ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΝΑΥΠΗΓΩΝ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΘΑΛΑΣΣΙΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

Transcript

1 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΝΑΥΠΗΓΩΝ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΘΑΛΑΣΣΙΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ «ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΔΙΑΔΟΣΗΣ ΡΩΓΜΩΝ ΣΕ ΕΝΙΣΧΥΜΕΝΑ ΚΑΙ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΕΛΑΣΜΑΤΑ ΚΡΑΜΑΤΩΝ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ ΜΕΣΩ ΔΟΚΙΜΩΝ ΣΕ ΣΥΜΠΑΓΗ ΔΟΚΙΜΙΑ ΕΦΕΛΚΥΣΜΟΥ ΜΙΚΡΗΣ ΚΛΙΜΑΚΑΣ (CT)» ΑΘΑΝΑΣΑΤΟΣ ΙΩΑΝΝΗΣ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: Β. Ι. ΠΑΠΑΖΟΓΛΟΥ ΑΘΗΝΑ, ΙΟΥΛΙΟΣ 2009

2 Περίληψη Η διάδοση των ρωγμών αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα κατασκευαστικά προβλήματα ως μορφή αστοχίας που αντιμετωπίζουν στο σύνολό τους οι ναυπηγικές κατασκευές, είτε όταν οι ρωγμές αυτές αποτελούν κατασκευαστικό ελάττωμα, είτε όταν εμφανίζονται ως αποτέλεσμα των συνθηκών λειτουργίας ή της μη ικανοποιητικής ανθεκτικότητας της ναυπηγικής κατασκευής. Για το λόγο αυτό, η έναρξη και η διάδοση των ρωγμών έχουν αποτελέσει, και εξακολουθούν να αποτελούν, αντικείμενο μελέτης της διεθνούς επιστημονικής κοινότητας. Τα κράματα αλουμινίου, και ιδιαίτερα το κράμα 5083, τυγχάνουν ευρείας χρήσης, τις τελευταίες δεκαετίες, στη ναυπηγική βιομηχανία, κυρίως για την κατασκευή ταχύπλοων επιβατηγών σκαφών. Οι ιδιαίτερα απαιτητικές συνθήκες λειτουργίας αυτών των πλοίων ευνοούν την εμφάνιση και τη διάδοση ρωγμών. Επίσης, το φαινόμενο της διάδοσης ρωγμών σε ελάσματα αλουμινίου γίνεται ακόμα πιο πολύπλοκο όταν υπεισέρχονται παράγοντες που αφορούν την ύπαρξη διατάξεων ενίσχυσης και την τυχόν χρήση υβριδικών κατασκευών. Η παρούσα διπλωματική εργασία εστιάζεται στη μελέτη των παραπάνω φαινομένων και παρουσιάζει τον τρόπο χρήσης της θραυστομηχανικής ως εργαλείο βελτιστοποίησης των κατασκευών από ναυπηγικά κράματα αλουμινίου. Η ανάλυση βασίζεται σε ένα πειραματικό πρόγραμμα, το οποίο περιλαμβάνει δοκιμές μονοαξονικού εφελκυσμού σε ενισχυμένα δοκίμια από κράμα αλουμινίου 5083 και σε υβριδικά δοκίμια κατασκευασμένα από συγκολλημένα τμήματα μεταξύ κραμάτων αλουμινίου 5083 και Σκοπός είναι, αφενός να προσδιοριστούν οι μηχανικές ιδιότητες ενός υβριδικού ελάσματος, και αφετέρου να μελετηθεί, ποιοτικά, η διάδοση μιας προϋπάρχουσας ρωγμής σε ενισχυμένα και υβριδικά ελάσματα αλουμινίου. Τα πειραματικά αποτελέσματα καταδεικνύουν ότι ένα τέτοιο υβριδικό έλασμα αλουμινίου διατηρεί την όλκιμη συμπεριφορά των κραμάτων που τα αποτελούν. Ακόμα, οι μηχανικές ιδιότητες, όσον αφορά στο μέτρο ελαστικότητας, το όριο διαρροής και τη μέγιστη αντοχή σε εφελκυσμό, βρίσκονται εντός των ορίων, ή κοντά στα ανώτερα όρια, που τίθενται από τις μηχανικές ιδιότητες των κραμάτων που το αποτελούν. Διαπιστώθηκε, επίσης, ότι τα εξελασμένα ενισχυτικά «τύπου Τ» είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικά στη σύλληψη των ρωγμών. Στα ενισχυμένα ελάσματα, η έναρξη και η διάδοση της ρωγμής επηρεάζεται σημαντικά από το μήκος της προϋπάρχουσας ρωγμής και από τη θέση του ενισχυτικού πάνω στο έλασμα, και συγκεκριμένα, από το μήκος του ελάσματος που βρίσκεται πίσω από το ενισχυτικό. Παρατηρήθηκε ότι η παρουσία της συγκόλλησης στα υβριδικά ελάσματα δεν έχει αρνητικές επιπτώσεις στη διάδοση των ρωγμών. Απεναντίας, διαπιστώθηκε ότι η ραφή της συγκόλλησης αποτελεί ανασταλτικό παράγοντα στην πορεία της ρωγμής, ανεξάρτητα αν στο τέλος η ρωγμή κατόρθωσε να τη διαπεράσει. Τέλος, διαπιστώθηκε ότι η έναρξη και η διάδοση της ρωγμής σχετίζεται και με το κράμα στο οποίο βρίσκεται η αρχική ρωγμή, όπως επίσης και από το κράμα του τμήματος του ελάσματος που βρίσκεται πίσω από τη ραφή της συγκόλλησης. 1

3 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ Παρουσίαση του Αντικειμένου της Διπλωματικής Εργασίας Προσέγγιση του Αντικειμένου της Διπλωματικής Εργασίας Δομή της Διπλωματικής Εργασίας...8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ2: ΤΟ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟ ΣΤΙΣ ΝΑΥΠΗΓΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Ιδιότητες των Κραμάτων Αλουμινίου Ονοματολογία Κραμάτων Αλουμινίου Χρήση των Κραμάτων Αλουμινίου σε Ναυπηγικές Εφαρμογές Αναλυτική περιγραφή των Κραμάτων Αλουμινίου που θα Χρησιμοποιηθούν στην Πειραματική Διαδικασία Το κράμα αλουμινίου Βασικά χαρακτηριστικά του κράματος Σημαντικές ιδιότητες του κράματος Το κράμα αλουμινίου Γενικά Βασικά χαρακτηριστικά του κράματος...30 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΘΡΑΥΣΤΟΜΗΧΑΝΙΚΗ ΚΑΙ ΝΑΥΠΗΓΙΚΗ Γενικη Θεωρία της Θραύσης Βασικές κατηγορίες θραύσης Θεωρητική αντοχή κρυσταλλικού στερεού Κατηγορίες εφελκυστικής θραύσης χαμηλής θερμοκρασίας Ψαθυρή θραύση - Τύπος Α Ψαθυρή θραύση - Τύπος Β Ψαθυρή θραύση - Τύπος Γ Όλκιμη θραύση Εφελκυστική Θραύση Χαμηλών Θερμοκρασιών (Θραύση από Ερπυσμό) Θραύση από κόπωση Βασικά χαρακτηριστικά της θραύσης από κόπωση Η Μηχανική θεωρία της θραύσης Περιβαλλοντική θραύση Μελέτη της περιβαλλοντικής θραύσης σχετική με τα κράματα αλουμινίου 5083 και Οι Ρωγμές στη Μεταλλική Κατασκευή του Πλοίου Οι ρωγμές στη ναυπηγική Μηχανισμοί ανάπτυξης ρωγμών σε μεταλλικά υλικά Ολίσθηση, πλαστική παραμόρφωση και διαταραχές Όλκιμη ρωγμή διαμέσου κόκκων λόγω συνένωσης μικροκενών Ψαθυρή ρωγμή διαμέσου κόκκων (Τομή) Κοπωτική ρωγμή μέσω των κόκκων του υλικού Ρωγμή μεταξύ των κόκκων του υλικού Ρωγμή λόγω συνεχιζόμενης φόρτισης

4 Οι Ρωγμές στη μεταλλική κατασκευή των πλοίων Ιστορικό Αστοχιών Λόγω Διάδοσης Ρωγμών σε Πλοία Διατάξεις Ενισχύσεων στα Ελάσματα των Πλοίων...66 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ Παρουσίαση του Πειραματικού Προγράμματος Ανάλυση και Περιγραφή της Πειραματικής Διαδικασίας Περιληπτική περιγραφή της πειραματικής διαδικασίας Κατασκευή και προετοιμασία των δοκιμίων Ιδιότητες των κραμάτων αλουμινίου που χρησιμοποιούνται στα δοκίμια Κατασκευή δοκιμίων της 1 ης Ομάδας Πειραμάτων Κατασκευή των δοκιμίων της 2 ης και της 3 ης Ομάδας Πειραμάτων Περιγραφή της Πειραματικής Διάταξης Μεταλλογραφική Παρατήρηση της Συγκόλλησης Χαρακτηρισμός της Μικροδομής Προετοιμασία των δειγμάτων Οπτική Μικροσκοπία Στερεοσκοπία Μεταλλογραφικές Παρατηρήσεις Περιγραφή των Δοκιμών της Πειραματικής Διαδικασίας και Ανάλυση των Πειραματικών Αποτελεσμάτων η Ομάδα Πειραμάτων: Δοκιμές εφελκυσμού σε συμπαγή, ενισχυμένα δοκίμια εφελκυσμού «τύπου CT» (Compact Tension) Σκοπός των πειραμάτων και γενικές πληροφορίες για τα δοκίμια Περιγραφή των δοκιμών Δοκίμιο CTt1RP Δοκίμιο CTt1R Δοκίμιο CTt2RP Δοκίμιο CTt2R Δοκίμιο CTt3RP Δοκίμιο CTt3R Δοκίμιο CTt4RP Δοκίμιο CTt4R Δοκίμιο CTt5RP Δοκίμιο CTt5R Δοκίμιο CTt6RP Δοκίμιο CTt6R Δοκίμιο CTt7RP Δοκίμιο CTt7R Δοκίμιο CTt8RP Συγκεντρωτικά αποτελέσματα των δοκιμίων CTtiRP και CTtiR η Ομάδα Πειραμάτων: Πειραματικός προσδιορισμός των μηχανικών ιδιοτήτων υβριδικού ελάσματος αλουμινίου με τη χρήση δοκιμίων εφελκυσμού τύπου "Dogbone" Προσδιορισμός των μηχανικών ιδιοτήτων και τη συμπεριφοράς του υβριδικού ελάσματος αλουμινίου Σκοπός των πειραμάτων και γενικές πληροφορίες για τα δοκίμια Ονοματολογία δοκιμίων

