείο χάλυβας-ψευδάργυρος που εμφανίζεται στο ηλεκτρολυτικό περιβάλλον έχει τον ψευδάργυρο ώς άνοδο (είναι πριν από το σίδηρο στην ηλεκτροχημική σειρά) και επομένως αυτός είναι που διαβρώνεται. Αντίθετα, μία κάλυψη από κασσίτερο προστατεύει τον χάλυβα μόνο όταν είναι πλήρης, γιατί αλλιώς στο στοιχείο που δημιουργείται ο χάλυβας είναι η άνοδος.[11] Προστασία με δράση επί του διαβρωτικού περιβάλλοντος, η οποία επιτυγχάνεται με μείωση της οξειδωτικής ικανότητας του ηλεκτρολύτη, προσθήκη αναστολέων της διάβρωσης, ή προσθήκη παθητικοποιητών στο σύστημα.[2] Σελ 21

22 3.5. Κόπωση σε διαβρωτικό περιβάλλον Η κόπωση σε διαβρωτικό περιβάλλον μπορεί να ορισθεί σαν η μείωση της αντοχής σε κόπωση λόγω της παρουσίας διαβρωτικού περιβάλλοντος και μπορεί να θεωρηθεί σαν μία ειδική περίπτωση δυναμοδιάβρωσης. Επιφανειακά εμφανίζεται συνήθως μία μεγάλη περιοχή που έχει υποστεί διάβρωση και μία μικρότερη τραχιά που οφείλεται στην τελική ψαθυρή θραύση.[8] Η κόπωση σε διαβρωτικό περιβάλλον, σε αντίθεση με την απλή κόπωση, εξαρτάται από την συχνότητα κυκλικής φόρτισης. Είναι πιο έντονη σε χαμηλές συχνότητες επειδή αυξάνει ο χρόνος επαφής μετάλλου-διαβρωτικού περιβάλλοντος. Εξαρτάται επίσης από την θερμοκρασία, το ph, την σύσταση και την περιεκτικότητα σε οξυγόνο του διαλύματος.[8] Η κόπωση σε διαβρωτικό περιβάλλον είναι πιο έντονη σε περιβάλλοντα που προκαλούν τρηματική διάβρωση, επειδή τα τρήματα που δημιουργούνται είναι σημεία συσσώρευσης τάσεων και έναρξης ρωγμών. Οι ρωγμές από κόπωση σε διαβρωτικό περιβάλλον είναι συνήθως διακρυσταλλικές χωρίς τις διακλαδώσεις που εμφανίζονται στην δυναμοδιάβρωση.[8] Μηχανισμός της κόπωσης διάβρωσης [6] Διάφοροι μηχανισμοί έχουν προταθεί για να εξηγήσουν τους αυξημένους ρυθμούς ανάπτυξης ρωγμών με διαφορετικούς βαθμούς επιτυχίας. Ο γενικευμένος μηχανισμός ρωγμάτωσης στην διάβρωση με κόπωση περιλαμβάνει την ξεχωριστή ή από κοινού εμφάνιση ρωγμάτωσης λόγω υδρογόνου ή/και ανοδικής διάλυσης της κορυφής της ρωγμής. Επί του παρόντος φαίνεται ότι υπάρχουν τουλάχιστον τέσσερις μηχανισμοί ανοδικής διάλυσης: Ολίσθηση-διάλυση (slip-dissolution) Διάρρηξη ψαθυρού φιλμ (brittle film-rupture) Διάβρωση σήραγγας (corrosion-tunneling) Εκλεκτική διάβρωση (selective-dissolution(dealloying)) Η ψαθυροποίση υδρογόνου φαίνεται να χωρίζεται σε πέντε τύπους μηχανισμών: Λύση της συνοχής (decohession) Πίεση (pressure) Προσρόφηση (adsorption) Παραμόρφωση (deformation) Ψαθυρό υδρίδιο (brittle hydride) Η ισορροπία που υπάρχει ανάμεσα στα διαφορετικά φαινόμενα είναι πολύ δύσκολο να βρεθεί. Πολλοί ερευνητές πιστεύουν ότι η ανοδική διάλυση και η ψαθυροποίση υδρογόνου είναι ανταγωνιστικές διαδικασίες, οπότε μόνο μία έχει την Σελ 22

23 μέγιστη συμμετοχή στην ρωγμάτωση και η άλλη μπορεί να αγνοηθεί. Παρόλα αυτά, και οι δύο διαδικασίες μπορούν να συμβούν ταυτόχρονα στις κορυφές των ρωγμών. Αν οι διεργασίες ήταν ανταγωνιστικές και ανεξάρτητες, θα ήταν απλώς αναγκαίο να καθοριστεί ποια είναι η γρηγορότερη. Η ανοδική και καθοδική διεργασία είναι όμως αλληλεξαρτώμενες, και μπορεί να ενεργούν ταυτόχρονα ή διαδοχικά. Στην συνέχεια περιγράφονται συνοπτικά οι διεργασίες αυτές διάδοσης ρωγμών στην κόπωση με διάβρωση, μαζί με τον μηχανισμού μείωσης της επιφανειακής ενέργειας που είναι ένας ακόμα μηχανισμός που έχει προταθεί για την εξήγηση του προβλήματος. A. Ρωγμάτωση βοηθούμενη από υδρογόνο (hydrogen-assisted cracking) Στην κόπωση με διάβρωση, το υδρογόνο, (είτε ατομικό είτε σε μορφή πρωτονίου) παράγεται με την αντίδραση περιβαλλοντικού συστατικού όπως αερίου υδρογόνου ή ατμού νερού ή υγρού νερού με το πρόσφατα ρωγματωμένο υλικό στην κορυφή της ρωγμής. Το υδρογόνο απορροφάται από την μεταλλική επιφάνεια και στην συνέχεια μεταφέρεται με διάχυση ή εξάρμοση στην περιοχή με υψηλές τάσεις (πλαστική περιοχή) στην κεφαλή της ρωγμής, όπου προκαλεί εντοπισμένη βλάβη και αυξάνει τον ρυθμό ανάπτυξης της ρωγμής λόγω κόπωσης. Στο σχήμα 3.10 φαίνονται σχηματικά διάφορες διεργασίες που μπορεί να εμπλέκονται στην ανάπτυξη ρωγμής κατά την κόπωση με διάβρωση φερριτικών κραμάτων με μηχανισμό ρωγμάτωσης βοηθούμενης από υδρογόνο. Οι διεργασίες είναι διαδοχικές, και ο ρυθμός ανάπτυξης ρωγμής ελέγχεται από την πιο αργή διεργασία. Σχήμα 3.10: Διεργασίες που οδηγούν στην ανάπτυξη ρωγμής σε φερριτικά κράματα σε συνθήκες κόπωσης διάβρωσης. Επιπλέον, σε μερικές περιπτώσεις, το υδρογόνο μπορεί να εισέλθει στο υλικό κατά την παραγωγή του χωρίς επιθετικές εξωτερικές συνθήκες. Λόγω της πολυπλοκότητας Σελ 23

24 του φαινομένου της κόπωσης διάβρωσης, δεν μπορεί να θεωρηθεί οτι ο ίδιος μηχανισμός κατά την ρωγμάτωση υποβοηθούμενης από υδρογόνο συμβάλλει στην ανάπτυξη της ρωγμής σε όλα τα κράματα και σε όλα τα περιβάλλοντα, αντίθετα εξαρτάται από τον εκάστοτε συνδυασμό. Οι κυριότεροι από τους μηχανισμούς αυτούς είναι: Μηχανισμός πίεσης Πολλές από τις πρώτες παρατηρήσεις ψαθυροποίησης υδρογόνου συνδέθηκαν με τον σχηματισμό φυσαλίδων αερίου υδρογόνου υψηλής πίεσης σε εσωτερικά κενά και μικρορωγμές. Αυτές οι φυσαλίδες μπορεί να σχηματιστούν όταν το κράμα εκτίθεται σε περιβάλλον με υδρογόνο σε υψηλή πίεση. Ατομικό υδρογόνο σχηματίζεται λόγω αντιδράσεων στην επιφάνεια του μετάλλου και στην συνέχεια διαχέεται σε ανομοιογένειες της μικροδομής στην κορυφή της ρωγμής όπως κενά και μικρορωγμές, επανασυνδέεται στην μοριακή του μορφή, και δημιουργεί πολύ υψηλή εσωτερική πίεση, που μπορεί να φτάσει και τις 10 5 atm σε συνθήκες καθοδικής φόρτισης. Αυτή η υψηλή πίεση θα δημιουργήσει επιπλέον τάσεις οι οποίες θα αυξήσουν τις δυνάμεις στην κεφαλή της ρωγμής και θα έχουν ως αποτέλεσμα την ταχύτερη διάδοση της ρωγμής. Ο μηχανισμός πίεσης, με εξαίρεση συνθήκες υψηλής πίεσης υδρογόνου, δεν επαρκεί για την εξήγηση του φαινομένου της ρωγμάτωσης στις συνθήκες κόπωσης με διάβρωση που εκτίθενται τα περισσότερα κράματα. Μηχανισμός λύσης της συνοχής του πλέγματος Ο μηχανισμός αυτός προτείνει ότι το υδρογόνο ώς διαλυμένη ουσία μειώνει τις δυνάμεις συνοχής μεταξύ των ατόμων του μετάλλου. Ανάπτυξη της ρωγμής συμβαίνει όταν η τοπική εφελκυστική τάση στην κορυφή της ρωγμής υπερβαίνει τις εξασθενημένες λόγω του υδρογόνου δυνάμεις συνοχής μεταξύ των ατόμων. Υποστηρίζεται επίσης ότι το υδρογόνο μετακινείται προς τις περιοχές μέγιστων τάσεων κατά την διάχυση υποβοηθούμενη από τάσεις, και οτι η ελάττωση των δυνάμεων συνοχής εξαρτάται από την τοπική συγκέντρωση του υδρογόνου. Μηχανισμός επιφανειακής προσρόφησης Εδώ υποστηρίζεται ότι το ισχυρά προσροφημένο υδρογόνο ελαττώνει την επιφανειακή ενέργεια του μετάλλου, και αν υιοθετηθεί η θεωρία του Griffith για διάδοση ρωγμής, διευκολύνει την επέκταση της ρωγμής και αυξάνει τον ρυθμό διάδοσής της. Μία σημαντική έλλειψη αυτής της θεωρίας είναι το γεγονός ότι η ενέργεια πλαστικής παραμόρφωσης κατά την ανάπτυξη ρωγμής είναι πολύ μεγαλύτερη (περίπου 1000 φορές) από την επιφανειακή ενέργεια, οπότε η μείωση της δεύτερης δεν θα έπρεπε να έχει σημαντική επιρροή. Μηχανισμός υδριδίου Πολλά μέταλλα τα οποία είναι επιρρεπή σε ρωγμάτωση υποβοηθούμενη από το περιβάλλον είναι γνωστό ότι σχηματίζουν και σταθερά ή μετασταθή υδρίδια. Αυτά τα υδρίδια είναι συνήθως ψαθυρά και συστήματα κράματος-περιβάλλοντος στα οποία η κατακρήμνιση υδριδίων είναι δυνατή, η διάδοση της ρωγμής υποβοηθάται είτε από ρωγμάτωση διαμέσω των υδριδίων είτε κατά μήκος της διεπαφής υδριδίουμεταλλικού πλέγματος. Λόγω της αύξησης του όγκου που συμβαίνει κατά τον Σελ 24

