ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΚΑΙ ΑΝΤΟΧΗΣ ΥΛΙΚΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ & ΑΕΡΟΝΑΥΠΗΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΘΕΜΑ:

Transcript

1 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΚΑΙ ΑΝΤΟΧΗΣ ΥΛΙΚΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ & ΑΕΡΟΝΑΥΠΗΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΘΕΜΑ: ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΤΗΣ ΔΙΑΒΡΩΣΗΣ ΣΤΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΟΥ ΧΑΛΥΒΑ ΟΠΛΙΣΜΟΥ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ S400 ΣΕ ΣΤΑΤΙΚΑ ΚΑΙ ΔΥΝΑΜΙΚΑ ΦΟΡΤΙΑ ΠΑΣΙΑΛΗΣ ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ Α.Μ Επιβλέπων καθηγητής: Χ. ΑΠΟΣΤΟΛΟΠΟΥΛΟΣ Επιβλέπων ερευνητής: Μ. ΠΑΠΑΔΟΠΟΥΛΟΣ ΠΑΤΡΑ 2005 Εργαστήριο Τεχνολογίας και Αντοχής Υλικών 1

2 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή Σ όποιον το βουνό ν ανεβεί θελήσει του στέλνει άλογα ο Θεός Άγγελος Σικελιανός Εργαστήριο Τεχνολογίας και Αντοχής Υλικών 2

3 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η διπλωματική αυτή εργασία είναι αποτέλεσμα έρευνας που πραγματοποιήθηκε στο χρονικό διάστημα στο Τμήμα Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών. Η εκτέλεση των πειραμάτων έγινε στο εργαστήριο Τεχνολογίας και Αντοχής των Υλικών (ΕΤΑΥ) του Τμήματος το οποίο διέθετε όλη την απαραίτητη υλικοτεχνική υποδομή για τη πραγμάτωση της έρευνας. Η εργασία εκπονήθηκε υπό τη στενή επίβλεψη και καθοδήγηση του Λέκτορα κ. Χάρη Αποστολόπουλου ο οποίος είναι και ο επικεφαλής όλης της ερευνητικής προσπάθειας του εργαστηρίου, πάνω στο θέμα της διάβρωσης του χάλυβα οπλισμού σκυροδέματος, της οποίας ένα κομμάτι είναι η παρούσα διπλωματική εργασία. Τον ευχαριστώ ιδιαίτερα για την εμπιστοσύνη που έδειξε στο πρόσωπό μου καθώς και για τις πολύτιμες συμβουλές και προτροπές του. Πολύτιμη ήταν και η συμβολή του μεταπτυχιακού φοιτητή κ.μιχάλη Παπαδόπουλου ο οποίος στην μακρόχρονη και κοπιαστική διεκπεραίωση της εργασίας υπήρξε αναντικατάστατος αρωγός. Επίσης ευχαριστώ θερμά τον τεχνικό του εργαστηρίου κ. Στέφανο Καρβέλη για τη συνεχή υποστήριξή του σε τεχνικής φύσεως θέματα καθώς και τον χημικό και διευθυντή παραγωγής της ΧΑΛΥΒΟΥΡΓΙΚΗ Α.Ε. κ. Βασίλη Σκαράκη για την ουσιαστική και ανιδιοτελή βοήθειά του όποτε αυτή του ζητήθηκε. Τέλος, δεν θα παραλείψω να ευχαριστήσω και τον φίλο και ηλεκτρολόγο μηχανικό κ.γιάννη Κώσκωρη για την συμβολή του σε θέματα προγραμματισμού καθώς και όλα τα μέλη της οικογένειάς μου για την ηθική συμπαράστασή τους. Εργαστήριο Τεχνολογίας και Αντοχής Υλικών 3

4 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το οπλισμένο σκυρόδεμα χρησιμοποιείται σήμερα ως κύριο υλικό κατασκευής σε πολλά δομικά και τεχνικά έργα όπως, κτίρια, σήραγγες, γέφυρες, λιμενικά έργα, κτλ. Η ιδέα της χρήσης χαλύβδινου οπλισμού στο σκυρόδεμα, οφείλεται σε ευρεσιτεχνία του κατασκευαστή Ζοζέφ Μονιέ το Με την προσθήκη χάλυβα ενισχύθηκε η αντοχή του σκυροδέματος σε εφελκυσμό η οποία, εν συγκρίσει με την αντοχή σε θλίψη, είναι σημαντικά μειωμένη. Τα φορτία στα οποία καταπονούνται οι κατασκευές είναι εκτός από στατικά και δυναμικά, τα οποία οδηγούν με το χρόνο σε υποβάθμιση της φέρουσας δομικής ακεραιότητάς τους δηλαδή της ικανότητας των κατασκευών να παραλαμβάνουν με ασφάλεια τα μηχανικά φορτία. Αυτό είναι ευρέως γνωστό και λαμβάνεται υπόψη στο σχεδιασμό από το μηχανικό. Ωστόσο, οι κατασκευές δεν υποβαθμίζονται μόνο από τα φορτία αλλά και από την επίδραση του περιβάλλοντος στο οπλισμένο σκυρόδεμα. Συγκεκριμένα, λόγω της ατμοσφαιρικής ρύπανσης, επέρχεται ενανθράκωση του σκυροδέματος, δηλαδή μετατρέπεται το Ca(OH)2 σε CaCO3 με αποτέλεσμα την πτώση του ph (από 12.5 σε 9 περίπου) και τη δημιουργία πιο όξινου περιβάλλοντος για το χάλυβα που βρίσκεται στο εσωτερικό του τσιμέντου. Διάβρωση στο χάλυβα παρατηρείται και λόγω της υψηλής συγκέντρωσης χλωριόντων στο σκυρόδεμα ή της παρουσίας νερού και οξυγόνου που προϋπήρχαν (ή εισέρχονται εκ των υστέρων) στο σκυρόδεμα [1]. Έχει διαπιστωθεί ότι η διάβρωση στο σκυρόδεμα προχωρά με ρυθμό περίπου 1mm το χρόνο [2]. Γίνεται αμέσως κατανοητό ότι τα 20mm που ορίζει ο κανονισμός για το προστατευτικό στρώμα τσιμέντου του χάλυβα δεν επαρκούν για αποτελεσματική προστασία, πόσο μάλλον όταν και αυτά τα 20mm δεν φαίνεται να τηρούνται στην πράξη από τους εργολάβους όπως φαίνεται στo Σχήμα 1.1 Σχ. 1.1: Διάβρωση χάλυβα σε οπλισμένο σκυρόδεμα κτιρίου του 1972 Επιπλέον, πολλές φορές ο χάλυβας οπλισμού αφήνεται εκτεθειμένος στον ατμοσφαιρικό αέρα σε αναμονές κτιρίων και διαβρώνεται ανεξέλεγκτα με την πάροδο του χρόνου. Στο παρακάτω Σχήμα 1.2 φαίνεται το νέο κτίριο των Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών στο οποίο οι αναμονές του χάλυβα οπλισμού παρέμειναν απόλυτα εκτεθειμένες στην ατμοσφαιρική ρύπανση για 7 έτη. Εργαστήριο Τεχνολογίας και Αντοχής Υλικών 4

5 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή Σχ. 1.2: Εκτεθειμένος χάλυβας οπλισμού σε αναμονή κτιρίου Είναι προφανές ότι τόσο η επιστημονική κοινότητα όσο και η κοινωνία γενικότερα δεν φαίνεται να ανησυχούν για το ενδεχόμενο ο δομικός χάλυβας να υποβαθμίζεται σε τέτοιο βαθμό από τη διάβρωση, ώστε να απειλείται σοβαρά η δομική ακεραιότητα των κατασκευών από οπλισμένο σκυρόδεμα. Κατόπιν όλων αυτών των διαπιστώσεων, κρίνεται πλέον επιβεβλημένη η έρευνα πάνω στο θέμα της υποβάθμισης του δομικού χάλυβα λόγω διάβρωσης. Αντικείμενο της εργασίας αυτής είναι η μελέτη της επίδρασης της διάβρωσης στη μηχανική συμπεριφορά του χάλυβα οπλισμού S400, ο οποίος χρησιμοποιήθηκε ως χάλυβας οπλισμού σκυροδέματος από τη δεκαετία του 60 έως και τα τέλη της δεκαετίας του 90. Για την πραγματοποίηση της εργασίας αυτής, έγιναν μηχανικές δοκιμές εφελκυσμού και κόπωσης σε προδιαβρωμένα και αδιάβρωτα δοκίμια αναφοράς χάλυβα S400. Εργαστήριο Τεχνολογίας και Αντοχής Υλικών 5

6 Κεφάλαιο 2 Μηχανική συμπεριφορά σε στατικά εφελκυστικά φορτία 2. ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΣΕ ΣΤΑΤΙΚΑ ΕΦΕΛΚΥΣΤΙΚΑ ΦΟΡΤΙΑ 2.1 ΠΕΙΡΑΜΑ ΤΟΥ ΕΦΕΛΚΥΣΜΟΥ Το πείραμα του εφελκυσμού υπό ψευδοστατικά φορτία πραγματοποιείται με σκοπό τον προσδιορισμό των μηχανικών ιδιοτήτων του υλικού. Για την διεξαγωγή του πειράματος του εφελκυσμού απαιτείται η ύπαρξη κάποιας ειδικής πειραματικής συσκευής της οποίας η σχηματική παράσταση φαίνεται στο Σχήμα 2.1. Ένα δοκίμιο με προδιαγεγραμμένες διαστάσεις επιμηκύνεται με σταθερό ρυθμό μέσω ενός μηχανικού ή υδραυλικού συστήματος. Το ένα άκρο του δοκιμίου είναι συνδεδεμένο με ένα δυναμόμετρο ενώ το άλλο άκρο του συνδέεται με μια απαραμόρφωτη πλάκα η οποία κινείται προς τα κάτω με σταθερή ταχύτητα, η οποία ρυθμίζεται στην αρχή της δοκιμής. Η ταχύτητα αυτή είναι πολύ μικρή, της τάξης των 2mm/min, ώστε το επιβαλλόμενο φορτίο να θεωρείται ψευδοστατικό. Σχ. 2.1 Πειραματική διάταξη εφελκυσμού Κατά τη διάρκεια του πειράματος καταμετρώνται ανά σταθερά χρονικά διαστήματα μεγέθη όπως η δύναμη, η μετατόπιση της μετακινούμενης αρπάγης και η παραμόρφωση του δοκιμίου. Σε ένα διάγραμμα (σ-ε) καταγράφεται η τάση εφελκυσμού και η αντίστοιχη ορθή παραμόρφωση. Στο Σχήμα 2.2 φαίνεται το χαρακτηριστικό διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων από το οποίο προκύπτει η μηχανική συμπεριφορά του υλικού σε ψευδοστατικά φορτία. Εργαστήριο Τεχνολογίας και Αντοχής Υλικών 6