5 Περιγραφή των δοκιμών η Ομάδα πειραμάτων: Δοκιμές εφελκυσμού σε υβριδικά, συμπαγή δοκίμια εφελκυσμού μικρής κλίμακας «τύπου CT» (Compact Tension) Σκοπός των πειραμάτων και γενικές πληροφορίες για τα δοκίμια Ονοματολογία δοκιμίων Περιγραφή των δοκιμών Δοκίμιο wctzx Δοκίμιο wctzx Δοκίμιο wctzx Δοκίμιο wctzy Δοκίμιο wctzy Δοκίμιο wctzy Συγκεντρωτικά αποτελέσματα των δοκιμίων wctzx1 και wctzy ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΓΙΑ ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ Εισαγωγή Συμπεράσματα η Ομάδα Πειραμάτων: Μελέτη της διάδοσης ρωγμών σε ενισχυμένα ελάσματα αλουμινίου με ενισχυτικό «τύπου Τ» η Ομάδα Πειραμάτων: Προσδιορισμός των μηχανικών ιδιοτήτων υβριδικού ελάσματος η Ομάδα Πειραμάτων: Μελέτη της διάδοσης ρωγμών σε υβριδικά ελάσματα αλουμινίου Στόχοι που Επιτεύχθησαν Προτάσεις για Μελλοντική Έρευνα ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ A ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

6 Ευχαριστίες Στο σημείο αυτό, θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον κ. Βασίλη Ι. Παπάζογλου, Καθηγητή της Σχολής Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών του Εθνικού Μετσοβίου Πολυτεχνείου και Επιβλέποντα Καθηγητή της παρούσης Διπλωματικής Εργασίας για την βοήθεια και την καθοδήγηση που μου προσέφερε κατά τη διάρκεια της εκπόνησης και της ολοκλήρωσης της διπλωματικής μου εργασίας. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον Δρ. Κωνσταντίνο Π. Γαλάνη για τη βοήθειά του στον σχεδιασμό και τη συγγραφή της διπλωματικής μου εργασίας καθώς επίσης και για τη συμβολή του στην πραγματοποίηση της απαιτούμενης πειραματικής διαδικασίας. Ακόμα, θα ήθελα να εκφράσω τις βαθύτατες ευχαριστίες μου στη Δήμητρα Ρήγου, συμφοιτήτριά μου στη σχολή Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών του Εθνικού Μετσοβίου Πολυτεχνείου, για τη συνεργασία και την πολύτιμη βοήθειά της στην προετοιμασία και εκτέλεση των απαιτούμενων πειραμάτων, για την ουσιαστική συνδρομή της στην καταγραφή και επεξεργασία των αποτελεσμάτων και γενικά, για τη σημαντική συμβολή της στην εκπόνηση και την έγκαιρη ολοκλήρωση της διπλωματικής μου εργασίας. Παράλληλα, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον κ. Νικόλαο Τσούβαλη, Αναπληρωτή Καθηγητή της Σχολής Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών του Εθνικού Μετσοβίου Πολυτεχνείου, για τη συμβολή του στην πειραματική διαδικασία, καθώς επίσης και τους κ.κ. Αθανάσιο Μαρκουλή και Χαράλαμπο Ξάνθη, τεχνικούς του Εργαστηρίου Ναυπηγικής Τεχνολογίας υπεύθυνους για το χειρισμό της μηχανής εφελκυσμού που χρησιμοποιήθηκε στην πειραματική διαδικασία. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω την κ. Χαρά Σαράφογλου και τον κ. Νίκο Δανιόλο, Υποψήφιους Διδάκτορες της Σχολής Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών του Εθνικού Μετσοβίου Πολυτεχνείου, για τη βοήθεια που μου παρείχαν. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω τα Ναυπηγεία Ελευσίνας, για την κατασκευή των απαραίτητων δοκιμίων, και ιδιαιτέρως τον κ. Σταύρο Χιονόπουλο, ο οποίος, παρά το βαρύ φόρτο εργασίας του, μερίμνησε ώστε να είναι εγκαίρως διαθέσιμα τα απαραίτητα δοκίμια για την εκπόνηση του πειραματικού προγράμματος. 5

7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Παρουσίαση του Αντικειμένου της Διπλωματικής Εργασίας Το θέμα της Διπλωματικής Εργασίας είναι η μελέτη της διάδοσης των ρωγμών σε ενιχυμένα και υβριδικά ελάσματα αλουμινίου, με την πραγματοποίηση δοκιμών εφελκυσμού σε δοκίμια μικρής κλίμακας. Απώτερος στόχος της παρούσης μελέτης είναι η παρατήρηση της διάδοσης μίας προϋπάρχουσας, τεχνητής ρωγμής σε ναυπηγικά ελάσματα αλουμινίου και η εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με την πορεία διάδοσης της ρωγμής και της επίδρασης που έχουν στην πορεία της διάφοροι κατασκευαστικοί και σχεδιαστικοί παράγοντες. Οι ρωγμές, γενικά, αποτελούν ένα από τα μείζονα κατασκευαστικά προβλήματα της ναυπηγικής βιομηχανίας. Αποτελούν μία κατηγορία ατελειών, οι οποίες μπορούν είτε να προϋπάρχουν στο ναυπηγικό έλασμα ως κατασκευαστικό σφάλμα, είτε να αναπτυχθούν πάνω στο έλασμα ως αποτέλεσμα του συνδυασμού διαφόρων παραγόντων, όπως οι συνθήκες λειτουργίας της ναυπηγικής κατασκευής ή από σφάλματα στο σχεδιασμό και στη συναρμολόγηση. Η σημασία του φαινομένου της διάδοσης των ρωγμών έγκειται στο γεγονός ότι εάν μία ρωγμή δεν εντοπιστεί έγκαιρα και δεν αντιμετωπιστεί με τον κατάλληλο τρόπο μπορεί να οδηγήσει μέχρι και στην ολοκληρωτική κατάρρευση της ναυπηγικής κατασκευής. Για το λόγο αυτό, έχουν πραγματοποιηθεί πολυάριθμες έρευνες προκειμένου να κατανοηθεί το φαινόμενο της έναρξης και της διάδοσης των ρωγμών, και παρά το γεγονός ότι έχει σημειωθεί σημαντική πρόοδος, υπάρχει ακόμα περιθώριο για περαιτέρω έρευνα και για την εξαγωγή περισσότερων συμπερασμάτων. Αυτό ήταν και το έναυσμα για την ενασχόληση μου με την παρούσα διπλωματική εργασία, προκειμένου να συνεισφέρω με χρήσιμες πληροφορίες και συμπεράσματα στην ακαδημαϊκή κοινότητα και ναυπηγική βιομηχανία ούτως ώστε να βελτιστοποιηθεί ο σχεδιασμός, η επισκευή, η συντήρηση και η πρόληψη ενός αλουμινένιου ναυπηγήματος. Το αλουμίνιο είναι υλικό το οποίο χρησιμοποιείται εδώ και πολλές δεκαετίες στη ναυπηγική βιομηχανία. Ωστόσο, ειδικά τα τελευταία χρόνια, έχει αρχίσει να χρησιμοποιείται εντατικά ως κύριο υλικό κατασκευής σε μεγάλο εύρος ναυπηγικών εφαρμογών. Η πιο ευρεία χρήση του γίνεται σε σκάφη υψηλών ταχυτήτων νέας τεχνολογίας. Είναι προφανές ότι οι συνθήκες λειτουργίας αυτών των σκαφών ευνοούν την ανάπτυξη και τη διάδοση ρωγμών στα αλουμινένια ναυπηγικά ελάσματα και ως εκ τούτου, το ναυπηγικό αλουμίνιο καθίσταται σημαντικό αντικείμενο μελέτης πάνω σε αυτόν τον τομέα. Το θέμα της έναρξης και διάδοσης των ρωγμών σε ελάσματα αλουμινίου γίνεται ακόμα πιο πολύπλοκο όταν δεν αναφερόμαστε σε απλά ναυπηγικά ελάσματα, αλλά σε ελάσματα τα οποία είναι ενισχυμένα με διάφορες διατάξεις ενισχυτικών, όπως επίσης και σε υβριδικές διατάξεις, οι οποίες αποτελούνται από δύο διαφορετικά κράματα αλουμινίου, τα οποία έχουν συγκολληθεί μεταξύ τους. Σε αυτές τις περιπτώσεις υπεισέρχονται παράμετροι οι οποίες σχετίζονται με κατασκευαστικά και λειτουργικα θέματα, όπως η επίδραση που έχει το είδος της ενίσχυσης στη διάδοση της ρωγμής, η συνεργασία των δύο διαφορετικών κραμάτων και πώς αυτή επιδρά στη διάδοση της ρωγμής και η επίδραση που έχει η συγκόλληση του υβριδικού ελάσματος 6