25 σχηματισμό των υδριδίων, υψηλές εφελκυστικές δυνάμεις στην κεφαλή της ρωγμής θα προωθούσαν τον σχηματισμό υδριδίων. Ο μηχανισμός υδριδίου είναι εύλογη εξήγηση για μέταλλα που σχηματίζουν σταθερά υδρίδια, ενώ για μέταλλα που σχηματίζουν μετασταθή (όπως το AlH) ή ασταθή (FeH) υδρίδια, ο μηχανισμός αυτός είναι συζητήσιμος. Μηχανισμός ενίσχυσης της πλαστικότητας λόγω υδρογόνου Σε αντίθεση με τους προηγούμενους μηχανισμούς που υποστηρίζουν ότι το υδρογόνο ψαθυροποιεί το υλικό και έτσι μειώνει την δύναμη που χρειάζεται για αύξηση της ρωγμής, ο μηχανισμός ενίσχυσης της πλαστικότητας λόγω του υδρογόνου προτείνει ότι το υδρογόνο υποβοηθά την διαδικασία της πλαστικής ροής κάνοντας τις εξαρμόσεις να κινούνται σε μειωμένες τάσεις ή διευκολύνοντας την δημιουργία εξαρμόσεων στην κορυφή της ρωγμής. Ο μηχανισμός αυτός έχει υποστηριχθεί και πειραματικά με την βοήθεια ηλεκτρονικής μικροσκοπίας. B. Ανοδική διάλυση Ο μηχανισμός αυτός υποστηρίζει ότι ο ρυθμός διάδοσης ρωγμής αυξάνεται λόγω ανοδικής διάλυσης κατά μήκος ευπαθών περιοχών όπως όρια κόκκων ή μέταλλο υπό εφελκυστική τάση στην κορυφή της ρωγμής, οι οποίες είναι ανοδικές σε σχέση με το περιβάλλον κρυσταλλικό πλέγμα. Στην ρωγμάτωση κατά την κόπωση με διάβρωση, ο μηχανισμός αυτός εξαρτάται από την διάρρηξη του προστατευτικού φιλμ στην κορυφή της ρωγμής εξ αιτίας της κόπωσης και την ακόλουθη επαναπαθητικοποίηση του προσφάτως εκτεθειμένου μετάλλου. Ο ρυθμός διάδοσης της ρωγμής στην κόπωση διάβρωσης εξαρτάται από τον ρυθμό ανοδικής διάλυσης του γυμνού μετάλλου στην κορυφή της ρωγμής, τον ρυθμό επαναπαθητικοποίησης, τον ρυθμό διάρρηξης του οξειδίου, τον ρυθμό μεταφοράς μάζας αντιδραστηρίων στην διαλυόμενη επιφάνεια, και την ροή διαλυμένων μεταλλικών κατιόντων μακριά από την επιφάνεια. Ο ρυθμός επαναπαθητικοποίησης είναι κρίσιμος, αφού πρέπει να είναι αρκετά γρήγορος έτσι ώστε να αποφεύγεται εκτεταμένη διάλυση, η οποία θα οδηγήσει σε άμβλυνση της κεφαλής της ρωγμής και σχηματισμό τρημάτων αντί για αιχμηρή κορυφή και κατευθυνόμενη διάδοση ρωγμής, αλλά και αρκετά αργός έτσι ώστε να επιτρέπει σημαντική διάλυση στην κορυφή της ρωγμής. Η δυναμική φύση των διεργασιών της ανοδικής διάλυσης και της επαναπαθητικοποίησης φαίνεται στο σχήμα Κάτω από φορτίσεις λόγω κόπωσης, σχηματίζεται μία βαθμίδα ολίσθησης (slip step) στην κορυφή της ρωγμής η οποία διαρρηγνύει το προστατευτικό επιφανειακό φιλμ. Η επιφάνεια που σχηματίζεται αντιδρά με το περιβάλλον και εν μέρει διαλύεται, μέχρι η περιοχή στην κεφαλή της ρωγμής να επαναπαθητικοποιηθεί και το προστατευτικό επιφανειακό φιλμ να επιδιορθωθεί. Αυτές οι διεργασίες επαναλαμβάνονται όταν μία βαθμίδα ολίσθησης διαρρηγνύει ξανά το προστατευτικό φιλμ. Σελ 25

26 Σχήμα 3.11:Διαδοχικά βήματα κατά την ανοδική διάλυση Η ανοδική διάλυση μπορεί να μειωθεί ή να ελεγχθεί με τεχνικές καθοδικής προστασίας, που χρησιμοποιούνται συχνά για να αυξήσουν την αντοχή σε ρωγμάτωση κραμάτων σε θαλάσσιο περιβάλλον. Το φαινόμενο αυτό συνάδει με τον μηχανισμό ανοδικής διάλυσης, αφού υποδεικνύει ότι μία ανοδική διαδικασία ελέγχει την ρωγμάτωση. Η καθοδική προστασία θα μειώσει τον ρυθμό διάδοσης ρωγμής σε κόπωση με διάβρωση προωθώντας την επαναπαθητικοποίηση, μειώνοντας τον ρυθμό διάλυσης, και διευκολύνοντας την επιδιόρθωση του προστατευτικού φιλμ. Ενώ ο μηχανισμός ανοδικής διάλυσης χρησιμοποιείται συχνά για να εξηγήσει την ρωγμάτωση σε κόπωση με διάβρωση κραμάτων εκτεθειμένων σε επιβλαβή υδατικά περιβάλλοντα, είναι δύσκολο να εφαρμοστεί αυτός ο μηχανισμός σε κόπωση με διάβρωση κραμάτων σε αέρια περιβάλλοντα (όπως υδρατμοί, υδρογόνο ή σουλφίδιο υδρογόνου) ή σε απαεριωμένο νερό, όπου η ηλεκτροχημική αντίδραση που είναι αναγκαία για την διάλυση στην κορυφή της ρωγμής είναι ανέφικτη. Η ανοδική διάλυση επίσης αποτυγχάνει να εξηγήσει διάφορες φαινομενολογικές παρατηρήσεις, ειδικά τα θραυστογραφικά χαρακτηριστικά των χαλύβων. Σε αυτή την περίπτωση οι μηχανισμοί ψαθυροποίησης υδρογόνου έχουν το πλεονέκτημα οτι μπορούν να εξηγήσουν τα θραυστογραφικά χαρακτηριστικά, άλλα είναι δύσκολο να ποσοτικοποιηθεί η επίδραση του υδρογόνου. Ένα ακόμη πρόβλημα είναι ότι ο μηχανισμός ανοδικής διάλυσης δεν μπορεί να εξηγήσει την παρατηρούμενη συμπεριφορά ορίου κόπωσης στους χάλυβες και την εξάρτησή του ρυθμού διάδοσης ρωγμής από την συχνότητα του φορτίου χωρίς τον ισχυρισμό ύπαρξης μιας ισχυρής ανταγωνιστικής διαδικασίας. Για χαμηλούς λόγους καταπονήσεων (R~0,1 με 0,2) έχει καταδειχτεί ότι πολύ μεγάλες περίοδοι παρουσιάζουν ελάχιστη υποβοήθηση από το περιβάλλον, ενώ για υψηλούς λόγους καταπονήσεων (R~0,8 με 0,9) το μέγιστο σε ενίσχυση του ρυθμού διάδοσης ρωγμής παρουσιάζεται σε υψηλές συχνότητες, μέχρι περίπου 10 ή 20Hz. Από μόνος του ο Σελ 26

27 μηχανισμός ανοδικής διάλυσης θα προέβλεπε μία συνεχόμενη αύξηση του ρυθμού ρωγμάτωσης για αυξανόμενες κυκλικές περιόδους. Οι υποστηρικτές του μηχανισμού επικαλούνται συνήθως ερπυσμό και άμβλυνση της ρωγμής για να εξηγήσουν το πρόβλημα στις χαμηλές συχνότητες. C. Μηχανισμός μείωσης της επιφανειακής ενέργειας Ο μηχανισμός αυτός είναι παρόμοιος με τον μηχανισμό προσρόφησης υδρογόνου, και υποστηρίζει ότι μόρια (εκτός του υδρογόνου) που προσροφώνται ισχυρά από τις επιφάνειες, μειώνουν την επιφανειακή ενέργεια που χρειάζεται για τον σχηματισμό ρωγμής και επομένως αυξάνουν τον ρυθμό διάδοσης ρωγμής. Ο μηχανισμός μείωσης της επιφανειακής ενέργειας είναι επίσης δύσκολο να συμβαδίσει με τα προβλήματα που εμποδίζουν την αποδοχή του μηχανισμού προσρόφησης υδρογόνου Παράγοντες που επηρεάζουν την αντοχή σε διάβρωση[6] Πολλοί παράγοντες επηρεάζουν την ανάπτυξη ρωγμής στην κόπωση με διάβρωση. Οι σημαντικότεροι από αυτούς παρατίθενται παρακάτω. I. Μηχανικοί παράγοντες Συχνότητα καταπόνησης Λόγος καταπονήσεων R Κυματομορφή των καταπονήσεων Μέγιστος συντελεστής έντασης τάσης Κ max και εύρος συντελεστή έντασης τάσης ΔΚ Σε μεταβλητή φόρτιση, οι σχέσεις μεταξύ των φορτίων Ύπαρξη εναπομενουσών τάσεων II. Γεωμετρικοί παράγοντες Μέγεθος ρωγμής Γεωμετρία ρωγμής Πάχος δοκιμίου III. Μεταλλουργικοί παράγοντες Σύσταση του κράματος Μικροδομή και κρυσταλλική δομή Θερμική κατεργασία Δομή του ορίου των κόκκων Σχήμα και μέγεθος κόκκων Υφή (προσανατολισμός των κόκκων και των ορίων τους) Κατανομή κραματικών στοιχείων και ακαθαρσιών Τύπος παραμόρφωσης Μηχανικές ιδιότητες Σελ 27