7 Κεφάλαιο 2 Μηχανική συμπεριφορά σε στατικά εφελκυστικά φορτία Σχ. 2.2 Διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων 2.2 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ ΤΙΜΕΣ/ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ Καθώς το δοκίμιο επιμηκύνεται σταθερά με το χρόνο αρχικά παρατηρείται ότι η δύναμη αυξάνει ανάλογα με την επιμήκυνση του δοκιμίου. Γι' αυτό το αρχικό τμήμα του διαγράμματος σ - ε μέχρι την οριακή τιμή σ Α, η οποία χαρακτηρίζεται και ως όριο αναλογίας του υλικού, μπορεί να περιγραφεί με το γραμμικό νόμο: σ = Εε Η σχέση αυτή ονομάστηκε νόμος του ΗΟΟΚΕ κατά τον Άγγλο μαθηματικό Hooke ( ). Ο συντελεστής αναλογίας Ε αποτελεί χαρακτηριστική ιδιότητα του υλικού και ονομάζεται μέτρο ελαστικότητας ή μέτρο Young, Για το χάλυβα το μέτρο ελαστικότητας κυμαίνεται μεταξύ των τιμών Ε = 185 ~ 215 MPa. Άλλη χαρακτηριστική τιμή του διαγράμματος σ-ε είναι το όριο ελαστικότητας σ F. Σαν όριο ελαστικότητας χαρακτηρίζεται η μέγιστη ονομαστική τάση, που μπορεί να αναπτυχθεί στο δοκίμιο δίχως να παρουσιαστούν σε αυτό μακροσκοπικά μόνιμες ή πλαστικές παραμορφώσεις. Ονομαστική ονομάζεται η ορθή τάση σ = Ρ / Ρ 0, γιατί η δύναμη ανάγεται στην αρχική διατομή Ρ 0 του δοκιμίου. Το υλικό συμπεριφέρεται μέχρι το όριο αυτό ελαστικά (η παραμόρφωση μετά το όριο αναλογίας μπορεί να αυξάνει ταχύτερα από ότι η τάση). Πέρα από το όριο ελαστικότητας παρουσιάζονται στο δοκίμιο μόνιμες παραμορφώσεις. Αυτό σημαίνει ότι μετά την αποφόρτιση το δοκίμιο δεν επανέρχεται στο αρχικό του μήκος. Σαν όριο διαρροής χαρακτηρίζουμε εκείνη την ονομαστική τάση κάτω από την οποία παρατηρείται στο δοκίμιο μετά την αποφόρτιση μετρήσιμη παραμόρφωση. Στα τεχνικά υλικά συνήθως δεν γίνεται διάκριση μεταξύ του ορίου αναλογίας, του ορίου ελαστικότητας και του ορίου διαρροής. Στους κοινούς χάλυβες, στο διάγραμμα σ-ε παρατηρείται μια έντονη πτώση της τάσης από το άνω όριο διαρροής στο κάτω όριο διαρροής (περιοχή Ludders). Ως όριο διαρροής παίρνουμε το Εργαστήριο Τεχνολογίας και Αντοχής Υλικών 7

8 Κεφάλαιο 2 Μηχανική συμπεριφορά σε στατικά εφελκυστικά φορτία κάτω όριο διαρροής ή το άνω όριο διαρροής ή τη μέση τάση στην περιοχή Ludders. Η μέγιστη ονομαστική τάση παρουσιάζεται στο διάγραμμα σ-ε χαρακτηρίζεται ως όριο αντοχής θραύσης του υλικού και συμβολίζεται με σ Β. Πέρα από το όριο αυτό η ονομαστική τάση αρχίζει να πέφτει, ενώ στο δοκίμιο παρατηρείται μια εγκάρσια παραμόρφωση ή στένωση (λαιμός) μέχρι την οριστική θραύση του δοκιμίου. Σημαντικές χαρακτηριστικές τιμές είναι επίσης η παραμόρφωση θραύσης ε f η οποία μετράται στο σημείο τομής της παράλληλης της ευθείας Hooke στο σημείο θραύσης με τον x-άξονα και η παραμόρφωση ε Β που αντιστοιχεί στην παραμόρφωση που έχει δεχτεί το δοκίμιο όταν η τάση φτάσει στη μέγιστη τιμή σ Β. Η καταλληλότητα ενός υλικού να χρησιμοποιηθεί ως τεχνικό υλικό εξαρτάται συχνά από την ικανότητα του να αποταμιεύει μηχανική ενέργεια. Ως κατάλληλα μεγέθη για την εκτίμηση της ικανότητας αυτής θεωρούνται η ειδική ενέργεια παραμόρφωσης U ειδ και η ενέργεια παραμόρφωσης U: U ειδ = ε 0 U = U V ειδ σ ( ε) dε Οι ποσότητες αυτές εκφράζονται σε μονάδες Pa και Joule αντίστοιχα [3]. Εργαστήριο Τεχνολογίας και Αντοχής Υλικών 8

9 Κεφάλαιο 3 Μηχανική συμπεριφορά σε δυναμικά φορτία 3. ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΣΕ ΔΥΝΑΜΙΚΑ ΦΟΡΤΙΑ 3.1 ΓΕΝΙΚΑ Τα δομικά στοιχεία μιας κατασκευής πολύ συχνά καταπονούνται σε χρονικά μεταβαλλόμενα φορτία. Έχει δειχθεί ότι ένα υλικό καταπονούμενο από τέτοιου είδους φορτία κοπαίνει και αστοχεί κάτω από τάσεις μικρότερες από το όριο θραύσης, ή ακόμα και κάτω από το όριο διαρροής. Το φαινόμενο αυτό της μείωσης της αντοχής του υλικού κάτω από μεταβαλλόμενα φορτία ονομάζεται κόπωση. Στο παρακάτω Σχήμα 3.1 παρουσιάζεται ο τρόπος κατασκευής μιας καμπύλης Woehler για υλικό που δέχεται εναλλασσόμενη φόρτιση με σταθερό εύρος τάσης σ α. Στο Σχήμα 3.2 φαίνεται η πλήρης μορφή μιας καμπύλης Woehler, από την οποία μπορεί να προσδιοριστεί το συμβατικό όριο κόπωσης του υλικού σ Α. Όριο κόπωσης ονομάζεται εκείνη η τάση σ α για ορισμένη μέση τάση κάτω από την οποία το υλικό δεν αστοχεί για οποιοδήποτε αριθμό κύκλων φόρτισης. ( N ). Επειδή είναι αδύνατο να προσδιοριστεί πειραματικά το όριο αυτό, εισάγεται η έννοια του συμβατικού ορίου κόπωσης, το οποίο χαρακτηρίζεται ως εκείνο το όριο κόπωσης του υλικού κάτω από το οποίο δεν σημειώνεται σημαντική μείωση της αντοχής του, με αύξηση των κύκλων φόρτισης. Το όριο αυτό αντιστοιχεί συνήθως σε 10 6 κύκλους εναλλασσόμενης φόρτισης. Σχ. 3.1 Υποβάθμιση της μέγιστης τάσης σ α σε κάθε κύκλο εναλλακτικής φόρτισης με εύρος παραμόρφωσης ±ε Η κόπωση σχετίζεται άμεσα με τη δημιουργία και διάδοση ρωγμών στη δομή του υλικού. Η αρχική ρωγμή είναι τόσο μικρή, που δεν είναι ορατή δια γυμνού οφθαλμού και ορισμένες φορές είναι δύσκολο να εντοπιστεί ακόμα και με ακτίνες Χ. Η ρωγμή δημιουργείται συνήθως σε σημεία ασυνέχειας στην επιφάνεια του υλικού, όπως σε περιοχές μεταβολής της διατομής, τρύπες, νευρώσεις κ.λ.π. Επίσης, ρωγμές ενδέχεται να δημιουργηθούν στο εσωτερικό του υλικού σε περιοχές όπου υπάρχουν κρυσταλλικές μικροανωμαλίες. Μόλις η ρωγμή σχηματιστεί, η επίδραση της συγκέντρωσης τάσεων γίνεται μεγαλύτερη και η δημιουργηθείσα ρωγμή διαδίδεται ταχέως, ώσπου να επέλθει η αστοχία. Στο Σχήμα 3.3 φαίνεται η περίπτωση αστοχίας λόγω κόπωσης σε ένα στρόφαλο ποδηλάτου και στο επόμενο Σχήμα 3.4 αναλύεται διεξοδικά αυτή η περίπτωση αστοχίας [4]. Εργαστήριο Τεχνολογίας και Αντοχής Υλικών 9

10 Κεφάλαιο 3 Μηχανική συμπεριφορά σε δυναμικά φορτία Σχ. 3.2 Καμπύλη Woehler Όταν το εύρος των τάσεων στο πείραμα της κόπωσης είναι τόσο μεγάλο ώστε οι κύκλοι αστοχίας να κυμαίνονται μεταξύ για συχνότητες Hz, τότε μπορούμε να μιλάμε για ολιγοκυκλική κόπωση. Τέτοια φαινόμενα είναι αρκετά συχνά και πολύ επικίνδυνα, γι αυτό χρήζουν ιδιαίτερης προσοχής. Ειδικότερα, στην περίπτωση κατασκευών με οπλισμένο σκυρόδεμα, υπάρχει καταπόνηση, τόσο στο ίδιο το σκυρόδεμα όσο και στο δομικό χάλυβα, λόγω της σεισμικής δραστηριότητας του υπεδάφους η οποία προσομοιώνεται καλύτερα με πειράματα ολιγοκυκλικής κόπωσης. Στο Σχήμα 3.5 φαίνεται η μεταβολή του βρόγχου υστέρησης με τον αριθμό των κύκλων φόρτισης για ολιγοκυκλική κόπωση με σταθερό συνολικό εύρος παραμόρφωσης. Παρατηρούμε ότι σε κάθε κύκλο υποβαθμίζονται οι ιδιότητες αντοχής του υλικού. Σχ. 3.3 Αστοχία λόγω κόπωσης σε στρόφαλο ποδηλάτου Εργαστήριο Τεχνολογίας και Αντοχής Υλικών 10