8 και τα επακόλουθά της στη διάδοση των ρωγμών. Στις αλουμινένιες ναυπηγικές κατασκευές, όπως επίσης και στο σύνολο των ναυπηγικών κατασκευών, συνήθως συναντούνται τέτοιες πολύπλοκες διατάξεις. Ως εκ τούτου, το θέμα το οποίο καλείται να αντιμετωπίσει η παρούσα μελέτη είναι η διάδοση των ρωγμών σε αλουμινένια ναυπηγικά ελάσματα, υπό την επίδραση των συγκεκριμένων παραμέτρων που παρουσιάστηκαν σε αυτήν την παράγραφο Προσέγγιση του Αντικειμένου της Διπλωματικής Εργασίας Προκειμένου να είναι εφικτός ο σχεδιασμός μιας μεθοδολογίας για την ανιμετώπιση του προβλήματος που παρουσιάστηκε προηγουμένως, κρίνεται απαραίτητο να γίνει αρχικά μια έρευνα στη διαθέσιμη διεθνή επιστημονική βιβλιογραφία. Σκοπός αυτής της έρευνας είναι ο εντοπισμός μελετών και δημοσιεύσεων σχετικών με τη μελέτη της διάδοσης ρωγμών σε αλουμινένια ναυπηγικά ελάσματα, η ανεύρεση πληροφοριών για τις κατασκευαστικές λεπτομέρειες αλουμινένιων ναυπηγικών κατασκευών, καθώς και ο εντοπισμός καταγεγραμμένων συμβάντων στη ναυπηγική που έχουν σχέση με το συγκεκριμένο αντικείμενο. Τα κράματα αλουμινίου που εξετάζονται στη Διπλωματική Εργασία είναι το κράμα 5083 και το κράμα Ο λόγος για τον οποίο επιλέχτηκαν αυτά τα δύο κράματα είναι η ιδιαίτερα διαδεδομένη χρήση (ιδιαίτερα του πρώτου) στη ναυπηγική βιομηχανία και ως εκ τούτου, η πραγματοποίηση μιας μελέτης με αντικείμενο αυτά τα δύο κράματα θα μπορούσε να αποδειχτεί εξαιρετικά χρήσιμη. Λόγω της εκτεταμένης χρήσης τους, τα κράματα αυτά έχουν αποτελέσει αντικείμενο εκτεταμένων μελετών στο παρελθόν. Μεγάλο τμήμα των μελετών αυτών είναι αφιερωμένο στη διάδοση ρωγμών σε ναυπηγικά ελάσματα κατασκευασμένα από τα συγκεκριμένα κράματα αλουμινίου, με τη μεταβολή διαφόρων κατασκευαστικών και σχεδιατικών παραμέτρων. Αντιπροσωπευτικά παραδείγματα τέτοιων μελετών αποτελούν η Διπλωματική Εργασία της Δήμητρας Ρήγου [6] καθώς επίσης και η Διδακτορική Διατριβή του Κωνσταντίνου Π. Γαλάνη [7] και η Διπλωματική Εργασία του Στέφανου Μιχαλόπουλου [8]. Συγκεκριμένα, οι μελέτες αυτές θα αποτελέσουν πρότυπο για το σχεδιασμό του πειραματικού προγράμματος και θα συμβάλλουν στην εξαγωγή των απαραίτητων συμπερασμάτων. Μετά την απαραίτητη βιβιλιογραφική έρευνα, είναι απαραίτητο να σχεδιαστεί και να εκετελεστεί ένα κατάλληλο πειραματικό πρόγραμμα. Το πρόγραμμα αυτό θα πρέπει να δίνει τα αποτελέσματα αυτά τα οποία θα συμβάλλουν στην εξαγωγή των συμπερασμάτων που απαιτούνται για την αντιμετώπιση των θεμάτων που τέθηκαν στις προηγούμενες παραγράφους, με δεδομένους πάντα τους περιορισμούς που τίθενται από τη διαθεσιμότητα του υλικού για την κατασκευή των απαραίτητων δοκιμίων και από το διαθέσιμο χρόνο για την εκτέλεση του πειραματικού προγράμματος. Κλείνοντας αυτήν την ενότητα, είμαστε πλέον σε θέση να παρουσιάσουμε αναλυτικά το σκοπό της Διπλωματικής Εργασίας. Ο σκοπός, λοιπόν, της Διπλωματικής Εργασίας, είναι να παρατηρηθεί η διάδοση μία προϋπάρχουσας ρωγμής σε αλουμινένια ναυπηγικά ελάσματα μέσα από μία σειρά πειραμάτων με τη χρήση κατάλληλων δοκιμίων, καθώς επίσης, να εξετασθούν σε βάθος τα παρακάτω: 7

9 Πώς επηρεάζεται η διάδοση αυτής της προϋπάρχουσας ρωγμής σε ένα ενισχυμένο έλασμα από κράμα αλουμινίου από την παρουσία της ενίσχυσης και επίσης, ποια είναι η διαφορετική επίδραση, εάν υφίσταται τέτοια, από την ύπαρξη διαφορετικών διατάξεων ενίσχυσης. Και ακόμα, πώς επηρεάζει η παρουσία ή όχι υλικού πίσω από το ενισχυτικό του ελάσματος τη διάδοση της ρωγμής. Για τους σκοπούς αυτούς θα χρησιμοποιηθούν και συμπεράσματα άλλων μελετών, όπως αυτές που παρουσιάστηκαν προηγουμένως, προκειμένου να μπορεί να γίνει σύγκριση και να υπάρχει μία πιο ολοκληρωμένη εικόνα. Πώς επηρεάζονται οι μηχανικές ιδιότητες μιας υβριδικής διάταξης, που αποτελείται από δύο διαφορετικά κράματα αλουμινίου συγκολλημένα μεταξύ τους, σε σχέση με τις ιδιότητες των δύο κραμάτων που αποτελούν τη διάταξη αυτή. Πώς συνεργάζονται τα δύο διαφορετικά κράματα αλουμινίου που αποτελούν την υβριδική διάταξη και πως συμπεριφέρεται η διάταξη αυτή στη διάδοση αυτής της προϋπάρχουσας ρωγμής. Τέλος, ποια είναι η επίδραση της συγκόλλησης και των παρελκομένων της στην αντίσταση του υβριδικού ελάσματος στη διάδοση αυτής της προϋπάρχουσας ρωγμής. 1.3 Δομή της Διπλωματικής Εργασίας Η Διπλωματική Εργασία αποτελείται από πέντε κεφάλαια. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται αναλυτική παρουσίαση του θέματος και του σκοπού της Διπλωματικής Εργασίας και περιγράφεται περιληπτικά το φαινόμενο που μελετάται, πώς αυτό συνδέεται με τη ναυπηγική βιομηχανία και με ποιο τρόπο προσεγγίζεται στην παρούσα διπλωματική εργασία. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται η παρουσίαση της ονοματολογίας και των βασικών ιδιοτήτων των κραμάτων αλουμινίου και παρουσιάζονται οι τομείς της ναυπηγικής βιομηχανίας στους οποίους γίνεται χρήση των κραμάτων αλουμινίου. Επίσης, γίνεται αναλυτική παρουσίαση των ιδιοτήτων των δύο κραμάτων που θα χρησιμοποιηθούν στην πειραματική διαδικασία, του κράματος αλουμινίου 5083 και του κράματος αλουμινίου 1561, και παρατίθενται μελέτες που έχουν πραγματοποιηθεί, σχετικές με τα κράματα αυτά. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται μία γενική ανάλυση του φαινομένου της θραύσης, με έμφαση κυρίως στα διαφορετικά είδη θραύσης που παρατηρούνται. Παρατίθενται σχετικές μελέτες που έχουν πραγματοποιηθεί στα κράματα αλουμινίου 5083 και Ακόμα, περιγράφονται οι μηχανισμοί ανάπτυξης των ρωγμών και παρουσιάζεται ένα σύντομο ιστορικό αστοχιών λόγω διάδοσης ρωγμών σε διάφορες περιπτώσεις πλοίων. Τέλος, γίνεται σύντομη περιγραφή των διατάξεων ενίσχυσης που συναντώνται στις ναυπηγικές κατασκευές και παρατίθενται μελέτες που έχουν πραγματοποιηθεί σχετικές με τη διάδοση ρωγμών σε ενισχυμένα ναυπηγικά ελάσματα. Το τέταρτο κεφάλαιο αποτελεί την περιγραφή της πειραματικής διεργασίας. Αρχικά γίνεται αναλυτική παρουσίαση εισαγωγικών θεμάτων σχετικών με το αντικέιμενο της διπλωματικής εργασίας, όπως η αναλυτική περιγραφή των ιδιοτήτων 8