28 IV. Περιβαλλοντικοί παράγοντες Τύπος του περιβάλλοντος (υγρό ή αέριο) Μερική πίεση του ζημιογόνου αερίου (damaging species) σε αέριο περιβάλλον Συγκέντρωση του ζημιογόνου αερίου σε υδατικό ή άλλο υγρό περιβάλλον Θερμοκρασία ph Ηλεκτροχημικό δυναμικό Ιξώδες του περιβάλλοντος Στην συνέχεια αναλύονται οι σημαντικότεροι από τους παραπάνω παράγοντες. Η συχνότητα καταπόνησης επηρεάζει σημαντικά τον ρυθμό ανάπτυξης ρωγμής (da/dn). Σε χαμηλές συχνότητες η επίδραση του περιβάλλοντος είναι πολύ εντονότερη σε σχέση με τις υψηλές. Έχει βρεθεί ότι στον χάλυβα AISI 4340 η αύξηση του ρυθμού ανάπτυξης ρωγμής έχει γραμμική σχέση με την περίοδο φόρτισης. Επίσης, σε χαμηλές συχνότητες, όπου η επίδραση του περιβάλλοντος είναι σημαντική, το μονοπάτι της θραύσης του χάλυβα σε υδρατμούς είναι περικρυσταλλικό, παρόμοιο με την θραύση υπο σταθερό φορτίο σε νερό ή υδρογόνο, ενώ σε υψηλές συχνότητες είναι διακρυσταλλικό, παρόμοιο σε μορφή με θραύση υπο συνθήκες κόπωσης. Έχει παρατηρηθεί επίσης ότι στον χάλυβα, απότομη αλλαγή της συχνότητας φόρτισης δεν επιφέρει στιγμιαία αλλαγή και στον ρυθμό ανάπτυξης ρωγμής, αλλά υπάρχει μία βαθμιαία μεταβολή της τιμής του μέχρι την σταθεροποίησή στην τιμή που αντιστοιχεί στην καινούργια συχνότητα. Επειδή σε αδρανές περιβάλλον η συχνότητα δεν επηρεάζει τον ρυθμό ανάπτυξης ρωγμής, το φαινόμενο πρέπει να είναι αποτέλεσμα αλληλεπίδρασης με το περιβάλλον, και μάλιστα για τον χάλυβα συνάδει με το μοντέλο της ψαθυροποίησης υδρογόνου. Ο ρυθμός ανάπτυξης ρωγμής για τα κράματα τιτανίου παρουσιάζει μία ασυνήθη εξάρτηση από την συχνότητα σε περιβάλλοντα θαλασσινού νερού (Σχήμα 3.12). Ο ρυθμός ανάπτυξης ρωγμής αυξάνεται όσο μειώνεται η συχνότητα μέχρι ενός μεγίστου που εξαρτάται από το ΔΚ, και στην συνέχεια μειώνεται σε ρυθμούς συγκρίσιμους με αυτούς που παρατηρούνται σε αδρανή περιβάλλοντα. Επίσης, σε υψηλές συχνότητες, ο ρυθμός ανάπτυξης ρωγμής είναι αντιστρόφως ανάλογος του τετραγώνου της συχνότητας. Αυτή η εξάρτηση, σε συνδυασμό με την επιφανειακή αντιδραστικότητα του τιτανίου, είναι συνεπής με μηχανισμό ρωγμάτωσης υποβοηθούμενο από υδρογόνο με τον μηχανισμό σχηματισμού υδριδίου. Σελ 28

29 Σχήμα 3.12: Επίδραση της συχνότητας στον ρυθμό ανάπτυξης ρωγμής για ένα κράμα Ti-6Al-4V εκτεθειμένο σε διάλυμα 0,6Μ NaCl σε θερμοκρασία δωματίου και R=0,1 Ο ρυθμός ανάπτυξης ρωγμής επηρεάζεται στην περίπτωση αέριου παράγοντα από την μερική του πίεση. Έχει βρεθεί ότι σε κράμα αλουμινίου σε υδρατμούς νερού ο ρυθμός ανάπτυξης δεν επηρεάζεται από τους υδρατμούς μέχρι μίας οριακής πίεσης, μετά από την οποία αυξάνει εκθετικά και φτάνει σε μία μέγιστη τιμή μέσα σε μία τάξη μεγέθους από την οριακή αυτή τιμή. Η επιρροή του μεγέθους των κόκκων στην ταχύτητα διάδοσης ρωγμής εξαρτάται από τον τύπο θραύσης του υλικού στο περιβάλλον. Σε αβλαβή περιβάλλοντα, όπως το κενό, οι ρωγμές διαδίδονται κυρίως περικρυσταλλικά, επομένως μεγαλύτερο μέγεθος κόκκων οδηγεί σε μικρότερες ταχύτητες διάδοσης ρωγμής. Σε επιθετικά περιβάλλοντα, αν η διάδοση ρωγμής είναι περικρυσταλλική, τότε οι μεγαλύτεροι κόκκοι θα οδηγήσουν και πάλι σε μικρότερη ταχύτητα ρωγμής, ενώ αν είναι διακρυσταλλική, όπως για παράδειγμα σε κράμα Al-5.7Zn-2.5Mg-1.5Cu σε αλατόνερο και σε χαμηλά ΔΚ, το μέγεθος των κόκκων δεν θα έχει σχεδόν καμία επίδραση στην ταχύτητα διάδοσης ρωγμής. Ο λόγος των καταπονήσεων επηρεάζει την ταχύτητα ρωγμάτωσης διαφορετικά σε κάθε κράμα, αλλά γενικά υψηλότερος λόγος καταπονήσεων θα έχει ώς αποτέλεσμα μεγαλύτερους ρυθμούς ανάπτυξης ρωγμής. Ενώ στην κόπωση το είδος της κυματομορφής της καταπόνησης έχει ελάχιστη επιρροή στην ταχύτητα διάδοσης ρωγμής, στην διάβρωση με κόπωση είναι σημαντικός παράγοντας. Όπως φαίνεται στο σχήμα 3.13, το είδος της κυματομορφής έχει μηδενική επίδραση στην ταχύτητα ρωγμάτωσης για το κράμα 16Ni-5Cr-3Mo στον αέρα. Σε περιβάλλον διαλύματος NaCl, τετράγωνες και αρνητικά πριονωτές Σελ 29

30 κυματομορφές, οι οποίες έχουν πολύ μικρό χρόνο ανόδου φορτίου, οδηγούν σε ρυθμούς ανάπτυξης ρωγμής παρόμοιους με αυτούς στον αέρα, ενώ τριγωνικές, ημιτονοειδής και πριονωτές κυματομορφές οδηγούν σε ρυθμούς ρωγμάτωσης τριπλάσιους σε σχέση με τις άλλες κυματομορφές στο ίδιο διάλυμα και στον αέρα. Έχει προταθεί ότι η περιβαλλοντική ενίσχυση της ανάπτυξης ρωγμής σε κόπωση προκαλείται κυρίως από την αλληλεπίδραση μεταξύ του περιβάλλοντος και του χάλυβα κατά την περίοδο ανόδου φορτίου σε κάθε κύκλο φόρτισης. Όσο μεγαλύτερη είναι η περίοδος αυτή, τόσο μεγαλύτερη θα είναι και η επίδραση του επιθετικού περιβάλλοντος. Σχήμα 3.13: Επίδραση κυματομορφής στην ταχύτητα διάδοσης ρωγμής κράματος 16Ni-5Cr-3Mo, σε περιβάλλον αέρα(αριστερά) και διάλυμα 3% NaCl (δεξιά) Δοκιμές της κόπωσης διάβρωσης και σχετικά προβλήματα[6] Ενώ στις εργαστηριακές δοκιμές διάδοσης ρωγμών σε κόπωση χρειάζεται να αξιολογηθούν λίγες μόνο κύριες μεταβλητές δοκιμών και να διατηρηθεί ο έλεγχος σε λιγότερες από 12 σημαντικές παραμέτρους (σύνθεση κράματος, θερμική κατεργασία κ.α.), στην περίπτωση της κόπωσης διάβρωσης ο αριθμός των μεταβλητών και των ελεγχόμενων παραμέτρων τυπικά πολλαπλασιάζεται 3 έως 10 φορές. Επομένως κατά την μελέτη της κόπωσης διάβρωσης είναι σημαντική η σημασία στην λεπτομέρεια, λόγω του μεγαλύτερου αριθμού κρίσιμων μεταβλητών και αλληλεπιδράσεων. Είναι σύνηθες φαινόμενο να δίνεται ανεπαρκής προσοχή στις περιβαλλοντικές μεταβλητές, παρά την επιρροή που έχουν στην κόπωση. Μία άλλη πτυχή της μελέτης της ρωγμάτωσης στην κόπωση με διάβρωση, σημαντική τόσο στα εργαστηριακά τεστ όσο και στην μελέτη διάρκειας ζωής, είναι η δυσκολία να διαχωριστούν εννοιολογικά η έναρξη ρωγμής από την διάδοση ρωγμής. Ενώ θεωρούνται διαφορετικά φαινόμενα, η έναρξη της ρωγμάτωσης συνδέεται με την δυνατότητα εντοπισμού ρωγμής. Επομένως όσο αυξάνεται η δυνατότητα εντοπισμού, Σελ 30