11 Κεφάλαιο 3 Μηχανική συμπεριφορά σε δυναμικά φορτία Η ρωγμή δημιουργήθηκε ακριβώς στην περιοχή των μέγιστων καμπτικών ροπών, στην εφελκυστική περιοχή. Πριν τη θραύση δεν υπήρχε καμία απολύτως ένδειξη φθοράς του υλικού. Η ρωγμή διαδόθηκε αργά στην μαύρη περιοχή έως ότου η απομένουσα διατομή ήταν ανεπαρκής για να υποστηρίξει τη ροπή κάμψης που δημιουργούσε η δύναμη στο πεντάλ από τον αναβάτη και ο βραχίονας έσπασε. Η ρωγμή χρειάστηκε αρκετό χρόνο πριν σχηματιστεί. Όταν όμως τελικά δημιουργήθηκε, η διάδοσή της ήταν ταχεία και επιταχυνόμενη όπως φαίνεται από τα σημάδια που άφησε η ρωγμή. Σχ. 3.4 Ανάλυση της αστοχίας, λόγω κόπωσης, του στρόφαλου. Εργαστήριο Τεχνολογίας και Αντοχής Υλικών 11

12 Κεφάλαιο 3 Μηχανική συμπεριφορά σε δυναμικά φορτία Σχ. 3.5 Μεταβολή του βρόγχου υστέρησης με τον αριθμό των κύκλων φόρτισης για ολιγοκυκλική κόπωση με σταθερό συνολικό εύρος παραμόρφωσης Δε. 3.2 ΚΟΠΩΣΗ ΔΟΜΙΚΟΥ ΧΑΛΥΒΑ Η ομογενής συμπεριφορά του οπλισμένου σκυροδέματος σε εντατικές καταστάσεις βελτιώνεται με την παρουσία των νευρώσεων πάνω στην επιφάνεια του δομικού χάλυβα οι οποίες αυξάνουν τη συνάφεια χάλυβα-τσιμέντου. Ωστόσο, η ύπαρξη νευρώσεων πάνω στην επιφάνεια του μετάλλου καθιστά τους νευροχάλυβες λιγότερο ανθεκτικούς στην κόπωση, σε σχέση με τους λείους, επειδή οι νευρώσεις είναι περιοχές συγκέντρωσης τάσεων, όπου δημιουργούνται και διαδίδονται ρωγμές [5]. Στο επόμενο Σχήμα 3.6 παρουσιάζεται σε ένα κοινό (Fmax~N) διάγραμμα η συμπεριφορά σε κόπωση ενός λειασμένου με ένα αλείαντο δοκίμιο χάλυβα S500s [6]. Παρατηρούμε δύο σημαντικές διαφορές: Το λειασμένο δοκίμιο αντέχει σε περισσότερους κύκλους φόρτισης ενώ το αλείαντο αποδίδει περισσότερο φορτίο σε kn (αφού έχει περισσότερη μάζα από το αντίστοιχο λειασμένο). Προκύπτει λοιπόν το ερώτημα, ποιος χάλυβας είναι ο καταλληλότερος για χρήση στο σκυρόδεμα, ο ισχυρότερος σε δύναμη ή ο επικρατέστερος σε διάρκεια φόρτισης. Κριτήριο για τη σύγκριση λείων και με νευρώσεις δομικών χαλύβων είναι η προς ανάλωση ενέργεια που διαθέτει ο χάλυβας. Η ενέργεια αυτή (σε Pa) βρίσκεται, όπως περιγράφεται παρακάτω στο Κεφάλαιο 9, από το συνολικό εμβαδόν των βρόγχων υστέρησης που απεικονίζονται στο Σχήμα 3.3. Η επιλογή της ενέργειας για κριτήριο σύγκρισης καταλληλότητας μεταξύ του νευροχάλυβα και του λείου χάλυβα γίνεται με την εξής λογική: Μια κυματική διέγερση του εδάφους (π.χ από τεκτονικό σεισμό) μεταδώσει αναπόφευκτα ένα ποσό ενέργειας το οποίο πρέπει να παραλάβει η κατασκευή με οπλισμένο σκυρόδεμα. Από αυτό το ποσό ενέργειας, ένα μέρος θα παραλάβει ο χάλυβας και το υπόλοιπο, το σκυρόδεμα. Όσο Εργαστήριο Τεχνολογίας και Αντοχής Υλικών 12

13 Κεφάλαιο 3 Μηχανική συμπεριφορά σε δυναμικά φορτία περισσότερη ενέργεια παραλάβει ο χάλυβας, τόσο λιγότερη μένει να παραλάβει το σκυρόδεμα του οποίου η δομική ακεραιότητα είναι πιο σημαντική από αυτή του χάλυβα 60 λειασμένο Μη λειασμένο 30 ημερών 50 Δύναμη (kn) Κύκλοι αστοχίας Σχ. 3.6: Συγκριτικό διάγραμμα μείωσης της μέγιστης εφελκυστικής δύναμης για δοκίμια χάλυβα S500s 30 ημερών διαβρωμένα και εύρος παραμόρφωσης ±1%. Εργαστήριο Τεχνολογίας και Αντοχής Υλικών 13

14 Κεφάλαιο 4 Διάβρωση 4. ΔΙΑΒΡΩΣΗ 4.1 ΓΕΝΙΚΑ Διάβρωση χαρακτηρίζουμε τη φθορά που υφίσταται ένα υλικό λόγω χημικών η ηλεκτροχημικών αντιδράσεων με το περιβάλλον του. Η προσβολή ξεκινάει συνήθως από την επιφάνεια και διαδίδεται υπό διάφορες μορφές προς το εσωτερικό του υλικού, με αποτέλεσμα να επηρεάζονται δυσμενώς οι μηχανικές του ιδιότητες. Η βασική αιτία διάβρωσης είναι η τάση που έχουν τα υλικά να καταλαμβάνουν την κατάσταση της ελάχιστης ελεύθερης ενθαλπίας. Η τάση αυτή είναι πιο έντονη ιδιαίτερα στα μεταλλικά υλικά που προέκυψαν από μεταλλεύματα μέσω ενδόθερμων διαδικασιών. Ένα μέταλλο κατά τη διάρκεια της παραγωγής του π.χ. στην υψικάμινο με πρόσληψη θερμικής ενέργειας μεταφέρεται σε μια υψηλότερη, περισσότερο ασταθή κατάσταση, από ότι βρισκόταν στην φύση ως χημική ένωση. Την κατάσταση αυτή τείνει να εγκαταλείψει και να επανέλθει σε κατάσταση χαμηλότερης ελεύθερης ενθαλπίας [7]. Οι συνέπειες της διάβρωσης είναι κοινωνικές και οικονομικές. Έχουν αναφερθεί πολλά μοιραία ατυχήματα λόγω της υποβάθμισης των κατασκευών όπως αεροπορικά ατυχήματα, καταρρεύσεις κτιρίων, εκρήξεις σωλήνων ατμού, διαρροές σε πυρηνικούς αντιδραστήρες και πολλά άλλα. Επίσης κανείς δεν μπορεί να αγνοήσει το τεράστιο κόστος από την αντιμετώπιση της διάβρωσης και την τεράστια ερευνητική προσπάθεια που γίνεται σε διεθνές επίπεδο να βρεθούν αποτελεσματικοί και φθηνοί τρόποι προστασίας από τη διάβρωση. 4.2 ΕΙΔΗ ΔΙΑΒΡΩΣΗΣ Υπάρχουν τα εξής είδη διάβρωσης [7]: Χημική διάβρωση Ηλεκτροχημική διάβρωση Διάβρωση με παραγωγή υδρογόνου Διάβρωση με απορρόφηση οξυγόνου Βιολογική διάβρωση Χημική διάβρωση Ως χημική διάβρωση χαρακτηρίζουμε τη χημική αντίδραση ενός μεταλλικού υλικού με το διαβρωτικό περιβάλλον στο οποίο βρίσκεται. Στην αντίδραση αυτή το μέταλλο χάνει ηλεκτρόνια με αποτέλεσμα να σχηματίζεται στην επιφάνεια ένα πολύ λεπτό στρώμα οξειδίου. Η χημική αντίδραση που συμβαίνει για την περίπτωση του σιδήρου είναι η παρακάτω: 1 Fe + O2 FeO 2 Τα οξείδια του σιδήρου FeO συσσωρεύονται και σχηματίζουν ένα στρώμα πάνω στην επιφάνεια του σιδήρου ώστε για να συνεχιστεί η οξείδωση θα πρέπει τα Fe +2 να διέρχονται μέσα από το στρώμα του FeO. Έτσι επιβραδύνεται η παραπέρα οξείδωση του σιδήρου [7]. Εργαστήριο Τεχνολογίας και Αντοχής Υλικών 14

15 Κεφάλαιο 4 Διάβρωση Ηλεκτροχημική διάβρωση Ηλεκτροχημική διάβρωση χαρακτηρίζουμε τη διάβρωση των υλικών όταν αυτά έρθουν σε επαφή με διαβρωτικές ουσίες παρουσία ηλεκτρολύτη. Ένα διαβρωτικό στοιχείο είναι ένα γαλβανικό στοιχείο το οποίο αποτελείται από μια κάθοδο, μια άνοδο και έναν ηλεκτρολύτη. Στην άνοδο λαμβάνει χώρα η διάβρωση του υλικού γιατί εκεί διαλύεται το μέταλλο σε ιόντα που μεταφέρονται στον ηλεκτρολύτη και ηλεκτρόνια τα οποία ρέουν προς την κάθοδο. Διαβρωτικά στοιχεία παρουσιάζονται σε μεταλλικές κατασκευές στα σημεία επαφής των συνδέσεων μετάλλων με διαφορετικό κανονικό δυναμικό οξειδοαναγωγής. Για ένα μέταλλο με σθένος n η διάλυση μπορεί να γραφεί ως εξής: Me Me n + ne Ηλεκτρολύτες χαρακτηρίζονται τα μέσα που άγουν το ηλεκτρικό ρεύμα με τη μορφή ιόντων, π.χ: Κατιόντα Η +, Να +, Mg ++ Ανιόντα OH +, Cl +, NO - 3 Από ένα ουδέτερο άτομο μετάλλου προκύπτει ένα θετικό ιόν μετάλλου και ηλεκτρόνια, τα οποία μαζί με το ιόν αποδίδονται στον ηλεκτρολύτη. Το φαινόμενο αυτό χαρακτηρίζεται ως οξείδωση ή ανοδική αντίδραση. Το μέταλλο που απώλεσε ηλεκτρόνια έχει την τάση να τα επανακτήσει, δηλαδή παρατηρείται μια αντίστροφη κίνηση των ηλεκτρονίων και των ιόντων από τον ηλεκτρολύτη προς το μέταλλο. Αυτό παριστάνεται με την αντίδραση και χαρακτηρίζεται σαν αναγωγή ή καθοδική αντίδραση Me n + ne + 2 Ag + 2e Me Ag γιατί συνδέεται με προσαγωγή ηλεκτρονίων στο μέταλλο. Λόγω της αλληλεπίδρασης των ηλεκτρονίων και των ιόντων αναπτύσσεται μεταξύ του μετάλλου και του ηλεκτρολύτη ένα ηλεκτροστατικό δυναμικό το οποίο στην κατάσταση ισορροπίας των αντιδράσεων αναγωγής και οξείδωσης ισούται με: RT E=E o + lnκ nf Εο: Φυσικό ηλεκτροστατικό δυναμικό R: Παγκόσμια σταθερά αερίων (= Ws mol -1 grd -1 ) T: Απόλυτη θερμοκρασία n: Το σθένος του μετάλλου F: Η σταθερά Faraday (= Cb) κ: Η πυκνότητα των μεταλλικών ιόντων σε mol/lt 2 Σε περίπτωση που δύο μεταλλικά υλικά με διαφορετική τάση οξείδωσης βρεθούν σε έναν απομονωμένο ηλεκτρολύτη παρατηρείται μεταξύ τους μια διαφορά δυναμικού όπως φαίνεται στο Σχήμα 4.1, ώστε αν ενωθούν μεταξύ τους με κάποιο ηλεκτρόδιο, παρατηρείται ροή ηλεκτρικού ρεύματος. Εργαστήριο Τεχνολογίας και Αντοχής Υλικών 15