10 των κραμάτων αλουμινίου που χρησιμοποιούνται στην πειραματική διαδικασία και η κατασκευή και προετοιμασία των δοκιμίων που θα χρησιμοποιηθούν σε αυτήν. Ακόμα, γίνεται αναλυτική παρουσίαση της πειραματικής διάταξης και στη συνέχεια, γίνεται μεταλλογραφική παρατήρηση της συγκόλλησης που έλαβε χώρα για την κατασκευή ορισμένων δοκιμίων, όπως θα εξηγηθεί στη συνέχεια. Τέλος, γίνεται αναλυτική περιγραφή των προαναφερθέντων ομάδων πειραμάτων και των συμπερασμάτων που εξήχθησαν από αυτά. Η πειραματική διαδικασία αποτελείται από τρεις ομάδες πειραμάτων. Και στις τρεις ομάδες, η μέθοδος που χρησιμοποιείται είναι η δοκιμή του μονοαξονικού εφελκυσμού. Στην πρώτη ομάδα, γίνεται η παρατήρηση της διάδοσης μίας αρχικής, τεχνητής ρωγμής, σε ενισχυμένα, με εξελασμένα ενισχυτικά «τύπου Τ», δοκίμια εφελκυσμού μικρής κλίμακας τύπου CT (Compact Tension Specimens), από κράμα αλουμινίου Στόχος είναι να μελετηθεί η επίδραση που έχει στη διάδοση της ρωγμής η θέση του ενισχυτικού πάνω στο έλασμα και το μήκος της αρχικής ρωγμής. Γίνεται αναλυτική περιγραφή της διαδικασίας που ακολουθείται και της δοκιμής καθενός δοκιμίου ξεχωριστά. Στο τέλος, παρουσιάζονται τα συμπεράσματα που εξάγονται από αυτήν την ομάδα δοκιμών. Η δεύτερη ομάδα πειραμάτων περιλαμβάνει τον πειραματικό προσδιορισμό των μηχανικών ιδιοτήτων ενός υβριδικού ελάσματος που αποτελείται από δύο τμήματα, διαφορετικού κράματος αλουμινίου το καθένα, με τη χρήση τυποποιημένων δοκιμίων εφελκυσμού τύπου "Dogbone". Τα δύο αυτά κράματα είναι το 5083 και το 1561 και τα δύο τμήματα είναι συγκολλημένα μεταξύ τους. Στόχος είναι να καταγραφούν οι μηχανικές ιδιότητες αυτόυ του υβριδικού ελάσματος και να συγκριθούν με αυτές των κραμάτων αλουμινίου που το αποτελούν. Γίνεται και εδώ αναλυτική περιγραφή της διαδικασίας που ακολουθείται. Στην τρίτη, και τελευταία, ομάδα πειραμάτων, γίνεται παρατήρηση της διάδοσης μιάς αρχικής, τεχνητής, ρωγμής, σε υβριδικά δοκίμια εφελκυσμού τύπου CT, τα οποία αποτελούνται από δύο τμήματα, συγκολλημένα μεταξύ τους, από διαφορετικά κράματα αλουμινίου το καθένα. Το ένα τμήμα είναι κατασκευασμένο από κράμα αλουμινίου 5083 και το άλλο από κράμα αλουμινίου Στόχος είναι να παρατηρηθεί η διάδοση της ρωγμής σε ένα υβριδικό έλασμα αλουμινίου και να εξετασθεί κατά πόσο επηρεάζεται αυτή από την παρουσία της συγκόλλησης. Και σε αυτήν την ομάδα δοκιμών γίνεται αναλυτική περιγραφή της διαδικασίας που ακολουθείται και της δοκιμής καθενός δοκιμίου ξεχωριστά. Επίσης, στο τέλος παρουσιάζονται τα συμπεράσματα που εξάγονται από αυτήν την ομάδα δοκιμών. Το πειραματικό πρόγραμμα έχει σχεδιαστεί με τέτοιο τρόπο ώστε να αντικατοπτρίζει τις πραγματικές συνθήκες λειτουργίας μίας ναυπηγικής κατασκευής. Αυτός είναι και ο λόγος που επιλέχθηκε ως μέθοδος μια μονοαξονική πειραματική δοκιμή καθώς, κατά τη διάρκεια της λειτουργικής ζωής ενός πλοίου, η πλειοψηφία των φορτίων που δέχεται είναι συνδυασμός εφελκυστικών και θλιπτικών φορτίων. Επίσης, τα ελάσματα που χρησιμοποιούνται στις ναυπηγικές κατασκευές είναι ως επι το πλείστον ενισχυμένα με τα βασικότερα είδη ενίσχυσης. Ένας συνηθισμένος τύπος ενίσχυσης είναι τα εξελασμένα ενισχυτικά «τύπου Τ» και για το λόγο αυτό, έχουν πραγματοποιηθεί και στο παρελθόν μελέτες πάνω σε τέτοιου είδους ελάσματα. Η παρούσα μελέτη σε αυτού του είδους τα ελάσματα έχει ως σκοπό κυρίως να επαληθεύσει τα προηγούμενα συμπεράσματα έτσι ώστε να υπάρχει μία πλήρης και 9

11 αξιόπιστη πηγή δεδομένων για το συγκεκριμένο τύπο ελάσματος. Αυτό το οποίο αποτελεί μία νέα κατεύθυνση στη μελέτη της διάδοσης των ρωγμών σε ελάσματα αλουμινίου είναι το υβριδικό έλασμα, δηλαδή η συνεργασία δύο τμημάτων, από διαφορετικό κράμα αλουμινίου, συγκολλημένα μεταξύ τους, και πώς αυτή επηρεάζει τη διάδοση μιας προϋπάρχουσας ρωγμής. Στην παρούσα μελέτη γίνεται προσπάθεια να εξαχθούν χρήσιμα συμπεράσματα και να σχηματιστεί μια πρώτη ικανοποιητική εικόνα σχετικά με τη συμπεριφορά ενός υβριδικού ελάσματος. Στο πέμπτο, και τελευταίο, κεφάλαιο της Διπλωματικής Εργασίας γίνεται η συγκέντρωση των συμπερασμάτων από όλες τις ομάδες πειραμάτων και γίνεται σύγκριση των αποτελεσμάτων που εξήχθησαν με αποτελέσματα αντίστοιχων μελετών που έχουν πραγματοποιηθεί, οι οποίες έχουν αναφερθεί προηγουμένως. Γίνεται, ακόμα, μια προσπάθεια να καλυφθούν τα θέματα που ετέθησαν στις προηγούμενες ενότητες. Τέλος, παρατίθενται και προτάσεις για μελλοντική έρευνα επάνω στο συγκεκριμένο αντικείμενο. Κλείνοντας, θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον κ. Βασίλη Ι. Παπάζογλου, Καθηγητή της Σχολής Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών του Εθνικού Μετσοβίου Πολυτεχνείου και Επιβλέποντα Καθηγητή της παρούσης Διπλωματικής Εργασίας για την βοήθεια και την καθοδήγηση που μου προσέφερε κατά τη διάρκεια της εκπόνησης και της ολοκλήρωσης της διπλωματικής μου εργασίας. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον Δρ. Κωνσταντίνο Π. Γαλάνη για τη βοήθειά του στον σχεδιασμό και τη συγγραφή της διπλωματικής μου εργασίας καθώς επίσης και για τη συμβολή του στην πραγματοποίηση της απαιτούμενης πειραματικής διαδικασίας. Ακόμα, θα ήθελα να εκφράσω τις βαθύτατες ευχαριστίες μου στη Δήμητρα Ρήγου, συμφοιτήτριά μου στη σχολή Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών του Εθνικού Μετσοβίου Πολυτεχνείου, για τη συνεργασία της και την πολύτιμη βοήθειά της στην προετοιμασία και εκτέλεση των απαιτούμενων πειραμάτων, για την ουσιαστική συνδρομή της στην καταγραφή και επεξεργασία των αποτελεσμάτων και γενικά, για τη σημαντική συμβολή της στην εκπόνηση και την έγκαιρη ολοκλήρωση της διπλωματικής μου εργασίας. Παράλληλα, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον κ. Νικόλαο Τσούβαλη, Αναπληρωτή Καθηγητή της Σχολής Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών του Εθνικού Μετσοβίου Πολυτεχνείου, για τη συμβολή του στην πειραματική διαδικασία, καθώς επίσης και τους κ. Αθανάσιο Μαρκουλή και Χαράλαμπο Ξάνθη, τεχνικούς του Εργαστηρίου Ναυπηγικής Τεχνολογίας υπεύθυνους για το χειρισμό της μηχανής εφελκυσμού που χρησιμοποιήθηκε στην πειραματική διαδικασία. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω την κ. Χαρά Σαράφογλου και τον κ. Νίκο Δανιόλο, Υποψήφιους Διδάκτορες της Σχολής Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών του Εθνικού Μετσοβίου Πολυτεχνείου, για τη βοήθεια που μου παρείχαν. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω ιδιαιτέρως τον κ, Σταύρο Χιονόπουλο, Υποψήφιο Διδάκτορα της Σχολής Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών του Εθνικού Μετσοβίου Πολυτεχνείου, ο οποίος, παρά το βαρύ φόρτο εργασίας του, μερίμνησε ώστε να είναι εγκαίρως διαθέσιμα τα απαραίτητα δοκίμια για την εκπόνηση του πειραματικού προγάμματος. 10