31 η έναρξη ρωγμάτωσης μπορεί να κυμαίνεται από την ολοκληρωτική αστοχία, έως την πτώση φορτίου 25% (για πειράματα σταθερής καταπόνησης), έως την άμεση παρατηρησιμότητα σε οπτική παρατήρηση, έως τον εντοπισμό σε μεγέθη μικρότερα από κόκκο. Επειδή οι παραπάνω ορισμοί είναι αυθαίρετοι, αλλά και επειδή σε μερικά συστήματα έχει δειχθεί ότι πάρα πολύ μικρές ρωγμές (~20μm) υποβοηθούμενες από το περιβάλλον συμπεριφέρονται όπως ρωγμές με πολύ μεγαλύτερο μέγεθος (>1mm), οι παραδοσιακοί ορισμοί για την έναρξη ρωγμάτωσης πρέπει να εξεταστούν. Παρόμοια θα πρέπει να εξεταστούν και οι παραδοσιακές έννοιες του περιβαλλοντικού κατωφλιού κόπωσης για την κόπωση διάβρωσης και κατωφλίου τάσης στην περίπτωση της εργοδιάβρωσης. Ένας γενικός διαχωρισμός που μπορεί να γίνει στις δοκιμές κόπωσης και κόπωσης διάβρωσης είναι αν ελεγχόμενη μεταβλητή είναι η τάση ή η παραμόρφωση. Επίσης τα δοκίμια μπορούν να είναι φορτισμένα με αξονικές τάσεις, να υπόκεινται σε εναλλασσόμενη στρέψη, κάμψη ή συνδυασμό φορτίσεων. Αυτές οι μέθοδοι είναι οι πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες, λόγω του απλού εξοπλισμού που απαιτείται σε σχέση με πιο σύνθετες μεθόδους. Έδαφος κερδίζει τα τελευταία χρόνια και ένας νέος τρόπος προσέγγισης του προβλήματος της κόπωσης διάβρωσης με μεθόδους θραυστομηχανικής (υπολογίζοντας το da/dn έναντι του ΔΚ), σε αντίθεση με την συνηθισμένη μέθοδο σήμερα, δηλαδή τον υπολογισμό της διάρκειας ζωής ανάλογα με την τάση ή την παραμόρφωση. Η νέα μέθοδος αυτή έχει τα πλεονεκτήματα του οτι δεν υπάρχει ασάφεια στην προσδιορισμό της έναρξης ρωγμάτωσης, και ακόμα σημαντικότερο, τα εργαστηριακά δεδομένα ταχύτητας διάδοσης ρωγμής σε σχέση με το ΔΚ είναι άμεσα αξιοποιήσιμα στον υπολογισμό διάρκειας ζωής εξαρτημάτων. Οι συσκευές δοκιμών μπορούν να κατηγοριοποιηθούν με διάφορους τρόπους. Οι κυριότεροι είναι: Ανάλογα με την ελεγχόμενη μεταβλητή (φορτίο, τάση, παραμόρφωση, στρέβλωση, ροπή κ.α.) Ανάλογα με τα σχεδιαστικά χαρακτηριστικά της συσκευής που χρησιμοποιούνται για να πραγματοποιηθεί η δοκιμή (άμεση τάση, κάμψη, στρέψη κ.α.) Ανάλογα με τα λειτουργικά χαρακτηριστικά της συσκευής (ηλεκτρομηχανική, σερβοκίνηση, ηλεκτρομαγνητική κ.α.) Η φύση και οι διακυμάνσεις του περιβάλλοντος είναι καθοριστικοί παράγοντες στην κόπωση με διάβρωση, και όλα τα περιβάλλοντα θα πρέπει να θεωρούνται διαβρωτικά σε σχέση με το κενό εκτός και αν αποδειχθεί το αντίθετο. Οι ρωγματώσεις λόγω του περιβάλλοντος τείνουν να εξαρτώνται πολύ περισσότερο από τους ρυθμούς των χημικών αντιδράσεων και μεταφοράς μάζας σε σχέση με την εξάρτησή τους από μεταλλουργικούς παράγοντες. Παρόλο που η μελέτη της κόπωσης διάβρωσης σε υδατικά περιβάλλοντα και θερμοκρασίες δωματίου παρουσιάζει λιγότερα προβλήματα σε σχέση με αέρια περιβάλλοντα ή κενό, ο έλεγχος και η παρακολούθηση της χημείας του νερού και η Σελ 31

32 παρακολούθηση και καταγραφή του ηλεκτροχημικού δυναμικού είναι το συχνότερο πρόβλημα για τον προσδιορισμό της εγκυρότητας των δεδομένων. Επίσης, στην περίπτωση υδατικού περιβάλλοντος, θα πρέπει να δίνεται μεγάλη σημασία σε δευτερεύοντες προσμείξεις σε αυτό, αφού μικρές ποσότητες προσμίξεων μπορεί να έχουν σημαντική επιρροή στην συμπεριφορά σε κόπωση διάβρωσης. Στην περίπτωση υδατικών διαλυμάτων, θα πρέπει να δίνεται σημασία στο ph, σε οξειδωτικές ουσίες (όπως διαλυμένο οξυγόνο, υπεροξείδιο του υδρογόνου, ιόντα σιδήρου ή χαλκού κ.α.) και σε προσμείξεις (όπως διαλυμένο χλώριο, θείο, υδράργυρος, μόλυβδος). Συγκεκριμένα για το διαλυμένο οξυγόνο, συγκεντρώσεις μερικών μονάδων στο δισεκατομμύριο (ppb), μπορεί να αυξήσουν τον ρυθμό ρωγμάτωσης κατά τάξεις μεγέθους (σχήμα 3.14). Σχήμα 3.14: Επίδραση του οξυγόνου στον ρυθμό ρωγμάτωσης. Η σπουδαιότητα αναπαραγωγής των περιβαλλοντικών συνθηκών στο εργαστήριο με την μεγαλύτερη δυνατή ακρίβεια φαίνεται και στην σύγκριση της συμπεριφοράς των μετάλλων σε θαλασσινό νερό και σε αλατόνερο. Το διττανθρακικό και ανθρακικό άλας στο θαλασσινό νερό μπορεί να οδηγήσουν σε ασβεστολιθικά κατακρημνίσματα υπό καθοδική προστασία μέσα στις ρωγμές που μπορούν να επηρεάσουν τον κύκλο της ρωγμής (άνοιγμα-κλείσιμο) και επομένως και τον ρυθμό διάδοσής της. Για την ακριβή προσομοίωση θαλασσινού νερού στο εργαστήριο ικανοποιητικό υποκατάστατό του κατασκευάζεται σύμφωνα με το ASTM d1141. Για υδατικά διαλύματα, κατάλληλα υλικά για το κελί που περιέχει το διάλυμα για μελέτη της διάρκειας ζωής σε κόπωση είναι γυαλί ή πλαστικό. Παρόλα αυτά, σε υψηλές θερμοκρασίες (>60 ο C) διάλυση πυριτικών ενώσεων από το γυαλί μπορεί να αναστείλει την διαδικασία διάβρωσης. Παρόμοια, διάλυση πλαστικών ουσιών μπορεί επίσης να προκαλέσει προβλήματα. Η σιλικόνη έχει αποδειχθεί ότι παρουσιάζει τα λιγότερα προβλήματα σε αυτόν τον τομέα. Σελ 32

33 3.6. Ανοδίωση Η ανοδίωση είναι μία μέθοδος προστασίας από την διάβρωση. Σκοπός των μεθόδων αυτών είναι η μείωση του ρυθμού διάβρωσης σε ανεκτές τιμές ή σε τιμές που θα επιτρέψουν στο υλικό να επιτύχει την επιθυμητή διάρκεια ζωής του. Παρόλο που πολλά μέταλλα μπορούν να υποβληθούν σε ανοδίωση (όπως τιτάνιο και μαγνήσιο) μόνο η ανοδίωση του αλουμινίου έχει ευρεία χρήση στην βιομηχανία.[10] Η ανοδίωση του αλουμινίου είναι μία ηλεκτροχημική μέθοδος μετατροπής του αλουμινίου σε άμορφο οξείδιο του αλουμινίου (Al 2 O 3 ) στην επιφάνεια του αντικειμένου που επικαλύπτεται. Επιτυγχάνεται καθιστώντας το κατεργαζόμενο τεμάχιο την άνοδο ενώ βρίσκεται μέσα σε κατάλληλο ηλεκτρολυτικό διάλυμα[10] Το στρώμα του οξειδίου λειτουργεί σαν φράγμα προστατεύοντας το υλικό από διάβρωση. Συγκεκριμένα, το ανοδιωμένο αλουμίνιο είναι εξαιρετικά ανθεκτικό σε διάβρωση από ατμοσφαιρικό και θαλασσινό νερό. Εκτός από αντοχή στην διάβρωση, η ανοδίωση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να αυξήσει την αντοχή σε τριβή, να βελτιώσει την πρόσφυση χρώματος και να μονώσει ηλεκτρικά το υλικό.[12] Οι μέθοδοι ανοδίωσης κατηγοριοποιούνται ανάλογα με το οξύ που θα χρησιμοποιηθεί σαν ηλεκτρολύτης. Πολλά οξέα έχουν χρησιμοποιηθεί για παραγωγή ανοδικών επικαλύψεων, αλλά τα πιο συνηθισμένα σήμερα είναι το θειικό (Η 2 SO 4 ) και το χρωμικό (CrO 3 ) οξύ. Η ανοδίωση με χρωμικό οξύ είναι τυποποιημένη, αλλά υπάρχουν δύο μέθοδοι ανοδίωσης θειικού οξέος. Η πρώτη μέθοδος γίνεται σε θερμοκρασία δωματίου και ορίζεται ως συμβατική ανοδίωση, και η δεύτερη γίνεται σε χαμηλή θερμοκρασία και χαρακτηρίζεται ως ανοδίωση σκληρής επίστρωσης (hardcoat anodizing). Επιπλέον η σφράγιση (sealing) χρησιμοποιείται για να ενισχύσει συγκεκριμένα χαρακτηριστικά.[10] Οι τρείς συνηθέστεροι τύποι ανοδίωσης που περιγράφηκαν παραπάνω συνήθως ρυθμίζονται με την χρήση της στρατιωτικής προδιαγραφής MIL-A-8625 (πίνακας 3.15). Έχει γίνει πρότυπο στην βιομηχανία η περιγραφή των ανοδικών επικαλύψεων με την ορολογία της προδιαγραφής αυτής.[10,13] Πίνακας 3.15: στρατιωτική προδιαγραφή MIL-A-8625 Τύπος Κατηγο ρία Περιγραφή Βαφή Σφράγισμα πάχος(mm) πάχος(mils) Ι 1 CrO 3 ανοδίωση Όχι Ναι Ι 2 CrO 3 ανοδίωση Ναι Ναι με βαφή ΙΙ 1 Η 2 SO 4 ανοδίωση Όχι Ναι ΙΙ 2 Η 2 SO 4 ανοδίωση Ναι Ναι με βαφή ΙΙΙ 1 Σκληρής Όχι Όχι επίστρωσης ΙΙΙ 2 Σκληρής επίστρωσης με βαφή Ναι Ναι Σελ 33