16 Κεφάλαιο 4 Διάβρωση Σχ. 4.1 Ηλεκτροχημική διάβρωση σε κράμα Cu-Zn Ο Πίνακας 4.1 δίνει το κανονικό δυναμικό οξειδαναγωγής ορισμένων στοιχείων σε σχέση με το ηλεκτρόδιο του υδρογόνου στους 25 ο C. Όταν δύο στοιχεία ενωθούν παρουσία ηλεκτρολύτη, το στοιχείο με το χαμηλότερο δυναμικό οξειδώνεται ενώ το στοιχείο με το υψηλότερο δυναμικό ανάγεται. ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ Ε ο (Volt) Au Au e H 2 O O 2 + 4H + 4e Pt Pt 2+ +2e Ag Ag + +e OH O 2 + 2H 2 O + 4e Cu Cu e H 2 2H + + 2e 0 Pb Pb e Sn Sn e Ni Ni e Cb Cb e Fe Fe e Cr Cr e Zn Zn e Al Al e Mg Mg e Na Na + + e Πιν. 4.1 Πίνακας κανονικών δυναμικών οξειδοαναγωγής Διάβρωση με παραγωγή υδρογόνου Η διάβρωση με παραγωγή υδρογόνου συμβαίνει κυρίως όταν ο ηλεκτρολύτης είναι οξύ με ορισμένη πυκνότητα ιόντων Η + και προσβάλλει κυρίως τα μέταλλα με αρνητικό κανονικό δυναμικό. Η ανοδική αντίδραση είναι: + 2 Mn Mn + 2 Η καθοδική αντίδραση συνοδεύεται με παραγωγή υδρογόνου: e Εργαστήριο Τεχνολογίας και Αντοχής Υλικών 16

17 Κεφάλαιο 4 Διάβρωση + 2H + 2e H Η συνολική αντίδραση μπορεί να γραφτεί στη μορφή: 2 Mn H H 2 + Mn Το υδρογόνο διεισδύει και εναποθηκεύεται σε κενούς χώρους μέσα στο υλικό και χαλαρώνει το δεσμό των γειτονικών κόκκων λόγω μεγάλων πιέσεων που δημιουργούνται. Αυτό οδηγεί στην ψαθυροποίηση του υλικού [7] Διάβρωση με απορρόφηση οξυγόνου Το φαινόμενο αυτό αποτελεί την πιο συνηθισμένη αιτία διάβρωσης του μετάλλου στον ατμοσφαιρικό αέρα. Η διάβρωση αυτή μπορεί να μοντελοποιηθεί όπως δείχνει το Σχήμα 4.2: Σε μια μεταλλική επιφάνεια, έστω σιδήρου, πάνω στην οποία βρίσκεται μία σταγόνα νερού, άνοδος και κάθοδος είναι το ίδιο το υλικό, ενώ ηλεκτρολύτης είναι η σταγόνα. Λόγω της ασύμμετρης κατανομής του οξυγόνου στην σταγόνα δημιουργείται διαβρωτικό στοιχείο το οποίο σαν άνοδο έχει την επιφάνεια του σιδήρου που καλύπτει η σταγόνα με μικρή περιεκτικότητα σε οξυγόνο και σαν κάθοδο έχει την επιφάνεια του σιδήρου που καλύπτει η σταγόνα με μεγάλη περιεκτικότητα σε οξυγόνο. Στην άνοδο διαλύεται ο σίδηρος και μεταφέρεται σαν Fe +2 στο διάλυμα ενώ τα ηλεκτρόνια ρέουν προς την κάθοδο και ανάγουν το οξυγόνο. Άνοδος : 2 Κάθοδος : Ο Fe 2Fe e + 2Η Ο + 4e 2 4( OH ) Σχ. 4.2 Διάβρωση του σιδήρου κάτω από σταγόνα νερού Βιολογική διάβρωση Βιολογική διάβρωση είναι το είδος της διάβρωσης που οφείλεται σε μικροοργανισμούς. Στις υγρές μεταλλικές επιφάνειες συσσωρεύονται μικροοργανισμοί, οι οποίοι υπό ορισμένες συνθήκες υγρασίας και θερμοκρασίας διαταράσσουν την ηλεκτροχημική ισορροπία του συστήματος. Έτσι μπορεί να αναπτυχθεί μια ηλεκτροχημική αντίδραση, όπου το αποβαλλόμενο οξυγόνο επιφέρει οξείδωση του υλικού. 4.3 ΜΟΡΦΕΣ ΔΙΑΒΡΩΣΗΣ Όλες οι περιπτώσεις διάβρωσης μπορεί να περιγραφούν με τις αρχές που αναπτύχθηκαν παραπάνω. Για να μπορέσουμε όμως να αναγνωρίσουμε και να κρίνουμε τον κίνδυνο λόγω Εργαστήριο Τεχνολογίας και Αντοχής Υλικών 17

18 Κεφάλαιο 4 Διάβρωση φθοράς από διάβρωση ενός υλικού είναι σκόπιμο να ξεχωρίσουμε τις διάφορες μορφές διάβρωσης που παρουσιάζονται στην πράξη. Διακρίνουμε: Την ομοιόμορφη διάβρωση Την εργοδιάβρωση Την περικρυσταλλική διάβρωση Την επιλεκτική διάβρωση Τη σημειακή διάβρωση (βελονισμός) Ομοιόμορφη διάβρωση (Uniform corrosion) Ομοιόμορφη διάβρωση χαρακτηρίζουμε την φθορά του μετάλλου που γίνεται ομοιόμορφα σε όλη την επιφάνεια του, ανεξάρτητα αν η ταχύτητα διάβρωσης εξαρτάται από τον χρόνο ή όχι. Το είδος αυτό περιλαμβάνει το μεγαλύτερο μέρος των φθορών από διάβρωση. Στην ομάδα αυτή ανήκει το πιο συνηθισμένο φαινόμενο της οξείδωσης (σκουριά) των μετάλλων π.χ. του σιδήρου όταν βρίσκεται εκτεθειμένος στην ατμόσφαιρα. Αυτή η μορφή διάβρωσης δεν είναι ιδιαίτερα επικίνδυνη διότι η ζωή του υλικού μπορεί να εκτιμηθεί χρησιμοποιώντας την απλή μέθοδο της εμβάπτυνσης δείγματος του υλικού στο ζητούμενο διαβρωτικό περιβάλλον. Το Σχήμα 4.3 παρουσιάζει αυτή τη μορφή διάβρωσης. Σχ. 4.3 Ομοιόμορφη διάβρωση Επιλεκτική διάβρωση (Selective leaching) Στα κράματα παρατηρείται το φαινόμενο, ορισμένα στοιχεία του κράματος, όπως είναι π.χ. ο ψευδάργυρος στον μπρούτζο, να προσβάλλονται πολύ πιο εύκολα από ότι τα άλλα στοιχεία. Το φαινόμενο αυτό κατά το οποίο διαβρώνονται ορισμένα μόνο στοιχεία του κράματος, ονομάζουμε επιλεκτική διάβρωση. Στο Σχήμα 4.4 φαίνεται η Σχήμα που παρουσιάζει η συγκεκριμένη μορφή διάβρωσης σε ένα κράμα νικελίου-χαλκού όπου η διάβρωση έχει συμβεί μόνο στο νικέλιο. Σχ. 4.4 Επιλεκτική διάβρωση σε κράμα νικελίου-χαλκού Εργαστήριο Τεχνολογίας και Αντοχής Υλικών 18

19 Κεφάλαιο 4 Διάβρωση Περικρυσταλλική διάβρωση (Intercrystalline corrosion) Περικρυσταλλική διάβρωση ονομάζουμε την διάβρωση που γίνεται στα όρια των κρυσταλλιτών. Πρόκειται για μια πολύ επικίνδυνη μορφή διάβρωσης, η οποία έχει σαν αποτέλεσμα την αποσάθρωση των κόκκων. Οι αιτίες της διάβρωσης αυτής είναι ποικίλες. Το Σχήμα 4.5 δείχνει το φαινόμενο της περικρυσταλλικής διάβρωσης, όπου η φθορά του υλικού γίνεται στα όρια των κόκκων. Σχ. 4.5 Περικρυσταλλική διάβρωση σε μεγέθυνση 200:1 και 500:1 αντίστοιχα Εργοδιάβρωση (Stress corrosion) Εργοδιάβρωση χαρακτηρίζεται το φαινόμενο της διάβρωσης ενός υλικού όταν αυτή λαμβάνει χώρα κάτω από την ταυτόχρονη επίδραση μηχανικών φορτίων. Τα μηχανικά φορτία μπορεί να είναι στατικά ή εναλλασσόμενα. Η δεύτερη περίπτωση είναι και η συνηθέστερη. Αν στη διαδικασία διάβρωσης του υλικού προστεθεί και μια μηχανική καταπόνηση, επηρεάζεται επικίνδυνα η μηχανική συμπεριφορά του υλικού. Αν το υλικό καταπονηθεί σε διαβρωτικό περιβάλλον κάτω από ένα στατικό ή ψευδοστατικό φορτίο, χαρακτηριστικό του φαινομένου αυτού της διάβρωσης είναι η δημιουργία ρωγμών, οι οποίες εκτείνονται μέσα στους κρυστάλλους (ενδοκρυσταλλική ρωγμή) ή και κατά μήκος των ορίων των κόκκων (περικρυσταλλική ρωγμή) και οδηγούν σε ψαθυρή θραύση, δηλαδή η θραύση που ακολουθεί γίνεται κάθετα στην διεύθυνση των κυρίων τάσεων χωρίς πλαστικές παραμορφώσεις. Το πιο γνωστό παράδειγμα είναι η θραύση του μπρούτζου κάτω από τάσεις σε περιβάλλον αμμωνίας. Το Σχήμα 4.6 δείχνει πολλές ενδοκρυσταλλικά διασταυρωμένες ρωγμές που διαδίδονται λόγω της εργοδιάβρωσης σε έναν ωστενιτικό ανοξείδωτο χάλυβα. Εργαστήριο Τεχνολογίας και Αντοχής Υλικών 19