12 ΚΕΦΑΛΑΙΟ2: ΤΟ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟ ΣΤΙΣ ΝΑΥΠΗΓΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ 2.1. Ιδιότητες των Κραμάτων Αλουμινίου Το αλουμίνιο είναι ελαφρύ και πολύ όλκιμο μέταλλο, με πολύ καλή θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα. Οι μηχανικές του ιδιότητες δεν εξαρτώνται μόνον από την καθαρότητα του, αλλά και από το ποσοστό της ενδοτράχυνσης που έχει υποστεί κατά τη διάρκεια των μηχανικών του κατεργασιών. Η πυκνότητα του αλουμινίου είναι χαμηλή (2,7 g/cm 2 ) - περίπου το ένα τρίτο της πυκνότητας του χάλυβα - γεγονός το οποίο του δίνει πλεονέκτημα για χρήση σε ναυπηγικές εφαρμογές. Το αλουμίνιο έχει μεγάλη χημική συγγένεια με το οξυγόνο. Το αποτέλεσμα των διεργασιών οξείδωσης είναι η δημιουργία ενός λεπτού, συνεχούς επιφανειακού στρώματος οξειδίου του αργιλίου Al 2 O 3. Ο σχηματισμός αυτού του στρώματος είναι ιδιαίτερα σημαντικός, καθώς είναι αδιαπέραστο από το οξυγόνο και προσφέρει στο μέταλλο σημαντική αντιοξειδωτική προστασία. Το στρώμα αυτό αυτοανανεώνεται και σχηματίζεται ταχύτατα τόσο στον αέρα όσο και σε υδάτινα περιβάλλοντα, γεγονός πολύ σημαντικό για τις ναυπηγικές κατασκευές. Η αντιοξειδωτική συμπεριφορά του αλουμινίου βασίζεται στη σταθερότητα και τον ομοιόμορφο σχηματισμό του οξειδίου πάνω στα ελάσματα. Οι τιμές του ph στις οποίες το στρώμα του οξειδίου παρουσιάζει σταθερότητα κυμαίνονται από 4,0 έως 9,0. Η συνέχεια του προστατευτικού αυτού στρώματος μπορεί να διαρραγεί είτε από εξωτερικά αίτια, όπως γδάρσιμο ή όξινα περιβάλλοντα, είτε από την ύπαρξη ακαθαρσιών στην επιφάνεια του μετάλλου. Μία τέτοια εξέλιξη είναι ανεπιθύμητη, καθώς σε αυτή την περίπτωση παρουσιάζεται έντονη διάβρωση με βελονισμούς. Τα κράματα του αλουμινίου διακρίνονται σε κράματα διαμόρφωσης και σε κράματα χύτευσης. Τα κράμματα των δύο αυτών κατηγοριών υποδιαιρούνται 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 οι ιδιότητες των δεύτερων εξαρτώνται από το ποσοστό ενδοτράχυνσης που έχουν υποστεί. Όπως το καθαρό αλουμίνιο, έτσι και τα κράματά του έχουν χαμηλή πυκνότητα, καλή θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα και υψηλή αντοχή σε διάβρωση. Οι κύριες προσθήκες των καραμάτων αλουμινίου είναι ο χαλκός, ο σίδηρος, το μαγγάνιο, το μαγνήσιο, το πυρίτιο και ο ψευδάργυρος. Η επίδραση των προσθηκών στις ιδιότητες του αλουμινίου φαίνονται στον Πίνακα

13 Πίνακας 2.1 Κύριες προσθήκες καραμάτων αλουμινίου και η επίδρασή τους. Προσθήκη Χαλκός Σίδηρος Μαγγάνιο Μαγνήσιο Πυρίτιο Ψευδάργυρος Επίδραση στις Ιδιότητες του Αλουμινίου Σε ποσοστό έως 12% προκαλεί βελτίωση της μηχανικής αντοχής και της κατεργασιμότητας. Η σκλήρυνση επιτυγχάνεται με κατακρήμνιση. Σε μικρά ποσοστά βελτιώνει την αντοχή και τη σκληρότητα και, ταυτόχρονα, μειώνει τις πιθανότητες θερμής ρωγμάτωσης κατά τη χύτευση. Βελτιώνει την ολκιμότητα και, σε συνδυασμό με τον σίδηρο, τη χυτευσιμότητα. Βελτιώνει τη μηχανική αντοχή και την αντοχή σε διάβρωση. Σε ποσοστό μεγαλύτερο του 6% προκαλεί σκλήρυνση με κατακρήμνιση. Βελτιώνει, κατά πολύ, τη χυτευσιμότητα και την αντοχή σε διάβρωση. Μειώνει τη χυτευσιμότητα αλλά, σε συνδυασμό με άλλα στοιχεία προσθήκης, βελτιώνει τη μηχανική αντοχή Ονοματολογία Κραμάτων Αλουμινίου Οι κωδικές ονομασίες των κραμάτων αλουμινίου, σύμφωνα με την Aluminum Association (A. A.), αποτελούνται από δύο μέρη, τα οποία χωρίζονται με παύλα. Το πρώτο μέρος αποτελείται από τέσσερις αριθμούς, των οποίων η σημασία εξαρτάται από το εάν πρόκειται για κράμα διαμόρφωση ή για κράμα χύτευσης. Στα κράματα διαμόρφωσης (βλ. Πίνακα 2.2), ο πρώτος αριθμός υποδηλώνει το κύριο στοιχείο προσθήκης. Ο δεύτερος χρησιμοποιείται για να δηλώσει τροποποιήσεις των ορίων περιεκτικοτήτων των ακαθαρσιών. Τέλος, οι δύο τελευταίοι αριθμοί, στην περίπτωση της σειράς 1ΧΧΧ, δίνουν τα δεκαδικά ποσοστά, για περιεκτικότητες αλουμινίου υψηλότερες του 99,00 %, ενώ στην περίπτωση κραμάτων αλουμινίου άλλων σειρών, οι δύο τελευταίοι αριθμοί χρησιμοποιούνται αποκλειστικά για τον προσδιορισμό της ειδικής κατηγορίας του κράματος της οικείας σειράς. Πίνακας 2.2. Κωδικοποίηση, κατά το σύστημα Α.Α., των κραμάτων διαμόρφωσης του αλουμινίου, ανάλογα με τα κύρια στοιχεία προσθήκης. Κωδικός Κύρια Προσθήκη 1ΧΧΧ Αλουμίνιο ελάχιστης καθαρότητας 99 % 2ΧΧΧ Χαλκός 3ΧΧΧ Μαγγάνιο 4ΧΧΧ Πυρίτιο 5ΧΧΧ Μαγνήσιο 6ΧΧΧ Μαγνήσιο και Πυρίτιο 7ΧΧΧ Ψευδάργυρος 8ΧΧΧ Άλλα στοιχεία 9ΧΧΧ Μη χρησιμοποιούμενη σειρά Στα κράματα χύτευσης (βλ. Πίνακα 2.3), ο πρώτος αριθμός υποδηλώνει επίσης το κύριο στοιχείο προσθήκης. Ο δεύτερος και τρίτος αριθμός δείχνουν την 12

14 ειδική κατηγορία του κράματος της οικείας ομάδας. Ο τέταρτος αριθμός, ο οποίος χωρίζεται με τελεία από τους τρεις πρώτους, αφορά στη μορφολογία του προϊόντος της χύτευσης: Με μηδέν (0) υποδηλώνεται ότι πρόκειται για χυτό, το οποίο έχει αποκτήσει την τελική του μορφολογία με κατ` ευθείαν χύτευση, ενώ με ένα (1) υποδηλώνεται ότι πρόκειται για πλίνθωμα. Μετατροπή της αρχικής χημικής σύστασης υποδηλώνεται με ένα γράμμα μπροστά από τον κωδικό. Πίνακας 2.3. Κωδικοποίηση, κατά το σύστημα Α.Α. των κραμάτων χύτευσης του αλουμινίου, ανάλογα με τα κύρια στοιχεία προσθήκης. Κωδικός Κύρια Προσθήκη 1ΧΧ.Χ Αλουμίνιο ελάχιστης καθαρότητας 99,00 % 2ΧΧ.Χ Χαλκός 3ΧΧ.Χ Πυρίτιο και Χαλκός ή Μαγνήσιο 4ΧΧ.Χ Πυρίτιο 5ΧΧ.Χ Μαγνήσιο 6ΧΧ.Χ Μη χρησιμοποιούμενη σειρά 7ΧΧ.Χ Ψευδάργυρος 8ΧΧ.Χ Κασσίτερος 9ΧΧ.Χ Άλλα στοιχεία Το δεύτερο μέρος της κωδικής ονομασίας, τόσο για τα κράματα διαμόρφωσης όσο και για τα κράματα χύτευσης, αναφέρεται στην κατεργασία, μηχανική ή θερμική, την οποία έχουν υποστεί (βλ. Πίνακα 2.4). Για παράδειγμα, το 1060-Η14 είναι αλουμίνιο καθαρότητας 99,60 %, το οποίο έχει υποστεί μόνον ενδοτράχυνση, η οποία έχει οδηγήσει σε αύξηση της σκληρότητάς του κατά 50 %. 13