34 Η ανοδίωση χρωμικού οξέος ή τύπου Ι επιτυγχάνεται βυθίζοντας το τεμάχιο σε υδατικό διάλυμα CrO 3. Τυπικές λειτουργικές παράμετροι είναι: Συγκέντρωση ηλεκτρολύτη: 50 to 100 g/l CrO3 Θερμοκρασία: 37 ± 5 C Διάρκεια λουτρού: 40 με 60 λεπτά Δυναμικό: Αύξηση από 0 σε 40V σε 10 λεπτά και διατήρηση στα 40V Πυκνότητα ρεύματος: 0.15 με 0.30 A/dm 2 Η ανοδίωση χρωμικού οξέος παράγει συνήθως ένα στρώμα οξειδίου 2 μm (0.08 mils) παχύ. Είναι σχετικά μαλακό και ευάλωτο σε ζημιά λόγω τριβών ή χειρισμού. Στα πλεονεκτήματά της συμπεριλαμβάνονται η πολύ μικρότερη επιθετικότητα του χρωμικού οξέος στο αλουμίνιο σε σχέση με το θειικό, και άρα η εφαρμογή του σε τεμάχια στα οποία η πλήρης έκπλυση είναι δύσκολη, οι ακριβείς διαστάσεις της επικάλυψης (0,7mm παχύτερη από το αρχικό τεμάχιο) η μικρή μείωση της αντοχής σε κόπωση σε σχέση με τους άλλους τύπους και η αλλαγή του χρώματός της επικάλυψης ανάλογα με την κραματική σύσταση και τις θερμικές κατεργασίες, καθιστώντας το χρήσιμο για έλεγχο της ομοιογένειας.[10] Η ανοδίωση θειικού οξέος τύπου ΙΙ επιτυγχάνεται βυθίζοντας το τεμάχιο σε υδατικό διάλυμα Η 2 SO 4. Τυπικές λειτουργικές παράμετροι είναι: Συγκέντρωση ηλεκτρολύτη: 15% Η 2 SO 4 Θερμοκρασία: 21 ± 1 C Διάρκεια λουτρού: 30 με 60 λεπτά Δυναμικό: 15 με 22 V, ανάλογα το κράμα Πυκνότητα ρεύματος: 1 με 2 A/dm2 Η διαδικασία αυτή παράγει ένα στρώμα με ελάχιστο πάχος 8 μm. Αν και σκληρότερη από την επικάλυψη τύπου Ι, ζημιές λόγω τριβών και χειρισμού μπορούν να συμβούν. Στα πλεονεκτήματα της συμπεριλαμβάνονται η αντοχή στην φθορά (λόγω της σκληρότερης επιφάνειας), η καλαίσθητη εμφάνιση (μπορεί να βαφεί σε οποιοδήποτε χρώμα και αποκτά πλούσιο χρώμα και την εμφάνιση υλικού χρωματισμένου σε βάθος) και η πολύ καλή αντοχή του σε φθορά.[10] Η ανοδίωση σκληρής επίστρωσης τύπου ΙΙΙ επιτυγχάνεται βυθίζοντας το τεμάχιο σε υδατικό διάλυμα Η 2 SO 4. Τυπικές λειτουργικές παράμετροι είναι: Συγκέντρωση ηλεκτρολύτη: 22-24% Η 2 SO 4 Θερμοκρασία: 0 ± 1 C Διάρκεια λουτρού: 20 με 120 λεπτά Δυναμικό: συνεχώς αυξανόμενο έτσι ώστε να διατηρείται πυκνότητα ρεύματος 2.5 με 4.0 A/dm 2 Η διαδικασία παράγει ένα στρώμα με πάχος 50 μm, αν και μπορούν να καθοριστούν και άλλα πάχη. Η σκληρότητα είναι πολύ μεγάλη, περίπου 60 με 70 HRC. Στα πλεονεκτήματα περιλαμβάνονται η πολύ μεγάλη αντοχή σε φθορά λόγω της μεγάλης σκληρότητάς, η καλύτερη αντοχή σε διάβρωση σε σχέση με τους άλλους τύπους ανοδίωσης, οι πολύ καλές μονωτικές ιδιότητες, η πορώδης επιφάνειά που Σελ 34

35 μπορεί να χρησιμεύσει σαν υλικό βάσης για την σύνδεση του αλουμινίου με άλλα υλικά και τέλος η χρήση σαν διορθωτική επικάλυψη για την αποκατάσταση τεμαχίων σε επιθυμητές διαστάσεις, με επικαλύψεις που φτάνουν τα 250μm να είναι δυνατές σε ορισμένες περιπτώσεις.[10] Επειδή όλες οι διαδικασίες ανοδίωσης παράγουν πορώδεις επικαλύψεις Al 2 O 3, είναι συχνά επιθυμητό το σφράγισμα (sealing) της επικάλυψης για να κλείσουν οι πόροι και να εξαλειφθεί η σύνδεση μεταξύ αλουμινίου και περιβάλλοντος. Το σφράγισμα περιλαμβάνει την βύθιση της επικάλυψης σε ζεστό νερό, αυτό ενυδατώνει το οξείδιο του αλουμινίου και προξενεί το φούσκωμα της επικάλυψης και το κλείσιμο των πόρων. Το συνηθισμένο σφράγισμα γίνεται σε ελάχιστη θερμοκρασία 95 ο C για όχι λιγότερο από 15 λεπτά. Οι ανοδιώσεις χρωμικού και θειικού οξέος σφραγίζονται σχεδόν πάντα, ενώ επειδή την καθιστά λιγότερο σκληρή, το σφράγισμα αποφεύγεται στις ανοδιώσεις σκληρής επίστρωσης.[10] Οι προεργασίες που υποβάλλεται το υλικό πριν την ανοδίωση εξαρτώνται από το κράμα, αλλά συνήθως αποτελούνται από 8-10 στάδια στα οποία περιλαμβάνεται απολίπανση, χημικός καθαρισμός σε διάλυμα υψηλού ph και αποξείδωση σε διάλυμα χαμηλού ph. Έχει παρατηρηθεί ότι η έκθεση σε αυτούς τους παράγοντες μπορεί να οδηγήσει σε τρηματική διάβρωση σε σημεία της επιφανείας που υπάρχουν σωματίδια του κράματος με διαφορετική σύσταση ή είναι όρια κόκκων (εικόνα 3.16). Αυτά τα τρήματα μπορεί να οδηγήσουν σε ταχεία ρωγμάτωση του κράματος κατά την φόρτισή του, αφού είναι σημεία συγκέντρωσης τάσεων.[12] Εικόνα 3.16: Φωτογραφία SEM τρήματος κατεργασίας. Η επιφάνεια του τρήματος έχει ανοδιωθεί, όπως και η υπόλοιπη επιφάνεια. Το τρήμα έχει διάμετρο 12μm και βάθος 10μm.[12] Σελ 35

36 Στην εικόνα 3.17 φαίνεται το ανοδικό στρώμα κράματος αλουμινίου Al7075-T6 το οποίο έχει υποστεί ανοδίωση θειικού οξέος. Οι ακτινικές ρωγμές σχηματίζονται λόγω διαφοράς στον συντελεστή θερμικής διαστολής υποστρώματος-ανοδικού στρώματος και εσωτερικών εφελκυστικών τάσεων στο ανοδικό στρώμα, και συμβάλλουν στην μείωση της αντοχής του υλικού σε κόπωση.[14] Εικόνα 3.17: Μικροφωτογραφία SEM του ανοδικού στρώματος και του υποστρώματος αλουμινίου Al7075-T6 για πάχος ανοδίωσης 23μm [14] Σελ 36

37 3.7. Μικρο-κοκκοβολή (shot peening) Το shot peening, ή αλλιώς μικρο-κοκκοβολή, είναι μία εν ψυχρώ κατεργασία που εφαρμόζεται στην επιφάνεια μεταλλικών τεμαχίων έτσι ώστε να αυξήσει την αντοχή τους σε κόπωση, κόπωση τριβής, δυναμοδιάβρωση, διάβρωση με κόπωση και διάφορες άλλες αστοχίες μετάλλων που συνδέονται με εφελκυστικές δυνάμεις. H κοκκοβολή έχει επίσης χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά για την σχηματισμό αεροδυναμικών καμπυλών σε μεγάλα πάνελ όπως φτερά αεροσκαφών, μερικά από τα οποία μεγαλύτερα από 30 μέτρα σε μήκος. Σε όλες τις περιπτώσεις, η αποτελεσματικότητα της μεθόδου είναι λόγω της εφαρμογής εναπομενουσών θλιπτικών τάσεων στην επιφάνεια των τεμαχίων. Όταν μία μεταλλική επιφάνεια δημιουργούμε κοιλώματα (σχήμα 3.18), επάγεται μία εναπομείνουσα θλιπτική τάση καθώς το υλικό κάτω από την επιφάνεια προσπαθεί να πιέσει προς τα έξω το κοίλωμα και να επαναφέρει την επιφάνεια στην αρχική της κατάσταση. Η μικροκοκκοβολή, με το να βομβαρδίζει την επιφάνεια με εκατομμύρια μικροσκοπικά σφαιρίδια σιδήρου, γυαλιού ή κεραμικού, καλύπτει πλήρως την επιφάνεια με κοιλώματα, δημιουργώντας έτσι ένα ομοιόμορφο στρώμα θλιπτικών τάσεων που έχουν την μέγιστη τιμή τους ακριβώς κάτω από την επιφάνεια (σχήμα 3.19) και είναι ίσο με τουλάχιστον το 50% της μέγιστης αντοχής σε εφελκυσμό του μετάλλου.[15] Σχήμα 3.18: Μηχανική υποχώρηση στο σημείο πρόσκρουσης[16] Σελ 37