20 Κεφάλαιο 4 Διάβρωση Σχ. 4.6 Εργοδιάβρωση σε ανοξείδωτο χάλυβα Σημειακή διάβρωση (pitting) Σημειακή ή τριματική διάβρωση χαρακτηρίζουμε την διάβρωση που είναι τοπικά περιορισμένη δηλαδή που εμφανίζεται σε συγκεκριμένα σημεία του υλικού υπό μορφή οπών. Είναι μια από τις πιο επικίνδυνες μορφές διάβρωσης, γιατί ξεκινά από ένα σημείο και διαδίδεται σχετικά πολύ γρήγορα μέσα στο υλικό, δημιουργώντας υποεπιφανειακές οπές, χωρίς να γίνεται αισθητή η διάβρωση του αντικειμένου. Στο Σχήμα 4.7 φαίνεται η σημειακή διάβρωση σε μία αντλία από ανοξείδωτο χάλυβα. Ο μηχανισμός της δημιουργίας και της διάδοσης της σημειακής διάβρωσης στο χάλυβα αναλύεται στο επόμενο κεφάλαιο. Σχ. 4.7 Σημειακή διάβρωση σε ανοξείδωτο χάλυβα 4.4 ΔΙΑΒΡΩΣΗ ΤΟΥ ΧΑΛΥΒΑ ΟΠΛΙΣΜΟΥ Στην γενική περίπτωση το σκυρόδεμα λόγω της έντονης αλκαλικότητας του και της φυσικής προστασίας που παρέχει, αποτελεί ένα προστατευτικό περιβάλλον του σιδηροοπλισμού. Με τη πάροδο του χρόνου το σκυρόδεμα μπορεί να χάσει την προστατευτική ικανότητα π.χ. λόγω ενανθράκωσης δηλαδή αντίδρασης του διοξειδίου του άνθρακα με το υδροξείδιο του ασβεστίου. Στην περίπτωση αυτή το pη μπορεί να αποκτήσει τιμές μικρότερες από 9 οπότε ο χάλυβας μεταπηδά από την παθητική στην ενεργό κατάσταση και αρχίζει η διάβρωση του οπλισμού [6]. Εργαστήριο Τεχνολογίας και Αντοχής Υλικών 20

21 Κεφάλαιο 4 Διάβρωση Η πιο συνηθισμένη μορφή διάβρωσης του δομικού χάλυβα είναι η σημειακή διάβρωση η οποία παρουσιάζει δύο στάδια: Το στάδιο της δημιουργίας του pit και το στάδιο της αύξησης του pit Δημιουργία του pit Ο μηχανισμός εκκίνησης της σημειακής διάβρωσης δεν έχει ακόμα κατανοηθεί πλήρως. Για την προσέγγιση όμως του φαινομένου έχουν αναπτυχθεί διάφορες θεωρίες οι περισσότερες από τις οποίες στηρίζονται στην καταστροφή του προστατευτικού φιλμ πάνω στο μέταλλο [8]. Το παθητικό αυτό φιλμ θεωρείται ότι έχει πάχος από 30 μέχρι 100 Angstroms και έχει διφασική δομή. Η περιοχή που ακουμπά στο μέταλλο είναι κρυσταλλική ενώ η περιοχή που έρχεται σε επαφή με το ηλεκτρολυτικό διάλυμα θεωρείται ως μια άμορφη μάζα από ιόντα σιδήρου και υδροξυλίου. Οι θεωρίες είναι οι εξής [8]: Θεωρία τοπικών ανωμαλιών (Defect theory) [8] Σύμφωνα με τη θεωρία αυτή, τοπικές ανωμαλίες στην επιφάνεια του μετάλλου αναδύονται μέσα από το προστατευτικό φιλμ και διασπούν τη συνοχή του. Οι τοπικές αυτές ανωμαλίες είναι πιθανόν να δρουν ως άνοδοι που προκαλούν αποσύνθεση του μετάλλου. Διάλυση χλωριόντων (Chloride ion dissolution) [8] Πολλά χλωριούχα μέταλλα, όπως το FeCl 2, είναι υδατοδιαλυτά. Σύμφωνα με κάποια θεωρία τα ιόντα χλωρίου αντικαθιστούν τα ιόντα υδροξυλίου στο ανώτερο στρώμα του φιλμ (υπενθυμίζεται ότι στην άνω ζώνη του φιλμ υπάρχουν ιόντα μετάλλου και υδροξυλίου) και δημιουργούν άλας το οποίο αποτελείται από κατιόν μετάλλου και ανιόν χλωρίου. Για παράδειγμα στην περίπτωση του δομικού χάλυβα δημιουργείται FeCl 2. Το άλας αυτό ανήκει στα χλωριόντα μετάλλου που όπως προαναφέρθηκε είναι υδατοδιαλυτά. Έπειτα από συνεχείς επιθέσεις των χλωριόντων το προστατευτικό φιλμ αδυνατίζει και τελικά διαλύεται και αποκαλύπτεται η επιφάνεια του μετάλλου. Η δημιουργία των πρώτων pits είναι η τελική συνέπεια της διάλυσης των χλωριόντων. Δημιουργία τάσεων (Stress theory) [8] Καθώς το προστατευτικό φιλμ παχαίνει δημιουργούνται τάσεις λόγω της διαφοράς της κρυσταλλικής δομής μεταξύ του φιλμ και του μετάλλου. Λόγω των τάσεων αυτών, τοπικά δημιουργούνται ρωγμές στο φιλμ και μπορούν να διεισδύσουν χλωριόντα τα οποία καταστρέφουν το μέταλλο σύμφωνα με τη θεωρία της διάλυσης των χλωριόντων. Μηχανισμός αποσύνθεσης και επαναφοράς (Breakdown and repair) [8] Ένα από τα μειονεκτήματα των παραπάνω θεωριών είναι ότι θεωρούν το προστατευτικό φιλμ ως στατικό σώμα. Μία από τις πιο γνωστές και ευρέως αποδεκτές θεωρίες θεωρούν ότι το φιλμ είναι ένα δυναμικό σύστημα. Σε κάθε χρονική στιγμή το φιλμ αποτελείται από ένα σταθερό στρώμα και ένα στρώμα το οποίο διαλύεται σύμφωνα με τις παραπάνω θεωρίες. Το φιλμ έχει τη δυνατότητα να αυτοεπισκευάζεται και σε πολλές περιπτώσεις το κάνει. Δηλαδή αυτό που φαίνεται ότι συμβαίνει στην πράξη είναι ότι οι υγιείς περιοχές του φιλμ με τις αντίστοιχες μολυσμένες με χλωριόντα εναλλάσσονται συνεχώς με αποτέλεσμα κάποια δημιουργηθέντα pits να μην μεγαλώνουν ενώ την ίδια χρονική στιγμή να δημιουργούνται και να μεγαλώνουν κάποια άλλα pits. Εργαστήριο Τεχνολογίας και Αντοχής Υλικών 21

22 Κεφάλαιο 4 Διάβρωση Διάδοση του pit Ενώ το στάδιο της εκκίνησης της σημειακής διάβρωσης δεν είναι μέχρι σήμερα τελείως κατανοητό, το στάδιο της διάδοσης των σημειακών διαβρώσεων θεωρείται μάλλον γνωστό. Η διάλυση του σιδήρου σε κατιόντα προκαλεί μετανάστευση των ανιόντων μέσα στο pit ώστε να διατηρηθεί η ηλεκτρική ουδετερότητα. Στη συνέχεια παρουσία ηλεκτρολύτη (συνήθως νερού) λαμβάνει χώρα υδρόλυση των ιόντων σύμφωνα με τις εξής αντιδράσεις [8]: Fe Cl H + H 2 2 O Fe( OH ) O HCl + OH 2 + 2H + Σύμφωνα όμως με τη θεωρία της υδρόλυσης το ποσοστό της υδρόλυσης ενός ιόντος οφείλεται στο αν αυτό προέρχεται από ισχυρό ή όχι ηλεκτρολύτη. Το ΗCl είναι ισχυρότερος ηλεκτρολύτης από το Fe(ΟΗ) 2 όποτε το ανιόν του Cl - υδρολύεται σε πολύ μικρότερο βαθμό από το κατιόν Fe +2 επομένως η υδρόλυση του Fe +2 είναι η κύρια αντίδραση του συστήματος. Γίνεται αμέσως κατανοητό ότι έχουμε μείωση του ph εξαιτίας της μεγαλύτερης παραγωγής Η + σε σχέση με την παραγωγή ΟΗ -. Η παραγωγή του Η + η οποία από μόνη της οδηγεί σε διάβρωση με παραγωγή υδρογόνου (βλ. Παράγραφο 4.2.3) και η υψηλή συγκέντρωση σε χλωριόντα οδηγεί τελικά σε επιτάχυνση της διαδικασίας της διάβρωσης [9]. 4.5 ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ ΑΠΟ ΔΙΑΒΡΩΣΗ Κατά της διάβρωσης των μετάλλων υπάρχουν δύο βασικές δυνατότητες προστασίας: Η παθητική και η ενεργητική προστασία [7] Παθητική προστασία Παθητική προστασία χαρακτηρίζουμε την προστασία των υλικών κατά της διάβρωσης με διάφορα μέσα επικάλυψης. Εδώ ανήκουν οι μέθοδοι κατεργασίας της επιφάνειας των υλικών, η χημική παθητικότητα, οι επικαλύψεις των επιφανειών με οξέα φωσφόρου, οι επικαλύψεις με ανόργανες μη μεταλλικές και με οργανικές ουσίες. Παθητική προστασία προσφέρει και το τσιμέντο στο σιδηροοπλισμό. Όμως η προστασία αυτή κρίνεται ανεπαρκής διότι με την πάροδο του χρόνου και τους σεισμούς σχηματίζονται και διαδίδονται ρωγμές στο εσωτερικό του τσιμέντου με αποτέλεσμα να βρίσκουν χώρο και να εισέρχονται διαβρωτικές ουσίες Ενεργητική προστασία Η ενεργητική προστασία διάβρωσης των υλικών στηρίζεται πάνω σε μεθόδους που επηρεάζουν απευθείας το διαβρωτικό σύστημα. Σε αυτό ανήκει το υλικό που φθείρεται, το διαβρωτικό περιβάλλον και οι συνθήκες διάβρωσης. Στις μεθόδους της ενεργειακής προστασίας περιλαμβάνονται: Απομάκρυνση των δραστικών στοιχείων Ορισμένα δραστικά στοιχεία του διαβρωτικού μέσου επιταχύνουν τα φαινόμενα διάβρωσης. Αν αυτά απομακρυνθούν με φυσικές ή χημικές διαδικασίες επιτυγχάνεται μια επιβράδυνση της διαδικασίας διάβρωσης του υλικού. Για παράδειγμα μπορεί να μειωθεί σημαντικά η διάβρωση Εργαστήριο Τεχνολογίας και Αντοχής Υλικών 22