15 Πίνακας 2.4. Κωδικοποίηση, κατά το σύστημα Α.Α., των κραμάτων αλουμινίου, ανάλογα με τις κατεργασίες που έχουν υποστεί. Κωδικός F O H Τ W Κατεργασία Προϊόν όπως παρήχθη, χωρίς μηχανική ή θερμική κατεργασία. Ανόπτηση Ενδοτράχυνση, μόνο για τα κράματα διαμόρφωσης Η1Χ Μόνον ενδοτράχυνση (το Χ αναφέρεται στο βαθμό ενδοτράχυνσης) Η11: Κράμα ελάχιστης σκληρότητας Η12: Κράμα σκληρυμένο κατά 25 % Η14: Κράμα σκληρυμένο κατά 50 % Η16: Κράμα σκληρυμένο κατά 75 % Η18: Κράμα σκληρυμένο κατά 100 % Η19: Υπέρσκληρο κράμα Η2Χ Ενδοτράχυνση ακολουθούμενη από ανόπτηση αποκατάστασης. Το Χ κυμαίνεται από 1 έως 8, υποδηλώνοντας το βαθμό σκλήρυνσης πριν από τη σταθεροποίηση. Η3Χ Ενδοτράχυνση ακολουθούμενη από θερμική κατεργασία σταθεροποίησης σε χαμηλή θερμοκρασία, προκειμένου να αποφευχθεί σκλήρυνση λόγω γήρανσης. Το Χ κυμαίνεται από 1 έως 8, υποδηλώνοντας το βαθμό σκλήρυνσης πριν από τη σταθεροποίηση. Θερμική κατεργασία σκλήρυνσης με γήρανση Τ1 Βαφή από τη θερμοκρασία θερμής μορφοποίησης και φυσική γήρανση. Τ2 Βαφή από τη θερμοκρασία θερμής μορφοποίησης, μηχανική κατεργασία εν ψυχρώ και φυσική γήρανση. Τ3 Θερμική κατεργασία ομογενοποίησης, βαφή, κατεργασία εν ψυχρώ και φυσική γήρανση. Τ4 Θερμική κατεργασία ομογενοποίησης, βαφή και φυσική γήρανση. Τ5 Βαφή από τη θερμοκρασία θερμής μορφοποίησης και τεχνητή γήρανση, σε θερμοκρασία υψηλότερη αυτής του περιβάλλοντος. Τ6 Θερμική κατεργασία ομογενοποίησης, βαφή και τεχνητή γήρανση, σε θερμοκρασία υψηλότερη αυτής του περιβάλλοντος. Τ7 Θερμική κατεργασία ομογενοποίησης, βαφή, θερμική κατεργασία σταθεροποίησης. Τ8 Θερμική κατεργασία ομογενοποίησης, βαφή, θερμική κατεργασία εν ψυχρώ και τεχνητή γήρανση. Τ9 Θερμική κατεργασία ομογενοποίησης, βαφή, τεχνητή γήρανση καλ κατεργασία εν ψυχρώ. Τ10 Βαφή από τη θερμοκρασία θερμής μορφοποίησης, κατεργασία εν ψυχρώ και τεχνητή γήρανση. Θερμική κατεργασία ομογενοποίησης. Χρησιμοποιείται μόνο για τα κράματα που υφίστανται σκλήρυνση με γήρανση. 14

16 2.3. Χρήση των Κραμάτων Αλουμινίου σε Ναυπηγικές Εφαρμογές Το αλουμίνιο και τα κράματά του χρησιμοποιούνται στη ναυπηγική βιομηχανία εδώ και πολλές δεκαετίες. Ωστόσο, τα τελευταία χρόνια υπάρχει μία αναζοπύρωση του ενδιαφέροντος όσον αφορά στη χρήση τους. Αυτό οφείλεται τόσο στις νέες κατασκευές γρήγορων επιβατηγών πλοίων νέας τεχνολογίας, όπως τα wavepiercing catamaran, όσο και στην κατασκευή νέων, μεγαλύτερων κρουαζιερόπλοιων, ως αποτέλεσμα της ανάπτυξης της αντίστοιχης βιομηχανίας. Παράλληλα, σε αυτην την αναζοπύρωση του ενδιαφέροντος έχουν συμβάλλει και άλλοι τομείς της ναυπηγικής βιομηχανίας, καθώς έχουμε χρήση κραμάτων αλουμινίου σε εξέδρες εξόρυξης πετρελαίου, βαθυσκάφη, ελικοδρόμια κλπ. (Εικόνα 2.1). Τα στοιχεία του αλουμινίου και των κραμάτων του που το καθιστούν ιδανικό για αυτές τις εφαρμογές είναι το μικρό του βάρος, η υψηλή αντοχή σε σχέση με το βάρος του, οι εξαιρετικές αντιδιαβρωτικές του ιδιότητες και η ανακυκλωσιμότητά του. Τα κυρίως χρησιμοποιούμενα κράματα αλουμινίου στις ναυπηγικές εφαρμογές, κυρίως σε πλοία εμπορικής εκμετάλλευσης, είναι τα κράματα της σειράς 5ΧΧΧ, τα οποία χρησιμοποιούνται ως επί το πλείστον στα ελάσματα της γάστρας. Το όριο διαρροής των κραμάτων αυτών κυμαίνεται από 100 έως 200 MPa. Πλεονεκτήματα των κραμάτων αυτών είναι η ικανότητά τους να διατηρούν την ολκιμότητά τους μετά τη συγκόλληση χωρίς να χρειαστεί να υποστούν θερμικές κατεργασίες και το γεγονός ότι δεν απατείται ιδιαίτερος εξοπλισμός για την κατεργασία τους σε ένα ναυπηγείο. Στα πλεονεκτήματα πρέπει επίσης να προστεθεί και η εξαιρετική αντιδιαβρωτική ικανότητα των κραμάτων αυτών. Από μετρήσεις που έγιναν σε απλά ελάσματα που παρέμειναν σε θαλάσσιο περιβάλλον για μία δεκαετία, παρατηρήθηκε μείωση της αντοχής μόνο κατά 2 5%. Αντίστοιχες μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν σε ελάσματα από κράματα της σειράς 6ΧΧΧ, η οποία χρησιμοποιείται κυρίως σε σκάφη αναψυχής για την κατασκευή ενισχυτικών, έδειξαν μείωση της αντοχής κατά 5 7%. Εκτός από τις προαναφερθείσες σειρές κραμάτων αλουμινίου, χρησιμοποιούνται στη ναυπηγική βιομηχανία, αν και πιο σπάνια, και άλλες σειρές, όπως η 2ΧΧΧ και η 7ΧΧΧ, κυρίως σε εφαρμογές όπου απαιτούνται τιμές αντοχής από 480 έως 550 MPa, τιμές οι οποίες είναι κατά πολύ μεγαλύτερες από τις αντίστοιχες της σειράς 5ΧΧΧ. Αυτά τα κράματα υψηλής αντοχής χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές όπου δε χρειάζεται συγκόλληση και όπου η υψηλή τους αντοχή μπορεί να αντισταθμίσει τη μειωμένη αντίστασή τους σε διάβρωση. Για να μπορέσουν να διατηρηθούν τα κράματα αυτά σε θαλάσσια περιβάλοντα για μεγάλα χρονικά διαστήματα, συνήθως χρησιμοποιούνται προστατευτικά μέτρα όπως βαφή και καθοδική προστασία. Το αλουμίνιο και τα κράματά του βρίσκουν εφαρμογή σε πολλούς τομείς της ναυπηγικής βιομηχανίας. Ορισμένοι από αυτούς αναλύονται στη συνέχεια. 15

17 (β (α) (β) (γ) (δ) Εικόνα 2.1. α) Wavepiercing Catamaran. β) Βαθυσκάφος γ) Εξέδρα εξόρυξης πετρελαίου. δ) Ελικοδρόμιο εγκατεστημένο σε πλοίο. Πλοία εμπορικής εκμετάλλευσης. α) Επιβατηγά, επιβατηγά - οχηματαγωγά πλοία. Στα επιβατηγά πλοία, το αλουμίνιο και τα κράματά του χρησιμοποιούνται κυρίως στις υπερκατασκευές, καθώς με αυτόν τον τρόπο, μειώνεται το συνολικό βάρος με υψηλό κέντρο βάρους, δίνοντας έτσι τη δυνατότητα μείωσης του πλάτους του πλοίου, χωρίς να επηρεάζεται αρνητικά η ευστάθεια. Το αλουμίνιο χρησιμοποιείται, επίσης, και στο εσωτερικό των πλοίων αυτών, όπως για παράδειγμα σε εξοπλισμό, στους χώρους ενδιαιτήσεων, σε αεραγωγούς, σκάλες, κ.λπ. Η ποσότητα του αλουμινίου που έχει χρησιμοποιηθεί κατά καιρούς κυμαίνεται σε ένα εύρος από 1000 έως 2000 τόνους και τα κράματα που χρησιμοποιούνται είναι κυρίως κράματα αλουμινίου - μαγνησίου και αλουμινίου - μαγνησίου - μαγγανίου. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί η περίπτωση του υπερωκεάνειου "SS United States" (Εικόνα 2.2), το οποίο ναυπηγήθηκε το Η χρήση κραμάτων 16