38 Σχήμα 3.19: Προφίλ εναπομενουσών τάσεων μετά από shot peening[16] Είναι γνωστό ότι ρωγμές δεν αναπτύσσονται ούτε διαδίδονται σε περιοχή με θλιπτικές τάσεις. Επειδή όλες οι αστοχίες λόγω κόπωσης ή δυναμοδιάβρωσης ξεκινούν στην επιφάνεια ενός τεμαχίου ή κοντά σε αυτήν, οι θλιπτικές τάσεις λόγω μικρο-κοκκοβολής παρέχουν σημαντική αύξηση στην διάρκεια ζωής (σχήμα 3.20).[16] Σχήμα 3.20: Καμπύλες κόπωσης χάλυβα με και χωρίς μικρό-κοκκοβολή[7] Σελ 38

39 Για να είναι το shot peening αποτελεσματικό σε σταθερή βάση και αναπαραγώγιμο, πρέπει να ελέγχονται συγκεκριμένοι παράγοντες. Οι σημαντικότεροι είναι: Το μέσο με το οποίο γίνεται η κοκκοβολή Η ενέργεια της δέσμης Το ποσοστό εκκοίλανσης της επιφανείας του υλικού Η επαναληψιμότητα της διαδικασίας με την συσκευή που έγινε η κοκκοβολή[15] Η προδιαγραφή αεροπορικών υλικών AMS 2431 καλύπτει 7 τύπους υλικών για μικρο-κοκκοβολή: Χυτοσίδηρο κανονικό και σκληρό, ανθρακοχάλυβα και ανοξείδωτο χάλυβα από σύρμα, σφαίρες κοκκοβολής, και σφαιρίδια γυαλιού και κεραμικά. Η προδιαγραφή επίσης επιβάλλει περιορισμούς στην χημική σύνθεση, το μέγεθος, στην σφαιρικότητα, την αρτιότητα και την σκληρότητα των σωματιδίων και τον αποδεκτό αριθμό παραμορφωμένων και σπασμένων σωματιδίων.[16] Συγκεκριμένα για τα σφαιρίδια γυαλιού που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα εφαρμογή μικρο-κοκκοβολής, τα πλεονεκτήματα που αναφέρονται είναι: Η αδρανής φύση του γυαλιού, οπότε και αποφεύγεται η μόλυνση του τεμαχίου με σίδηρο Η αύξηση της επιφανειακής θλιπτικής τάσης και επομένως η περαιτέρω αύξηση των κύκλων μέχρι την έναρξη ρωγμής, κυρίως σε σκληρά τεμάχια και ως δευτερεύουσα διαδικασία σε χαμηλή ένταση. Τα σωματίδια γυαλιού, σε αντίθεση με τα άλλα υλικά, είναι διαθέσιμα σε μεγέθη κάτω του ονομαστικού 0,2mm, ακόμα και σε μεγέθη 0,04mm. Αυτά τα μικρά σωματίδια είναι χρήσιμα για peening σε μικρές ακτίνες όπως βάσεις σπειρωμάτων, παρόλο που πρέπει να δίνεται προσοχή αφού τα μικρότερα σωματίδια δίνουν πολύ μικρότερο βάθος θλιπτικών τάσεων. Το γυαλί έχει πολύ μικρότερη μάζα από τον χάλυβα και επομένως μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε περιπτώσεις που χρειάζεται χαμηλή μετάδοση ενέργειας, όπως σε λεπτά τεμάχια. Τα γυάλινα σωματίδια μπορούν να χρησιμοποιηθούν και σαν υλικό καθαρισμού που ταυτόχρονα βελτιώνει τις ιδιότητες του υλικού.[15] Τα κράματα αλουμινίου των σειρών 2000 και 7000, τα οποία και είναι πολύ επιρρεπή σε εργοδιάβρωση, αναφέρεται ότι αποκρίνονται πολύ καλά σε μικροκοκκοβολή.[16] Σελ 39

40 4. Σκοπός Εργασίας Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη της συμπεριφοράς δοκιμίων αλουμινίου κράματος Al7075-T651 σε κόπωση και κόπωση υπό συνθήκες διάβρωσης. Τα δοκίμια που παραλήφθηκαν είναι 20 C-Rings κατάλληλα για την μελέτη στην μηχανή κόπωσης και κόπωσης διάβρωσης του Εργαστηρίου Μεταλλογνωσίας, εκ των οποίων χρησιμοποιήθηκαν τα 16 λόγω μη αποδεκτών αποκλίσεων στην θέση των οπών στήριξης στην μηχανή κόπωσης στα υπόλοιπα. Ορισμένα από τα δοκίμια υποβλήθηκαν σε επιφανειακές κατεργασίες πριν από την υποβολή τους στις δοκιμασίες κόπωσης και κόπωσης διάβρωσης. Τα διαβρωτικά μέσα που χρησιμοποιήθηκαν στην περίπτωση της κόπωσης διάβρωσης ήταν απιονισμένο νερό και υδατικό διάλυμα χλωριούχου νατρίου 3,5% w/v. Οι δοκιμές κόπωσης πραγματοποιήθηκαν στον αέρα. Οι επιφανειακές κατεργασίες ήταν μικρο-κοκκοβολή και ανοδίωση, που εφαρμόστηκαν είτε ξεχωριστά είτε σε συνδυασμό. Η σύγκριση των διαφορετικών χρόνων αστοχίας των δοκιμίων αναλόγως της επιφανειακής κατεργασίας και των διαφορετικών περιβαλλοντικών συνθηκών οδηγεί σε ενδιαφέροντα συμπεράσματα για την φύση και τον μηχανισμό δράσης της κόπωσης και της κόπωσης διάβρωσης στο συγκεκριμένο κράμα. Τα αποτελέσματα αυτής της πειραματικής διαδικασίας μπορούν να χρησιμεύσουν σε πρακτικές εφαρμογές, κυρίως στην βελτίωση της συμπεριφοράς και του χρόνου ζωής κατασκευών που χρησιμοποιείται το συγκεκριμένο υλικό. Σελ 40

41 5. Εξοπλισμός 5.1. Μηχανή δοκιμών κόπωσης και κόπωσης διάβρωσης (Εικόνα 5.1) Πρόκειται για ιδιοκατασκευή σχεδιασμένη και κατασκευασμένη στο Εργαστήριο Μεταλλογνωσίας για τον σκοπό της μελέτης κόπωσης και κόπωσης διάβρωσης. Αποτελείται από σερβοκινητήρα της εταιρίας FESTO (Μ ο =0,78Νm Ι ο =2,15Α n Ν =6800rpm M N =0,66Nm) και έκκεντρα τετραγωνικού σχήματος για την μετατροπή της περιστροφικής κίνησης του άξονα του σερβοκινητήρα σε παλινδρομική εμβόλου, το οποίο πραγματοποιεί τέσσερις κρούσεις (ανά περιστροφή του άξονα) στο δοκίμιο. Το δοκίμιο βρίσκεται σταθεροποιημένο μέσω ενός άξονα σε δοχείο κατασκευασμένο από Plexiglass που περιέχει τον περιβαλλοντικό παράγοντα και βάση τοποθέτησης του δοκιμίου μέσα στο δοχείο (Εικόνα 5.2). Η μηχανή περιλαμβάνει επίσης την έδραση του δοχείου, και κοχλία ρύθμισης του ύψους του δοχείου και κατ επέκταση και της ασκούμενης φόρτισης στο δοκίμιο. Ο σκελετός της κατασκευής είναι κατασκευασμένος από αλουμίνιο. Το δοχείο που περιέχει τον διαβρωτικό παράγοντα είναι αποσπώμενο έτσι ώστε να τοποθετείται και να απομακρύνεται εύκολα το δοκίμιο, αλλά και για να είναι ευκολότερος ο καθαρισμός του. Εικόνα 5.1: Μηχανή δοκιμών κόπωσης και κόπωσης με διάβρωση Σελ 41

42 Εικόνα 5.2: Το δοκίμιο μέσα στο δοχείο κατά την διάρκεια των δοκιμών κόπωσης με διάβρωση. Διακρίνεται η ρωγμή που ξεκινάει από τα άκρα του δοκιμίου Ηλεκτρονικός εξοπλισμός Περιλαμβάνει κάρτα σήματος, ενισχυτή, τροφοδοσία, και ηλεκτρονικό υπολογιστή για την λειτουργία του σερβοκινητήρα, την ρύθμισή και παρακολούθηση της ασκούμενης δύναμης, και την καταγραφή, επεξεργασία και μελέτη της συμπεριφοράς. Το λογισμικό ελέγχου, παρακολούθησης και καταγραφής στον ηλεκτρονικό υπολογιστή είναι το Wmemoc LabView signal express Ζυγαριά ακριβείας Χρησιμοποιήθηκε για τον έλεγχο του βάρους των δοκιμίων και την μελέτη της μεταβολής του λόγω επιφανειακών κατεργασιών. Επίσης για την μέτρηση των ποσοτήτων των αντιδραστηρίων για την πραγματοποίηση της ανοδίωσης. (Εικ. 5.3) Εικόνα 5.3: Ζυγός ακριβείας Sartorius.[17] Σελ 42

43 5.4. Οπτικό στερεοσκόπιο Χρησιμοποιήθηκε στερεοσκόπιο της εταιρίας Leica, του τμήματος Μεταλλογνωσίας, με κάμερα και συνοδευόμενο από Η/Υ με το κατάλληλο πρόγραμμα για την παρακολούθηση των δοκιμίων και αποθήκευση φωτογραφιών. Με το στερεοσκόπιο είναι δυνατή η μελέτη των ρωγμών και της περιοχής αστοχίας, αφού το μικρό εστιακό βάθος των μικροσκοπίων κάνει τις σχετικές παρατηρήσεις αδύνατες σε αυτά. (Εικόνα 5.4) Εικόνα 5.4: Οπτικό στερεοσκόπιο της εταιρίας Leica 5.5. Εξοπλισμός προετοιμασίας δοκιμίου για μελέτη στο οπτικό μικροσκόπιο Ο εξοπλισμός αυτός περιλαμβάνει μηχανή κοπής για την κοπή δοκιμίου στο κατάλληλο μέγεθος για την μελέτη του στο μικροσκόπιο, διάταξη εγκιβωτισμού σε βακελίτη για να γίνει ο χειρισμός και η μελέτη του ευκολότερη, και περιστρεφόμενοι δίσκοι λείανσης, χαρτιά λείανσης καρβιδίου του πυριτίου (SiC) και ύφασμα στίλβωσης, για την λείανσή του. Τέλος, αντιδραστήριο προσβολής keller s, το οποίο παρασκευάστηκε στο Εργαστήριο Διάβρωσης, για προετοιμασία δοκιμίου για μελέτη στο μικροσκόπιο. Σελ 43