23 Κεφάλαιο 4 Διάβρωση των εναποθηκευμένων υλικών στις αποθήκες που έχουν κλιματισμό. Επίσης η απομάκρυνση του Ο 2 και του CΟ 2 από το νερό μειώνει σημαντικά την διάβρωση των μεταλλικών υλικών, ιδιαίτερα όταν πάνω στις επιφάνειες των μετάλλων δεν μπορούν να αναπτυχθούν προστατευτικά στρώματα. Προσθήκη αναστολέων διάβρωσης Οι αναστολείς διάβρωσης (corrosion inhibitors) είναι ανόργανες χημικές ουσίες, οι οποίες προστίθενται στο διαβρωτικό διάλυμα και παρεμποδίζουν την προσβολή του μετάλλου. Οι μηχανισμοί που παίρνουν μέρος στην παρεμπόδιση της διάβρωσης του μετάλλου με προσθήκη αναστολέων δεν έχουν ακόμη διαλευκανθεί. Κατάλληλη αντιδιαβρωτική κατασκευή Με την βοήθεια κατάλληλων κατασκευαστικών μέτρων μπορεί να βελτιωθεί ή να διατηρηθεί η αντοχή διάβρωσης της κατασκευής. Είναι δυνατό με σωστή μόρφωση και σύνθεση των τμημάτων της κατασκευής να αποφευχθεί η διάβρωση σε διάκενα, σχισμές και σημεία που μαζεύεται νερό. Προκειμένου να συνδεθούν δύο μέταλλα με διαφορετικό στατικό δυναμικό πρέπει να απομονωθούν ηλεκτρικά για αποφυγή διάβρωσης επαφής κλπ. Καθοδική προστασία Η καθοδική προστασία είναι μία από τις ποιο αποτελεσματικές και σύγχρονες μεθόδους για τον έλεγχο της διάβρωσης. Η μέθοδος αυτή αναπτύχθηκε για την προστασία των υπογείων και υποβρύχιων κατασκευών, καθώς και των πλοίων. Συγκεκριμένα, στηρίζεται στο ότι το αντικείμενο που πρόκειται να προστατευθεί από την διάβρωση, μετατρέπεται σε κάθοδο ενός ηλεκτροχημικού στοιχείου το οποίο δεν επιτρέπει τον μετασχηματισμό μεταλλικών ιόντων. Έτσι, περιβάλλοντας λ.χ. επιφανειακά το Α μέταλλο με ένα άλλο μέταλλο Β που έχει χαμηλότερο ηλεκτροστατικό δυναμικό και εξαιτίας της ύπαρξης κάποιου ηλεκτρολύτη, συνήθως νερού, δημιουργείται γαλβανικό κελί που έχει ως αποτέλεσμα την καταστροφή από τη διάβρωση μόνο του μετάλλου Β ενώ το μέταλλο Α που είναι και το κύριο στοιχείο της κατασκευής παραμένει άθικτο. Εννοείται βέβαια ότι το μέταλλο Β πρέπει να αντικαθίσταται συχνά. Ανοδική προστασία Ανοδική προστασία χαρακτηρίζεται η μέθοδος με την οποία επιτυγχάνεται μια παθητικότητα του μετάλλου ως προς τη διάβρωση. Παθητικότητα χαρακτηρίζεται η κατάσταση όπου η ταχύτητα διάβρωσης μετά από ένα ορισμένο στάδιο μειώνεται απότομα. Πολλά υλικά μπορούν να μεταφερθούν σε μια τέτοια κατάσταση τεχνητά, με τη βοήθεια ενός συνεχούς ηλεκτρικού κυκλώματος. Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται κυρίως στη χημική βιομηχανία [7]. Εργαστήριο Τεχνολογίας και Αντοχής Υλικών 23

24 Κεφάλαιο 5 Δομικός χάλυβας 5. ΔΟΜΙΚΟΣ ΧΑΛΥΒΑΣ 5.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι χάλυβες αποτελούν κράματα σιδήρου άνθρακα, περιεκτικότητας σε C μέχρι 2%. Τον τελευταίο αιώνα η παραγωγή και η χρήση χάλυβα έχει αυξηθεί έτσι ώστε να είναι αναγκαία η κατηγοριοποίηση αυτού. Έτσι έχουμε χάλυβες οι οποίοι διακρίνονται ως προς την σύσταση τους σε :[6] Κοινούς ή ανθρακούχους χάλυβες Κραματωμένους ή ειδικούς χάλυβες Σύμφωνα με την μέθοδο παραγωγής τους: Θερμής έλασης, χωρίς καμία περαιτέρω επεξεργασία (ΘΕ-Χ) Θερμής έλασης, ακολουθούμενη από θερμική διεργασία (ΘΕ-Θ) Ψυχρής κατεργασίας (ΨΚ) Σύμφωνα με την μορφή της επιφάνειας σε: Λείες ράβδους κυκλικής διατομής Ράβδους με ανάγλυφες νευρώσεις υψηλής συνάφειας Σύμφωνα με την ολκιμότητα τους σε: Χάλυβες κανονικής ολκιμότητας Χάλυβες αυξημένης ολκιμότητας Σύμφωνα με την συγκολλησιμότητα τους σε: Χάλυβες συγκολλήσιμους (s) (π.χ S400s, S500s) Χάλυβες συγκολλήσιμους υπό προϋποθέσεις (π.χ S220, S400, S500) Σύμφωνα με την αντοχή τους σε διάβρωση σε: Κοινούς χάλυβες, με μικρή περιεκτικότητα σε άλλα κραματικά στοιχεία Ανοξείδωτους χάλυβες, με ελάχιστη περιεκτικότητα σε χρώμιο 12%. Σημαντική διαδικασία, λόγω της παραπάνω κατηγοριοποίησης, είναι και η σήμανση των χαλύβων για την αναγνώριση της κατηγορίας στην οποία ανήκει. Στους χάλυβες με λεία επιφάνεια γίνεται χρήση χρώματος για την σήμανσή τους ενώ στους χάλυβες με νευρώσεις χρησιμοποιείται διαφορετικός τρόπος διάταξης των νευρώσεων. Δυστυχώς όμως, με την κατάσταση που επικρατεί στην ελληνική βιομηχανία, είναι αδύνατος ο ακριβής προσδιορισμός ενός χάλυβα μόνο από τις νευρώσεις που φέρει πάνω του. Περισσότερες λεπτομέρειες στο θέμα αυτό αναφέρονται στη σχετική βιβλιογραφία [2]. 5.2 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΧΑΛΥΒΑ ΟΠΛΙΣΜΟΥ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ Οι χάλυβες οπλισμού σκυροδέματος (Χ.Ο.Σ.) παράγονται από την τήξη παλιοσιδηρικών σε ηλεκτρικούς κλιβάνους βολταϊκού τόξου [10]. Τη διαδικασία (φάση) της τήξης ακολουθούν οι διαδικασίες της κάθαρσης, της αποξείδωσης και της κραμάτωσης του ρευστού χάλυβα. Ακολουθεί η χύτευση του ρευστού χάλυβα σε μηχανές συνεχούς χύτευσης και η παραγωγή μπιγετών τετραγωνικής διατομής 120*120 mm έως 140*140 mm και μήκους 6 έως 14 m. Η τελική διαμόρφωση σε χάλυβες οπλισμένου σκυροδέματος (Χ.Ο.Σ.) πραγματοποιείται στα Έλαστρα, όπου οι μπιγέτες θερμαίνονται σε ειδικούς κλιβάνους μέχρι τους 1200 o C περίπου. Στη συνέχεια ανάλογα με το προϊόν που πρόκειται να παραχθεί ακολουθείται διαφορετική κατεργασία: Στην περίπτωση προϊόντος (ΘΕ-Θ) οι ράβδοι χάλυβα βγαίνοντας από την διεργασία έλασης εν θερμώ, εισέρχονται σε ένα θάλαμο ψύξης νερού (water box). Κατά τη διάρκεια της ψύξης οι ράβδου αποκτούν τη σκληρή εξωτερική δομή του μαρτενσίτη, Εργαστήριο Τεχνολογίας και Αντοχής Υλικών 24