18 αλουμινίου είχε ως αποτέλεσμα την ελάττωση του συνολικού εκτοπίσματος κατά 8000 τόνους. Το κέρδος αυτό εντοπιζόταν κυρίως στις υπερκατασκευές, οι οποιες έχουν το κέντρο βάρους ψηλά, γεγονός το οποίο επέτρεψε την ελάττωση του πλάτους του πλοίου. Επίσης, η συνολική ελάττωση του βάρους επέτρεψε και τη χρήση μικρότερης, άρα και ελαφρύτερης, προωστήριας εγκατάστασης, διατηρώντας παράλληλα την ικανότητα για επίτευξη υψηλών ταχυτήτων. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκε το κράμα 6061-Τ6 στις υπερκατασκευές, τα υπερστεγάσματα και τις εγκάρσιες φρακτές. Επίσης, χρησιμοποιήθηκε και σε χώρους ενδιαίτησης, σε αεραγωγούς και σε κιγκλιδώματα. Άλλα παραδείγματα πλοίων όπου έγινε εκτεταμένη χρήση των κραμάτων αλουμινίου, σε ένα εύρος από 1000 έως 2000 τόνους, είναι τα ευρωπαϊκά "Oriana" (Εικόνα 2.3), "SS Canberra" (Εικόνα 2.4) και "SS France" (Εικόνα 2.5), όπου χρησιμοποιήθηκαν κράματα αλουμινίου - μαγνησίου και αλουμινίου - μαγνησίου - μαγγανίου. Μιας και η εξωτερική εμφάνιση σε αυτού του είδους τα πλοία παίζει σημαντικό ρόλο, αξίζει να σημειωθεί ότι η βαφή στις αλουμινένιες επιφάνειες διαρκεί 50% περισσότερο από τις αντίστοιχες χαλύβδινες επιφάνειες. Εικόνα 2.2. Το υπερωκεάνειο "SS United States". 17

19 Εικόνα 2.3 Το κρουαζιερόπλοιο "Oriana". Εικόνα 2.4. Το κρουαζιερόπλοιο "SS Canberra". 18

20 Εικόνα 2.5 Το κρουαζιερόπλοιο "SS France". β) Φορτηγά ξηρού φορτίου. Στα φορτηγά πλοία ξηρού φορτίου, το αλουμίνιο και τα κράματά του χρησιμοποιούνται κυρίως σε στοιχεία μέσης τομής, με τη μορφή ενισχυμένων ελασμάτων, επιτυγχάνοντας με αυτόν τον τρόπο μείωση του βάρους κατά 40% σε σχέση με τη χρήση ενισχυμένων χαλύβδινων ελασμάτων. Σε αυτές τις περιπτώσεις το κράμα του αλουμινίου που χρησιμοποιείται είναι το 5086, και το πάχος των ελσμάτων κυμαίνεται από 6 έως 19 mm. γ) Bulk Carriers. Στα bulk carriers το αλουμίνιο και τα κράματά του χρησιμοποιούνται κυρίως σε στοιχεία όπως υπερστεγάσματα, καλύματα στομίων κοιτών και εξοπλισμό, όπως κιγκλιδώματα και σωστικές λέμβους, με αποτέλεσμα τη μείωση του βάρους κενού σκάφους προς όφελος της μεταφορικής ικανότητας. Επίσης, υπάρχουν και οφέλη πρακτικής σημασίας, όπως στην περίπτωση των φορτωτήρων, καθώς με τη χρήση κραμάτων αλουμινίου όπως το 2014-Τ6, το 6061-Τ6, ή το 6070-Τ6 παρέχεται η δυνατότητα κατασκευής φορτωτήρων με μεγαλύτερο άνοιγμα, χωρίς να υπάρχει επιβάρυνση στο βάρος, σε σχέση με τους αντίστοιχους χαλύβδινους φορτωτήρες. Ένα παράδειγμα αυτής της εφαρμογής μπορούμε να δούμε ήδη από τη δεκαετία του '30, και συγκεκριμένα στο bulk carrier "J.R. Sensibar" (Εικόνα 2.6), όπου ο αρχικός 19

21 χαλύβδινος φορτωτήρας του, μήκους 190 ft αντικαταστάθηκε από έναν άλλον αλουμινένιο, μήκους 256 ft. Με τον τρόπο αυτό αυξήθηκε η ακτίνα φορτοεκφόρτωσης του πλοίου, χωρίς παράλληλα να χρειαστεί να γίνουν αλλαγές στη βάση του φορτωτήρα λόγω αύξησης του μεγέθους του. Εικόνα 2.6. Το bulk carrier "J.R. Sensibar". δ) LNG Carriers. Το αλουμίνιο και τα κράματά του βρίσκουν εφαρμογή και στα πλοία μεταφοράς υγροποιημένων αερίων (Εικόνα 2.7), και συγκεκριμένα, στις δεξαμενές αποθήκευσης και μεταφοράς των αερίων. Γενικά, υπάρχουν τέσσερις τύποι δεξαμενών που χρησιμοποιούνται στα LNG. Οι τύποι αυτοί είναι οι εξής: Moss Tanks (σφαιρικές δεξαμενές), IHI Prismatic, TGZ Mark III, και GT96. Από αυτούς τους τύπους, κράματα αλουμινίου χρησιμοποιούνται σε δύο, στις Moss Tanks και στις IHI Prismatic (Εικόνα 2.8). 20

22 Εικόνα 2.7. LNG Carrier. (α) (β) Εικόνα 2.8. α) Moss Tank (σφαιρική δεξαμενή) β) IHI Prismatic Tank. κατασκευασμένη από το κράμα αλουμινίου ε) Αλιευτικά σκάφη. Σε αυτού του είδους τα σκάφη, το χαμηλό βάρος και οι αντιδιαβρωτικές ιδιότητες των κραμάτων του αλουμινίου αποδεικνύονται ιδιαίτερα ευεργετικά. Τα κράματα που χρησιμοποιούνται είναι τα 5052-Η32 και 5086-Η32, σε μορφή ελασμάτων πάχους 0,25 in, και το κράμα 6061-Τ6 για τα ενισχυτικά. Κύριο πλεονέκτημα της χρήσης των κραμάτων αυτών είναι το μικρό βάρος, γεγονός το οποίο αφενός επιτρέπει τη μεταφορά μεγαλύτερου φορτίου, αφετέρου δίνει τη δυνατότητα να εγκαταστθεί περισσότερος, άρα και βαρύτερος, εξοπλισμός για τη μεταφορά και το μάζεμα των διχτυών. Το μικρό βάρος, επίσης, επιτρέπει και την 21

23 επίτευξη υψηλότερων ταχυτήτων, σε κάποιες περιπτώσεις ακόμα και διπλάσιων, σε σχέση με αντίστοιχα χαλύβδινα σκάφη, γεγονός το οποίο δίνει τη δυνατότητα παραμονής για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα στις περιοχές αλίευσης και άρα, μεγαλύτερο φορτίο και συνεπώς, μεγαλύτερο εισόδημα. Όλα τα παραπάνω υπερκαλύπτουν το βασικό μειονέκτημα των κραμάτων αλουμινίου που είναι το υψηλότερο κόστος κατασκευής σε σχέση με το χάλυβα, καθώς αυτή η διαφορά αποσβένεται σε σύντομο χρονικό διάστημα. Εκτός από την κατασκευή της γάστρας και των υπερκατασκευών, κράματα αλουμινίου χρησιμοποιούνται επίσης και για την κατασκευή εξοπλισμού. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελούν οι χώροι ψύξης και αποθήκευσης των αλιευμάτων, οι οποίοι είναι κατασκευασμένοι από κράματα όπως τα 6061-Τ6, Τ6 και Οι κατασκευασμένοι από αλουμίνιο χώροι αυτοί είναι μη απορροφητικοί, είναι πιο υγιεινοί σε σχέση με αντίστοιχους χαλύβδινους και, επίσης, έχουν λιγότερες απαιτήσεις συντήρησης, καθώς δεν είναι απαραίτητο να καλύπτονται από αντιδιαβρωτικά επιστρώματα. στ) Φορτηγίδες. Αλουμινένιες φορτηγίδες κατασκευάζονται στην Αμερική από τη δεκαετία του `60. Χρησιμοποιούνται για τις εσωτερικές μεταφορές και τα φορία τους είναι κυρίως χημικά προϊόντα αλλά και λιπαντικά, λιπάσματα, καύσιμα και διαλυτικά. Σε αυτές τις φοτηγίδες χρησιμοποιείται, για την κατασκευή της γάστρας, το κράμα αλουμινίου 5084-Η34 με τη μορφή ελασμάτων πάχους 7/16 in και για την επένδυση των δεξαμενών το κράμα αλουμινίου 5052-Η34 με τη μορφή ελασμάτων πάχους 5/16 in. Αν και ο κύριως παράγοντας για την επιλογή του κράματος είναι η αντοχή του στα διαβρωτικά προϊόντα που μεταφέρει, εντούτοις παρατηρείται ελάττωση του βάρους κατά 150 τόνους σε σχέση με μία αντίστοιχη φορτηγίδα κατασκευασμένη από χάλυβα. ε) Υδροπτέρυγα. Σκοπός της χρήσης του αλουμινίου και των κραμάτων του στα υδροπτέρυγα είναι το όσο το δυνατόν μικρό βάρος της γάστρας προκειμένου να επιτυγχάνονται υψηλές ταχύτητες μετοφοράς με οικονομικά προσιτές προωστήριες εγκαταστάσεις. Αρχικά στην Ευρώπη, όπου και πρωτοεμφανίστηκαν τα υδροπτέρυγα, χρησιμοποιήθηκαν αποκλειστικά κράματα τύπου Αργότερα, στην Αμερική, χρησιμοποιήθηκαν κράματα της σειράς 5ΧΧΧ. Ένα παράδειγμα τέτοιου σκάφους αποτελεί το "H.S. Denison" (Εικόνα 2.7), στο οποίο χρησιμοποιήθηκε το κράμα 5456 για την κατασκευή της γάστρας, των καμπινών και των εγκαρσίων φρακτών. Επίσης, σε ένα μέρος των χαλύβδινων διατάξεων των πτερυγίων χρησιμοποιήθηκαν σφυρηλατημένα τμήματα από το κράμα 7079-Τ6. Τέλος, αλουμίνιο χρησιμοποιήθηκε και σε μέρος των διατάξεων των σωληνώσεων. Επιπλέον, σε μικρότερα από το "H.S. Denison" σκάφη χρησιμοποιήθηκαν τα κράματα 5456 και Πρέπει πάντως να σημειωθεί σε αυτό το σημείο πως για μεγάλα σκάφη, όπως το "H.S. Denison", το βασικό υλικό κατασκευής για τις διατάξεις των πτερυγίων είναι οι χάλυβες υψηλής αντοχής, καθώς η αντοχή που παρέχουν είναι ιδιαίτερα σημαντική. 22