44 5.6. Οπτικό μικροσκόπιο Χρησιμοποιήθηκε οπτικό μικροσκόπιο της εταιρίας Leica, του τμήματος Μεταλλογνωσίας, με κάμερα και Η/Υ με το κατάλληλο πρόγραμμα για την παρακολούθηση της μικροδομής των δοκιμίων και αποθήκευση φωτογραφιών. (Εικόνα 5.5) Εικόνα 5.5: Οπτικό μικροσκόπιο της εταιρίας Leica.[18] 5.7. Αντιδραστήρια Για την δοκιμή κόπωσης με διάβρωση χρησιμοποιήθηκε απιονισμένο H 2 O και υδατικό διάλυμα 3,5% w/v NaCl. Για την ανοδίωση χρησιμοποιήθηκε ακετόνη, υδροξείδιο του νατρίου (NaOH), νιτρικό οξύ (HNO 3 ) και θειικό οξύ (H 2 SO 4 ) Ιδιοκατασκευή ανοδίωσης Η ανοδίωση πραγματοποιήθηκε σε ιδιοκατασκευή που κατασκευάστηκε για τις ανάγκες της εργασίας και φαίνεται στο σχήμα 5.6. Τα υλικά για την κατασκευή του αγοράστηκαν στο εμπόριο, εκτός του τροφοδοτικού. Περιλαμβάνει γυάλινο δοχείο όπου πραγματοποιείται η ανοδίωση, καλώδια, ηλεκτρόδια γραφίτη για την κάθοδο, και κροκοδειλάκια για την συγκράτηση του δοκιμίου. Για την παροχή συνεχούς ρεύματος χρησιμοποιήθηκε τροφοδοτικό της εταιρίας Mastech τύπου HY3005. Σελ 44

45 Εικόνα 5.6 Ιδιοκατασκευή ανοδίωσης Θάλαμος μικρο-κοκκοβολής και αεροσυμπιεστής Χρησιμοποιήθηκε θάλαμος αμμοβολής τύπου Dynablaster M-10 της εταιρίας Δυναμική Ε.Π.Ε. (εικόνα 5.7), και αεροσυμπιεστής της εταιρίας ΛΑΜ Α.Ε.Β.Ε.. Εικόνα 5.7: Θάλαμος κοκκοβολής. Σελ 45

46 Τέλος, κατά την εκτέλεση των πειραμάτων και ιδιαίτερα της ανοδίωσης που περιλάμβανε δυνητικά επικίνδυνα αντιδραστήρια λήφθηκαν όλα τα απαραίτητα μέτρα προστασίας τα οποία περιλαμβάνουν: Έλεγχο του εργαστηριακού περιβάλλοντος πριν την πραγματοποίηση του πειράματος Γάντια Προστατευτική μάσκα Ποδιά Χρήση απαγωγού αναθυμιάσεων κατά την πραγματοποίηση της ανοδίωσης Πυροσβεστήρας Κίτ πρώτων βοηθειών Σελ 46

47 6. Πειραματική διαδικασία 6.1. Συνθήκες πειράματος Τα πειράματα έλαβαν χώρα στο Εργαστήριο Μεταλλογνωσίας του τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών της Πολυτεχνικής Σχολής του Α.Π.Θ. Οι συνθήκες έγινε προσπάθεια να διατηρηθούν όσο το δυνατόν σταθερές κατά την πραγματοποίηση των δοκιμών κόπωσης και κόπωσης διάβρωσης, με θερμοκρασία κοντά στους 25 ο C και μικρές διακυμάνσεις στην ατμοσφαιρική υγρασία η οποία μπορεί να έχει σημαντική επίδραση στην κόπωση στον αέρα Επεξεργασία δοκιμίων Τα δοκίμια έχουν την μορφή δαχτυλιδιών σχήματος C (C-Rings), κατασκευασμένων σύμφωνα με το πρότυπο ASTM G Οι διαστάσεις τους είναι 19mm ύψος, 19mm διάμετρος, 1,5mm πάχος. Τα δοκίμια παραλήφθηκαν μορφοποιημένα στο τελικό τους σχήμα εκτός των οπών σταθεροποίησης, οι οποίες έγιναν με την βοήθεια ειδικού τρυπανιού. Σε μερικά δοκίμια υπήρξε σημαντική απόκλιση η οποία σημειώθηκε, αφού πιθανώς επηρέασε την συμπεριφορά τους στις εργαστηριακές δοκιμές. Στην συνέχεια τα δοκίμια καθαρίστηκαν έτσι ώστε να έχουν ομοιόμορφη τραχύτητα στην εξωτερική επιφάνεια πριν υποβληθούν στις δοκιμές(σχήμα 6.1). Σχήμα 6.1: Μορφή των δοκιμίων Οι τάσεις που αναπτύσσονται στα δοκίμια υπολογίστηκαν με την χρήση της εφαρμογής ANSYS για τάση 35kg. Οι μέγιστες τάσεις αναπτύσσονται όπως περιμέναμε στα άκρα της εξωτερικής επιφάνειας των δοκιμίων και φτάνουν σημειακά τα 335 MPa. Σε αυτά τα σημεία αναμένεται να γίνει και η έναρξη της ρωγμάτωσης. Σελ 47

48 Σχήμα 6.2: Ανάλυση τάσεων κατά την φόρτισή των δοκιμίων σε 35kg. Τα δοκίμια στην συνέχεια ζυγίστηκαν σε ζυγαριά ακριβείας όπου επιβεβαιώθηκε η ομοιομορφία στο βάρος τους και αποθηκεύτηκαν σε σακουλάκια δοκιμίων μέχρι την στιγμή της πραγματοποίησης των δοκιμών. Πριν τις δοκιμές κόπωσης και κόπωσης διάβρωσης, σε ορισμένα δοκίμια πραγματοποιήθηκαν επιφανειακές κατεργασίες μικρο-κοκκοβολής και ανοδίωσης Μικρο-κοκκοβολή Η μικρο-κοκκοβολή πραγματοποιήθηκε στα δοκίμια 7, 9-12 και 20. Ως μέσο κοκκοβολής επιλέχθηκε η χρήση σφαιριδίων γυαλιού λόγω των πλεονεκτημάτων που έχουν αναφερθεί. Η κοκκοβολή πραγματοποιήθηκε χειροκίνητα, με όσο το δυνατόν ομοιόμορφή ποιότητα επιφανείας και όμοια κατεργασία των τεμαχίων. Το πιστόλι αμμοβολής κρατήθηκε κάθετο σε σχέση με την επιφάνεια των δοκιμίων σε απόσταση περίπου 30cm, και κινούνταν κατά μήκος του δοκιμίου κατά την διάρκεια της κατεργασίας, η οποία ήταν περίπου 15sec. Η μέση πίεση κατά την διάρκεια της κατεργασίας ήταν 6 bar. Μετά την κοκκοβολή και πριν τις εργαστηριακές δοκιμές μετρήθηκε το βάρος των δοκιμίων και δεν βρέθηκαν σημαντικές διαφορές σε σχέση με το βάρος τους πριν την κοκκοβολή Ανοδίωση Ανοδίωση πραγματοποιήθηκε στα δοκίμια 13 έως 20. Επιλέχθηκε να γίνει ανοδίωση τύπου ΙΙ (θειικού οξέος) λόγω της διαθεσιμότητας των αντιδραστηρίων και της μεγαλύτερης φιλικότητας στο περιβάλλον σε σχέση με την ανοδίωση τύπου Ι (χρωμικού οξέος). Η προεργασία περιλαμβάνει καθαρισμό σε χημικά διαλύματα έτσι ώστε να καταλήξουμε σε μία χημικά καθαρή επιφάνεια που θα δώσει ομοιόμορφή Σελ 48

49 ανοδική επικάλυψη. Η διάλυση των οξέων έγινε με την χρήση απιονισμένου νερού από διαλύματα μεγαλύτερης πυκνότητας. Εικόνα 6.3: Ιδιοκατασκευή στην οποία πραγματοποιήθηκε η ανοδίωση. Για την πραγματοποίηση της ανοδίωσης πραγματοποιήθηκαν τα ακόλουθα βήματα. Όλα τα διαλύματα βρισκόνταν σε θερμοκρασία δωματίου εκτός αν σημειώνεται διαφορετικά: Απολίπανση των δοκιμίων σε ακετόνη (15 min) Ξέπλυμα σε απιονισμένο νερό (100sec) Εμβύθυνση σε διάλυμα υδροξειδίου του νατρίου (NaOH) 30gr/L και ph 13,3 στους 60 ο C (120 sec) Ξέπλυμα σε απιονισμένο νερό (100 sec) Αποξείδωση σε διάλυμα νιτρικού οξέος (HNO 3 ) 10% v/v. (120sec) Ξέπλυμα σε απιονισμένο νερό (100sec) Ανοδίωση σε θειικό οξύ (H 2 SO 4 ) 15% v/v σε 1,5 Amp ανά dm 2 δοκιμίου για 30 min (διάταξη όπως φαίνεται στην εικόνα 6.3). Σφράγιση σε απιονισμένο νερό στους 95 ο C για 15 min Ο χρόνος ανοδίωσης διέφερε για ορισμένα από τα δοκίμια από 15 έως 60 min έτσι ώστε να μελετηθεί η συμπεριφορά δοκιμίων με διαφορετικό πάχος παθητικού στρώματος οξειδίου. Παρόμοια, σε μερικά από τα δοκίμια διπλασιάστηκε το παρεχόμενο ρεύμα για τον ίδιο λόγο. Μετά την ανοδίωση και πριν τις εργαστηριακές Σελ 49