25 Κεφάλαιο 5 Δομικός χάλυβας ενώ στο εσωτερικό του υλικού υπάρχει ακόμα, λόγω αυξημένης θερμοκρασίας, η δομή του ωστενίτη. Τελικά αφού οι ράβδοι κοπούν και τοποθετηθούν στην τράπεζα ψύξεως, σχηματίζεται η φάση του φερρίτη-περλίτη εσωτερικά και η φάση του μαρτενσίτη εξωτερικά. Η δομή του προϊόντος αυτού προσδίδει στο υλικό πολύ καλή σκληρότητα στην εξωτερική επιφάνεια και αυξημένη αντοχή. Η θερμική κατεργασία αυτή είναι διεθνώς γνωστή με το όνομα Tempcore. Στην περίπτωση προϊόντος (ΘΕ-Χ) οι ράβδοι χάλυβα βγαίνοντας από την διεργασία έλασης εν θερμώ, κόβονται και τοποθετούνται στην τράπεζα ψύξεως όπου και ψύχονται με ταυτόχρονη μετατροπή της ωστενιτικής δομής σε φάση φερρίτη-περλίτη. Στην περίπτωση προϊόντος ψυχρής κατεργασίας (ΘΕ-ΨΚ) ακολουθεί η εν ψυχρώ όλκηση ή στρέψη του προϊόντος της θερμής έλασης [10]. 5.3 ΙΣΤΟΡΙΚΟ ΧΡΗΣΗΣ Χ.Ο.Σ. ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ Μέχρι την αρχή της δεκαετίας του 60 η κατηγορία χάλυβα που χρησιμοποιείτο στη χώρα μας ήταν ο χάλυβας St Ι ή S220 (κατά DIN 488 και ΕΛΟΤ 959 αντίστοιχα), δηλ. λείες ράβδοι, προϊόν θερμής έλασης από χάλυβα, συγκολλήσιμο υπό προϋποθέσεις, η τυπική χημική σύνθεση του οποίου φαίνεται στον Πίνακα 5.1. Η κατηγορία του χάλυβα αυτού ελάχιστα χρησιμοποιείται σήμερα. Από την δεκαετία του 60 και μετά εμφανίζεται ο χάλυβας St III (κατά DIN 488) που από το 1987 μέχρι σήμερα διατίθεται με τις ονομασίες S400 και S400s (κατά ΕΛΟΤ 959 και ΕΛΟΤ 971 αντίστοιχα). Πρόκειται για ράβδους με νευρώσεις, από χάλυβα συγκολλήσιμο ή συγκολλήσιμο υπό προϋποθέσεις. Η τυπική χημική του σύνθεση φαίνεται στον Πίνακα 5.1 και χρησιμοποιείται και αυτός ελάχιστα σήμερα. Την ίδια περίοδο, και συγκεκριμένα τις δεκαετίες 60 και 70, εμφανίζεται και ο ελικοχάλυβας που ήταν προϊόν ψυχρής κατεργασίας. Η ψυχρή κατεργασία ήταν η στρέψη του προϊόντος που προερχόταν από θερμή έλαση και το οποίο έχοντας τη χημική σύνθεση του χάλυβα St Ι μετά τη στρέψη αποκτούσε την αντοχή του χάλυβα St III. Στις αρχές της δεκαετίας 90 εμφανίζονται στη χώρα μας οι νευροχάλυβες St IV (κατά DIN 488) ή S500s και S500 (κατά ΕΛΟΤ 971 και 959 αντίστοιχα). Πρόκειται για χάλυβες υψηλής αντοχής, συγκολλήσιμους (S500s) ή συγκολλήσιμους υπό προϋποθέσεις (S500). Κατά την ίδια περίοδο εμφανίζεται και ελάχιστα χρησιμοποιήθηκε ο χάλυβας κατηγορίας S400s (κατά ΕΛΟΤ 971), ο οποίος είναι συγκολλήσιμος χάλυβας με μηχανικά χαρακτηριστικά όμοια του St III. Οι χάλυβες κατηγορίας S500 είναι προϊόντα θερμής έλασης χωρίς καμία περαιτέρω θερμική κατεργασία, ή ψυχρή κατεργασία και οφείλουν την αντοχή τους στη χημική τους σύνθεση. Χάλυβες S500, προϊόντα ψυχρής κατεργασίας, χρησιμοποιούνται μόνο στα πλέγματα. Σε αντίθεση με τους παραπάνω χάλυβες, οι χάλυβες κατηγορίας S400s και S500s που χρησιμοποιήθηκαν και χρησιμοποιούνται σήμερα στη χώρα μας είναι συγκολλήσιμοι, προϊόντα θερμής έλασης χωρίς καμία παραπέρα κατεργασία ή προϊόντα θερμής έλασης που ακολουθείται από μια άμεση εν σειρά διαδικασία θερμικής κατεργασίας. Στη μεν πρώτη περίπτωση η υψηλή αντοχή επιτυγχάνεται με προσθήκη βαναδίου (V) ή τιτανίου (Τi), ενώ στη δεύτερη περίπτωση με μια επιφανειακή μαρτενσιτική βαφή του χάλυβα [11]. Εργαστήριο Τεχνολογίας και Αντοχής Υλικών 25

26 Κεφάλαιο 5 Δομικός χάλυβας 5.4 ΔΙΕΥΚΡΙΝΙΣΕΙΣ ΠΑΝΩ ΣΤΟΥΣ Χ.Ο.Σ. Αν και ο Κανονισμός Τεχνολογίας Χαλύβων είναι αρκετά κατατοπιστικός ως προς τη διάκριση των δομικών χαλύβων είναι αναγκαίες ορισμένες παρατηρήσεις: Ο χάλυβας St ΙΙΙa (κατά DIN), ή ο παλαιός St IIΙ όπως τον ξέρουν οι μηχανικοί της εμπειρίας, είναι o S400 (κατά ΕΛΟΤ 959). Είναι συγκολλήσιμος υπό προϋποθέσεις διότι έχει σχετικά μεγάλη περιεκτικότητα σε άνθρακα γι αυτό και είναι αρκετά ψαθυρός σε χαμηλές θερμοκρασίες κάτω από -10 ο C. Σήμερα παράγεται μόνο από μία χαλυβουργική εταιρία και μόνο κατόπιν παραγγελίας [2]. Ο χάλυβας St IIIb (κατά DIN) είναι ο ελικοχάλυβας St ΙΙI, προϊόν ψυχρής κατεργασίας. Δεν του έχει δοθεί ονομασία από τον ΕΛΟΤ αφού αποσύρθηκε πολύ πριν το 1987 που τυποποιήθηκαν από τον ΕΛΟΤ οι χάλυβες [2]. Ο χάλυβας St I επισήμως έχει και αυτός αποσυρθεί πριν από πολλά χρόνια αλλά ο ΕΛΟΤ τον τυποποίησε με το όνομα S220 διότι ανεπισήμως παράγεται σε μικρές ποσότητες για ειδικές περιπτώσεις. Περισσότερες πληροφορίες αναφέρονται στη σχετική βιβλιογραφία [2]. Ο χάλυβας S400s (κατά ΕΛΟΤ 971) δημιουργήθηκε σχετικά πρόσφατα με σκοπό να βελτιωθεί η συγκολλησιμότητα και η ολκιμότητα του S400. Αυτό επιτυγχάνεται είτε με μαρτενσιτική βαφή είτε με προσθήκη βαναδίου με παράλληλη μείωση του ποσοστού άνθρακα και στις δύο περιπτώσεις. Συγκεκριμένα παρήχθη πολύ μικρή ποσότητα στα τέλη της δεκαετίας του 90 και αποσύρθηκε γρήγορα λόγω της πλήρους επικράτησης του St IV. Πρακτικά, ανήκει και αυτός στην κατηγορία St III και είναι γνωστός στους μηχανικούς της εμπειρίας ως ο νέος St III [2]. Ο ΕΛΟΤ 959 αναφέρεται στους συγκολλήσιμους υπό προϋποθέσεις χάλυβες ενώ ο ΕΛΟΤ 971 αναφέρεται στους συγκολλήσιμους s χάλυβες [2]. Η θερμική κατεργασία των δομικών χαλύβων (μαρτενσιτική βαφή) εφευρέθηκε για να μειώσει το κόστος παραγωγής των βαναδιούχων ή τιτανιούχων χαλύβων. Είναι μια χρυσή τομή μεταξύ των οικονομικών αλλά συγκολλήσιμων υπό προϋποθέσεις υψηλά κεκραμένων χαλύβων και των βαναδιούχων ή τιτανιούχων χαλύβων, που ναι μεν έχουν χαμηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα (άρα και καλή συγκολλησιμότητα) έχουν όμως και υψηλό κόστος. Οι θερμικά βελτιωμένοι αυτοί χάλυβες όμως είναι ευάλωτοι στη διάβρωση και τις υψηλές θερμοκρασίες. Πολύ μεγάλο ρόλο παίζει το βάθος βαφής (πάχος της μαρτενσιτικής στιβάδας) ενός χάλυβα. Για παράδειγμα ο S400s (ΘΕ-Θ) με τον S500s (ΘΕ-Θ) έχουν την ίδια χημική σύσταση, το διαφορετικό βάθος βαφής όμως κάνει τη διαφορά. [2] Ο παρακάτω Πίνακας 5.1. από τον Κανονισμό Τεχνολογίας Χαλύβων παρουσιάζει τις τυπικές χημικές συνθέσεις των κυριότερων δομικών χαλύβων. Παρατηρούμε ότι στους μαρτενσιτικούς χάλυβες (Θ.Ε-Θ) οι περιεκτικότητες σε C, Mn, Si είναι, εν συγκρίσει με τους χάλυβες χωρίς θερμική κατεργασία (Θ.Ε.-Χ), αισθητά μικρότερες. Κατηγορία Τυπική χημική σύνθεση χάλυβα C% Mn% Si% V% Τρόπος παραγωγής Περίοδος χρήσης (Δεκαετίες) St I ή S =0.50 = Θ.Ε.-Χ έως 60 St III ή S Θ.Ε.-Χ 60 έως 90 St III ή S400s = Θ.Ε.-Θ αρχές 90 St III ή S400s = Θ.Ε.-X αρχές 90 St III ελικ/βας =0.50 = Θ.Ε.-ΨΚ 60 & 70 Εργαστήριο Τεχνολογίας και Αντοχής Υλικών 26

27 Κεφάλαιο 5 Δομικός χάλυβας St IV ή S Θ.Ε.-Χ αρχές 90 St IV ή S = Θ.Ε.-Χ αρχές 90 St IV ή S500s Θ.Ε.-Χ αρχές 90 St IV ή S500s Θ.Ε.-Θ Αρχές ΧΑΛΥΒΑΣ S400 Πιν. 5.1: Τυπικές χημικές συνθέσεις δομικών χαλύβων (ΚΤΧ 1999). Οι χάλυβες αυτής της κατηγορίας παράγονται σύμφωνα με τη διαδικασία που περιγράφεται στην Παράγραφο 5.2. για την περίπτωση προϊόντος θερμής έλασης χωρίς καμία περαιτέρω θερμική κατεργασία. Η τελική φάση της κατεργασίας απεικονίζεται στο Σχήμα 5.1. Η τυπική χημική σύνθεση του χάλυβα S400 είναι βεβαίως γνωστή από τον ΕΛΟΤ 959 και φαίνεται στον Πίνακα 5.1. Στα πλαίσια όμως μιας εμπεριστατωμένης εργασίας πραγματοποιήθηκε χημική εξέταση δείγματος του συγκεκριμένου χάλυβα για να διαπιστωθεί η ακριβής χημική του σύσταση. Η χημική εξέταση πραγματοποιήθηκε από την ΧΑΛΥΒΟΥΡΓΙΚΗ Α.Ε. στα εργαστήρια της εταιρείας και έδωσε τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται στον Πίνακα 5.2. Στον Πίνακα 5.3. παρουσιάζονται και οι απαιτούμενες μηχανικές ιδιότητες του S400 κατά ΕΛΟΤ 959. Σχ. 5.1: Τελική φάση διαδικασίας παραγωγής χάλυβα S400 Εργαστήριο Τεχνολογίας και Αντοχής Υλικών 27