50 δοκιμές μετρήθηκε το βάρος των δοκιμίων και δεν βρέθηκαν σημαντικές διαφορές σε σχέση με το βάρος τους πριν την επεξεργασία. Επιβεβαίωση της επιτυχίας της ανοδίωσης ήταν η διαφορετική υφή (μάτ επιφάνεια) και το σκούρο χρώμα που αποκτούσαν τα δοκίμια μετά την ανοδίωση Πραγματοποίηση δοκιμών Για την πραγματοποίηση των δοκιμών το εκάστοτε δοκίμιο στερεωνόταν στο δοχείο δοκιμής το οποίο με την σειρά του τοποθετούνταν στην συσκευή δοκιμών. Με την βοήθεια του κοχλία ρυθμιζόταν η απόσταση από τον άξονα και η ασκούμενη ημιτονοειδής φόρτιση (σε κιλά) φαινόταν μέσω του κατάλληλου λογισμικού στον υπολογιστή. Ο υπολογιστής κατέγραφε την έναρξη της δοκιμής, και στην συνέχεια κατέγραφε την φόρτιση συνεχώς (Σχήμα 6.4). Επομένως δεν ήταν απαραίτητη η συνεχής παρακολούθηση της δοκιμής, η οποία μπορούσε να διαρκέσει μέρες, αφού από την καταγραμμένη φόρτιση φαινόταν η ακριβής ώρα αστοχίας ως μία απότομη πτώση του σήματος. Σχήμα 6.4: Χαρακτηριστική μορφή του καταγεγραμμένου σήματος κατά την δοκιμή κόπωσης ενός δοκιμίου. Φαίνεται η μείωση της δύναμης φόρτισης λίγο πριν την αστοχία. Ο σερβοκινητήρας λειτουργούσε σε όλες τις δοκιμές με σταθερή περιστροφική ταχύτητα 600 rpm, που αντιστοιχούν σε 10 στροφές ανά δευτερόλεπτο. Το τετραγωνικό έκκεντρο μετέτρεπε τις περιστροφές αυτές σε 40 κρούσεις ανά δευτερόλεπτο, επομένως συχνότητα 40 Hz. Ο αριθμός των κύκλων μέχρι την αστοχία μπορεί να εξαχθεί επομένως μετρώντας το χρονικό διάστημα σε second από την έναρξη μίας δοκιμής μέχρι την αστοχία και πολλαπλασιάζοντας το με 40 Hz. Τα δοκίμια υποβλήθηκαν σε μία από τις παρακάτω τρείς δοκιμές: Δοκιμή κόπωσης στον αέρα με φορτίο 25 ή 35 kg Δοκιμή κόπωσης με διάβρωση σε απιονισμένο νερό με φορτίο 25 kg Δοκιμή κόπωσης με διάβρωση σε υδατικό διάλυμα χλωριούχου νατρίου (NaCl) 3,5% με φορτίο 25 kg Σελ 50

51 Σε όλες τις περιπτώσεις τα χαρακτηριστικά της κόπωσης ήταν σ m =σ α και R=0. Τα δοκίμια 4 και 6 απορρίφθηκαν εξ αρχής λόγω σχήματος, ενώ και τα δοκίμια 10 και 11 εξετάστηκαν αλλά τα αποτελέσματά τους απορρίφθηκαν ως αναξιόπιστα αφού οι οπές τους απέκλιναν αρκετά από το κέντρο. Τέλος, στο δοκίμιο 13 πραγματοποιήθηκε μεταλλογραφικός έλεγχος μετά από την αστοχία του για να μελετηθεί η μικροδομή του. Μετά την θραύση τους, τα δοκίμια ξεπλένονταν με απιονισμένο νερό και στην συνέχεια ακολουθούσε μελέτη στο στερεοσκόπιο και φωτογράφισή τους. Η στερεομικροσκοπία είναι εναλλακτική όταν η μικροσκοπία είναι αδύνατη λόγω μικρού βάθους πεδίου. Συγκεκριμένα για το δοκίμιο στο οποίο πραγματοποιήθηκε η εξέταση της επιφάνειάς του με μικροσκόπιο, αρχικά χρησιμοποιήθηκε κοπτικό για την κοπή ενός τμήματός του, το οποίο εγκιβωτίστηκε σε βακελίτη. Στην συνέχεια λειάνθηκε μία πλευρά του σε λειαντική μηχανή, αρχικά με λειαντικούς δίσκους SiC 400, 800 και 1200 κόκκων/cm2 και στην συνέχεια τελική λείανση με διάλυμα αλουμίνας (Al 2 O 3 ), με σκοπό να επιτευχθεί καθαρή, λεία επιφάνεια για τον μεταλλογραφικό έλεγχο. Ακολούθησε χημική προσβολή του με εμβάπτιση σε ειδικό αντιδραστήριο. Χρησιμοποιήθηκε το αντιδραστήριο Keller s (95%v/vH2O, 2,5%v/vHNO3, 1,5%v/vHCl, 1%v/vHF) το οποίο παρασκευάστηκε στο εργαστήριο διάβρωσης. Τέλος εξετάστηκε σε οπτικό μικροσκόπιο Leica σε μεγέθυνες 50x, 100x και 200x και πραγματοποιήθηκε φωτογράφησή του. Σελ 51

52 7. Αποτελέσματα 7.1. Πειραματικά αποτελέσματα Στους πίνακες που ακολουθούν φαίνονται τα αποτελέσματα των δοκιμών κόπωσης και κόπωσης διάβρωσης για τις διαφορετικές ομάδες δοκιμίων. Πίνακας 7.1: Αποτελέσματα για τα δοκίμια τα οποία υποβλήθηκαν σε κόπωση. Για το δοκίμιο 2, σημειώνεται οτι δεν αστόχησε σε φόρτιση 25kg και η φόρτιση αυξήθηκε στα 35kg. Α/Α Δοκιμίου Φόρτιση (kg) Κατεργασία Χρόνος μέχρι την αστοχία (sec) Χρόνος μέχρι την αστοχία (minutes) Αριθμός κύκλων μέχρι την αστοχία 2 25 και 35 Καμία 84486(3394) 1408(56) (135760) 3 35 Καμία Ανοδίωση Πίνακας 7.2: Αποτελέσματα για τα δοκίμια που υποβλήθηκαν σε κόπωση με διάβρωση σε απιονισμένο H2O. Φόρτιση Κατεργασία (kg) Α/Α Δοκιμίου Χρόνος μέχρι την αστοχία (sec) Χρόνος μέχρι την αστοχία (minutes) Αριθμός κύκλων μέχρι την αστοχία 1 25 Καμία Καμία Μικροκοκκοβολή Μικροκοκκοβολή Ανοδίωση Ανοδίωση και Μικροκοκκοβολή Σελ 52

53 Πίνακας 7.3: Αποτελέσματα για τα δοκίμια που υποβλήθηκαν σε κόπωση με διάβρωση σε υδατικό διάλυμα NaCl 3,5% w/v. Τα αποτελέσματα των δοκιμίων 10 και 11 απορρίφθηκαν ως αναξιόπιστα λόγω λάθος οπών. Α/Α Δοκιμίου Φόρτιση (kg) Κατεργασία Χρόνος μέχρι την αστοχία (sec) Χρόνος μέχρι την αστοχία (minutes) Αριθμός κύκλων μέχρι την αστοχία 8 25 Καμία Μικροκοκκοβολή Μικροκοκκοβολή Μικροκοκκοβολή Ανοδίωση Ανοδίωση Ανοδίωση Ανοδίωση Ανοδίωση Στους επόμενους πίνακες παρουσιάζονται τα αποτελέσματα διαγραμματικά. Η σχεδίαση καμπυλών S-N είναι αδύνατη, αφού τα δοκίμια εξετάστηκαν σε ίδιες φορτίσεις. Διάγραμμα 7.4: Αποτελέσματα κόπωσης. Σελ 53

54 Διάγραμμα 7.5: Αποτελέσματα κόπωσης με διάβρωση σε απιονισμένο H 2 O. Διάγραμμα 7.6: Αποτελέσματα κόπωσης με διάβρωση σε υδατικό διάλυμα NaCl. Τέλος στο διάγραμμα 4 παρουσιάζονται τα συγκριτικά αποτελέσματα των δοκιμών κόπωσης και κόπωσης διάβρωσης σε όλα τα περιβάλλοντα και για όλες τις κατεργασίες. Για τις δοκιμές που πραγματοποιήθηκαν επαναληπτικά πειράματα δίνεται ο μέσος όρος των αποτελεσμάτων. Παραλείπεται η συνδυαστική κατεργασία κοκκοβολής-ανοδίωσης. Σελ 54

55 Διάγραμμα 7.7: Συνδυαστικά αποτελέσματα δοκιμών. Δεν πραγματοποιήθηκε δοκιμασία κόπωσης στον αέρα μετά από μικρο-κοκκοβολή Αποτελέσματα στερεοσκοπικής και μικροσκοπικής εξέτασης Στη συνέχεια παρουσιάζονται επιλεγμένες στερεοσκοπικές φωτογραφίες: Εικόνα 7.8: Αστοχία σε κόπωση, μεγεθύνσεις X6, X16, X40, X40 (Δοκίμιο 3). Σελ 55

56 Εικόνα 7.9: Αστοχία σε κόπωση με διάβρωση σε απιονισμένο νερό, μεγεθύνσεις Χ6, Χ16, Χ25, Χ40 (Δοκίμιο 1). Εικόνα 7.10: Αστοχία σε κόπωση με διάβρωση σε υδατικό διάλυμα NaCl, μεγεθύνσεις X6, X16, X25, X40 (Δοκίμιο 4). Σελ 56

57 Εικόνα 7.11: Αστοχία σε κόπωση με διάβρωση σε υδατικό διάλυμα NaCl μετά από ανοδίωση των δοκιμίων, μεγεθύνσεις X6, X16, X40, X40 (Δοκίμια 14,15,16) Εικόνα 7.12: Αστοχία σε κόπωση μετά από ανοδίωση των δοκιμίων, μεγεθύνσεις Χ6, Χ16, Χ25, Χ40 (Δοκίμιο 19) Σελ 57

58 Εικόνα 7.13: Αστοχία σε κόπωση με διάβρωση σε απιονισμένο νερό μετά από ανοδίωση των δοκιμίων, μεγεθύνσεις Χ6, Χ16, Χ25, Χ40 (Δοκίμιο 18) Εικόνα 7.14: Αστοχία σε κόπωση με διάβρωση σε υδατικό διάλυμα NaCl μετά από μικρο-κοκκοβολή των δοκιμίων, μεγεθύνσεις Χ6, Χ16, Χ25, Χ40 (Δοκίμια 11,12) Σελ 58

59 Τέλος, παρουσιάζονται επιλεγμένες φωτογραφίες από την μικροσκοπική εξέταση του δοκιμίου 13. Εικόνα 7.15: Φωτογραφία μικροσκοπίου 50Χ Εικόνα 7.16: Φωτογραφία μικροσκοπίου 200Χ Σελ 59