28 Κεφάλαιο 5 Δομικός χάλυβας C % Mn % S % P % Si % Ni % Cr % Cu % V % Mo % N % Πιν. 5.2: Ακριβής χημική σύσταση χάλυβα S400 Μέγεθος Κατηγορία S400 Όριο διαρροής, f y (MPa) 400 Εφελκυστική αντοχή, f t (MPa) 500 Λόγος της εφελκυστικής αντοχής προς το όριο διαρροής, f t /f y 1,05 Παραμόρφωση μετά τη θραύση, ε f (%) 14 Πιν. 5.3: Απαιτούμενες μηχανικές ιδιότητες του S400 σύμφωνα με ΕΛΟΤ 959 Εργαστήριο Τεχνολογίας και Αντοχής Υλικών 28

29 Κεφάλαιο 6 Πειραματική διαδικασία 6. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ 6.1 ΓΕΝΙΚΑ Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας έγιναν πειράματα εφελκυσμού και κόπωσης σε δοκίμια διαβρωμένα και δοκίμια αδιάβρωτα (δοκίμια αναφοράς). Για αυτό το σκοπό το εργαστήριο προμηθεύτηκε, κατόπιν ειδικής παραγγελίας, από γνωστή ελληνική χαλυβουργική εταιρία, σιδηρόβεργες από χάλυβα S400 διαμέτρου 10mm και μήκους 1m η καθεμία. 6.2 ΠΡΟΕΤΟΙΜΑΣΙΑ ΔΟΚΙΜΙΩΝ EΦΕΛΚΥΣΜΟΥ Για τις μηχανικές δοκιμές εφελκυσμού κόπηκαν 42 συνολικά δοκίμια μήκους 260mm το καθένα. Από τα 260mm, τα 55mm εκατέρωθεν του δοκιμίου χρησιμεύουν για τη συγκράτησή του από τις αρπάγες ώστε το ελεύθερο μήκος τελικά να είναι, σύμφωνα με την προδιαγραφή DIN 488, 15d=150mm, όπου d η διάμετρος της διατομής [12]. Σύμφωνα με την προδιαγραφή DIN 488, τα δοκίμια δεν πρέπει να έχουν υποστεί καμία μηχανουργική διεργασία πριν τη δοκιμή του εφελκυσμού. 6.3 ΠΡΟΕΤΟΙΜΑΣΙΑ ΔΟΚΙΜΙΩΝ ΚΟΠΩΣΗΣ Για τις μηχανικές δοκιμές κόπωσης κόπηκαν 154 συνολικά δοκίμια μήκους 160mm το καθένα. Από τα 160mm, τα 50mm εκατέρωθεν του δοκιμίου χρησιμεύουν για τη συγκράτησή του από τις αρπάγες, ώστε το ελεύθερο μήκος τελικά να είναι 60mm = 6D. Προς το παρόν, δεν υπάρχει προδιαγραφή που να αναφέρεται σε δοκιμές ολιγοκυκλικής κόπωσης για Χ.Ο.Σ, οπότε η επιλογή αυτή βασίζεται στο γεγονός ότι το συγκεκριμένο ελεύθερο μήκος είναι περίπου ίσο με την απόσταση μεταξύ των συνδετήρων (τσέρκια) στην καθημερινή εφαρμογή στις οικοδομές, το οποίο είναι περίπου ίσο με 6-10 cm, προσομοιώνοντας έτσι την πραγματικότητα. 6.4 ΕΚΘΕΣΗ ΔΟΚΙΜΙΩΝ ΧΑΛΥΒΑ ΣΕ ΘΑΛΑΜΟ ΑΛΑΤΟΝΕΦΩΣΗΣ Η διάβρωση των δοκιμίων πραγματοποιείται σύμφωνα με την προδιαγραφή ASTM B [13]. Ο θάλαμος αλατονέφωσης που χρησιμοποιείται φαίνεται στο Σχήμα 6.1 Σχ. 6.1 Θάλαμος αλατονέφωσης C&W Specialist Equipment Εργαστήριο Τεχνολογίας και Αντοχής Υλικών 29

30 Κεφάλαιο 6 Πειραματική διαδικασία Εν συνεχεία τοποθετούνται τα δοκίμια στις ειδικές θήκες που υπάρχουν στις κινητές ράγες του θαλάμου (Σχήμα 6.1). Η τοποθέτηση τους γίνεται κατά τέτοιο τρόπο, ώστε να μην παρεμποδίζεται το μπεκ και να επιτυγχάνεται ομοιόμορφος ψεκασμός διαλύματος άλατος σε όλα τα δοκίμια. Κατά τη διάρκεια της παραμονής των δοκιμίων στο θάλαμο γίνεται τακτικό γύρισμα τους ώστε η διάβρωση να συμβαίνει ομοιόμορφα σε όλη την κυλινδρική τους επιφάνεια. Το διάλυμα του νέφους ορίζεται από την προδιαγραφή και αποτελείται από 5% κ.β. NaCl σε νερό. Ο θάλαμος σφραγίζεται αεροστεγώς ώστε να αποτρέπεται η διαφυγή του νέφους από αυτόν αλλά και να διατηρείται η θερμοκρασία σταθερή. Η θερμοκρασία λειτουργίας καθορίζεται από την προδιαγραφή [13] σε 35 (+1.1 ή-1.7) o C, ενώ η θερμοκρασία του υγροποιητή καθορίζεται στους 49 o C. Η πίεση του θαλάμου είναι στα 18 psi ενώ η παροχή διαλύματος 0.4 lt\hr. Τα δοκίμια παραμένουν στο θάλαμο για έξι χρόνους διάβρωσης (10, 20, 30, 45, 60 και 90 μέρες) και μετά την εξαγωγή τους τοποθετούνται σε απορροφητικό χαρτί όπου και στεγνώνουν. Επιλέχτηκαν τα συγκεκριμένα επίπεδα διάβρωσης διότι αντιστοιχούν σε πραγματικούς χρόνους διάβρωσης [14]. Κατόπιν, ακολουθεί η απομάκρυνση των προϊόντων της διάβρωσης σε ειδική βούρτσα βάσει της σχετικής προδιαγραφής [15]. Συνολικά διαβρώθηκαν 42 (για δοκιμές εφελκυσμού) και 154 (για δοκιμές κόπωσης) = 196 δοκίμια. Στη συνέχεια, τα 42 δοκίμια που προορίζονται για δοκιμές εφελκυσμού ζυγίζονται ώστε να υπολογιστεί η απώλεια βάρους και κατόπιν είναι έτοιμα για την επόμενη φάση της πειραματικής διαδικασίας. Τα 154 δοκίμια που προορίζονται για κοπώσεις διαιρούνται σε δύο ισομεγέθεις ομάδες: Την ομάδα που προωθείται κατευθείαν στην επόμενη φάση της πειραματικής διαδικασίας και την ομάδα στην οποία εκτελείται μία κατεργασία λείανσης και αφαίρεσης των νευρώσεων με λίμα σε μια περιοχή 60mm στο μέσο του κάθε δοκιμίου. Στο Σχήμα 6.2 φαίνονται ένα λειασμένο και ένα αλείαντο δοκίμιο. Σχ. 6.2: Λειασμένο και αλείαντο δοκίμιο. Εργαστήριο Τεχνολογίας και Αντοχής Υλικών 30

31 Κεφάλαιο 6 Πειραματική διαδικασία 6.5 ΔΟΚΙΜΕΣ ΕΦΕΛΚΥΣΜΟΥ Οι δοκιμές εφελκυσμού πραγματοποιούνται σύμφωνα με την προδιαγραφή DIN 488/86-Part 3 στο εργαστήριο Τεχνολογίας και Αντοχής των Υλικών σε μία σερβοϋδραυλική μηχανή ΜΤS- 250 kν όπως φαίνεται στο Σχήμα 6.4. Η μηχανή έχει δυνατότητα εξάσκησης δύναμης έως 250 kn. Τα πειράματα διεξάγονται σε θερμοκρασία δωματίου 24 o C. Τα βήματα που ακολουθούνται για την πραγματοποίηση του πειράματος είναι τα εξής: Τα δοκίμια σημαδεύονται στα σημεία συγκράτησης των αρπαγών όπως φαίνεται στο Σχήμα 6.5. Τοποθετούνται οι κατάλληλες σφήνες στις αρπάγες της μηχανής. Ρυθμίζεται η θέση της πάνω αρπάγης, η οποία κατά τη διάρκεια του πειράματος παραμένει σταθερή και η θέση της κάτω αρπάγης ώστε να τοποθετηθεί το δοκίμιο. Τοποθετείται το επιμηκυνσιόμετρο μήκους αναφοράς 50mm πάνω στο δοκίμιο όπως φαίνεται στο Σχήμα 6.5. Στη συνέχεια γίνεται ο προγραμματισμός του πειράματος μέσω του υπολογιστή. Στο πρόγραμμα ρυθμίζονται οι παράμετροι της δοκιμής. Αυτές είναι, ο ρυθμός μετατόπισης της αρπάγης, ο οποίος είναι 2 mm/min, η ονομασία του αρχείου καταγραφής, καθώς και ο ρυθμός με τον οποίο καταγράφονται οι μετρήσεις. Τα μεγέθη που καταγράφονται είναι ο χρόνος, η θέση της κάτω αρπάγης, η ορθή παραμόρφωση και η δύναμη. Σύμφωνα με την προδιαγραφή DIN 488 το σημείο της θραύσης πρέπει να απέχει από τις σφήνες της κάθε αρπάγης τουλάχιστον 3 φορές τη διάμετρο του δοκιμίου αλλιώς η δοκιμή θεωρείται άκυρη. Μετά τη θραύση του δοκιμίου ακολουθεί η απαγκίστρωση του από τις αρπάγες και η τοποθέτηση του σε ειδικό αποθηκευτικό χώρο. Εργαστήριο Τεχνολογίας και Αντοχής Υλικών 31

32 Κεφάλαιο 6 Πειραματική διαδικασία Σχ. 6.4: Μηχανή δοκιμών εφελκυσμού-κόπωσης MTS-250kN Σχ 6.5: Τρόπος συγκράτησης του δοκιμίου στις αρπάγες, για δοκιμές εφελκυσμού Εργαστήριο Τεχνολογίας και Αντοχής Υλικών 32