24 Εικόνα 2.9. Το υδροπτέρυγο "H.S. Denison". Πολεμικά σκάφη. α) Αντιτορπιλικά. Μετά το τέλος του Β` Παγκοσμίου Πολέμου, η αυξανόμενη χρήση των ηλεκτρονικών, και συνεπώς η αύξηση του βάρους της κατασκευής, οδήγησε στην ανάγκη κατασκευής ελαφρύτερων υπερστεγασμάτων για τα αντιτορπιλικά, γεγονός το οποίο επανέφερε στην επιφάνεια τη χρήση του αλουμινίου και των κραμάτων του. Την τελευταία δεκαετία γίνεται σχεδόν αποκλειστική χρήση του κράματος Ως εκ τούτου, το όφελος σε βάρος κυμαίνεται από 40 έως 45 %, γεγονός το οποίο επιτρέπει την κατασκευή πιο λεπτόγραμμης γάστρας, η οποία είναι απαραίτητη για την επίτευξη υψηλών υπηρεσιακών ταχυτήτων, χωρίς ταυτόχρονα να επιβαρύνεται η ευστάθεια. Επίσης, γίνεται δυνατή η εγκατάσταση επιπλέον εξοπλισμού σε μεγάλο ύψος, χωρίς να επηρεάζεται αρνητικά η ευστάθεια. Εκτός από τα υπερστεγάσματα, έχουμε χρήση κραμάτων αλουμινίου και σε άλλες εφαρμογές, όπως στους χώρους ενδιαιτήσεως, σε σκάλες και σε κιγκλιδώματα. Τα κράματα που χρησιμοποιούνται είναι τα 5052, 5086, 6061 και β) Αεροπλανοφόρα. Στα αεροπλανοφόρα γίνεται διαχρονικά χρήση των κραμάτων αλουμινίου για την κατασκευή των διατάξεων των ανελκυστήρων καταστρώματος. Αρχικά, έγινε χρήση του κράματος 6061-Τ6 στο αεροπλανοφόρο "USS Shangri-La" (Εικόνα 2.8β). Στη συνέχεια, χρησιμοποιήθηκε το κράμα 5154-Η36, ενώ με την πρόοδο που παρουσιάστηκε αργότερα στη συγκόλληση και στην κραματοποίηση του αλουμινίου, άρχισε να γίνεται χρήση του κράματος 5456, και πιο συγκεκριμένα στους ανελκυστήρες του αεροπλανοφόρου "USS Enterprise" (Εικόνα 2.8α). Η χρήση του αλουμινίου σε αυτές τις εφαρμογές μπορεί οδηγήσει σε μείωση του βάρους έως και 35 τόνους σε σχέση με τις αντίστοιχες χαλύβδινες κατασκευές. 23

25 (α) (β) Εικόνα Τα αεροπλανοφόρα "USS Enterprise" (α) και "Shangri-La" (β) Αναλυτική περιγραφή των Κραμάτων Αλουμινίου που θα Χρησιμοποιηθούν στην Πειραματική Διαδικασία Όπως θα περιγραφεί αναλυτικότερα και στο Κεφάλαιο 4, τα κράματα αλουμινίου που θα χρησιμοποιηθούν στην πειραματική διαδικασία είναι το κράμα 5083 και το κράμα Στη συνέχεια θα ακολουθήσει λεπτομερής περιγραφή των ιδιοτήτων των παράπάνω κραμάτων Το κράμα αλουμινίου Βασικά χαρακτηριστικά του κράματος Το κράμα αλουμινίου 5083 αποτελεί ένα από τα ευρέως διαδεδομένα κράματα αλουμινίου στη ναυπηγική βιομηχανία. Η σύσταση με την οποία συναντάται συνήθως είναι 5,2% μαγνήσιο, 0,1% μαγγάνιο, 0,1% χρώμιο. Χαρακτηριστικά του είναι η υψηλή του αντοχή, αφού έχει υποστεί κατεργασία, και η ευκολία στη διαμόρφωση, η οποία οφείλεται στην πολύ καλή ολκιμότητά του. Όπως όλα τα κράματα αλουμινίου, έχει μικρή πυκνότητα και παρουσιάζει πολύ καλή θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα. Παρουσιάζει, επίσης, εξαιρετικές αντιδιαβρωτικές ιδιότητες, χαρακτηριστικό ιδιαίτερα σημαντικό για τις ναυπηγικές εφαρμογές. Ανήκει στα μη θερμικώς κατεργάσιμα κράματα και η όποια κατεργασία γίνεται εν ψυχρώ. Στους Πίνακες 2.5 έως και 2.9 παρατίθενται αναλυτικά τα χαρακτηριστικά του κράματος

26 Πίνακας 2.5. Χημική σύσταση του κράματος Στοιχείο Ποσοστό % Αλουμίνιο Υπόλοιπο Μαγνήσιο 4,00-4,90 Μαγγάνιο 0,400-1,00 Χρώμιο 0,05-0,25 Πυρίτιο 0,40 max Σίδηρος 0,40 max Χαλκός 0,10 max Λοιπά (ατομικά) 0,05 max Λοιπά (σύνολο) 0,15 max Πίνακας 2.6. Μηχανικές ιδιότητες του κράματος Κατεργασία Όριο διαρροής για 0,2% παραμόρφωση (ΜPa) Μέγιστη αντοχή σε εφελκυσμό (MPa) Επιμήκυνση (%) Ο Η Η Η Πίνακας 2.7. Φυσικές ιδιότητες του κράματος Ιδιότητα Θερμοκρασία Τιμή Μονάδες ( ο C) Πυκνότητα 20 2,66 kg/m 3 Βάρος 20 2,66 πάχος σε mm Μέτρο Εφελκυσμός 20 70,3 GPa Ελαστικότητας Στρέψη 26,4 Θλίψη 20 71,7 GPa Σημείο τήξης o C Συντελεστής διάχυσης 20 24, / o C Θερμική αγωγιμότητα W/m oc Ηλεκτρική αντίσταση 20 59,5 Nano-ohm m Ηλεκτρική αγωγιμότητα %IACS 25

27 Πίνακας 2.8. Γενικά χαρακτηριστικά κράματος Αντίσταση σε διάβρωση Δυνατότητα διαμόρφωσης Δυνατότητα συγκόλλησης Δυνατότητα ανοδίωσης * Κατεργασιμότητα Δυνατότητα χαλκοσυγκόλλησης Πολύ καλή Καλή (Η116) Πολύ καλή Μέτρια Μέτρια Κακή *: Στο κράμα 5083, ανοδίωση γίνεται μόνο για προστασία ενάντια στη διάβρωση. Πίνακας 2.9. Κωδικές ονομασίες του κράματος Πρότυπο Ονομασία Ηνωμένες Πολιτείες Αμερικής AA 5083 Ηνωμένο Βασίλειο BS 5083 Γερμανία DIN AlMg4,5Mn Ευρώπη EN AW-A 5083 Ιαπωνία JIS A5083P Γαλλία NF A5083 ISO Al Mg4,5Mn0, Σημαντικές ιδιότητες του κράματος Χαρακτηριστικό γνώρισμα του κράματος αλουμινίου 5083 είναι η υψηλή του αντοχή και η πολύ καλή ολκιμότητα που παρουσιάζει σε σχέση με τα υπόλοιπα κράματα της σειράς 5000, δεδομένης της αντοχής του. Οι V. L. Telikamp και E. J. Lavernia [V. L. Telikamp, E. J. Lavernia, 1999] πραγματοποίησαν έρευνες σχετικά με τη δομή του κράματος 5083 και πώς μία αλλαγή σε αυτή θα μπορούσε να επηρεάσει τις μηχανικές του ιδιότητες. Συγκεκριμένα, χρησιμοποίησαν εμπορικό κράμα αλουμινίου 5083, με σύνθεση 4,4Mg, 0,7Mn, 0,15Cr. Από το κράμα αυτό παρήχθησαν νανοκρυσταλλικές σκόνες, από τις οποίες, ύστερα από κατάλληλη επεξεργασία, σχηματίστηκε ένα θερμικώς σταθερό νανοκρυσταλλικό υλικό, με μέγεθος κόκων που κυμαινόταν από 25 έως 35 nm. Ύστερα από κατάλληλες μετρήσεις παρατηρήθηκε ότι το νέο υλικό που σχηματίστηκε παρουσίαζε βελτιωμένη αντοχή σε λυγισμό κατά 30% και μεγαλύτερη αντοχή σε θραύση σε σχέση με το ισχυρότερο κράμα αλουμινίου 5083 που κυκλοφορεί στο εμπόριο. Ένα εξίσου σημαντικό χαρακτηριστικό του κράματος αλουμινίου 5083 είναι η πολύ καλή συγκολλησιμότητά του. Οι μέθοδοι συγκόλλησης που εφαρμόζονται στο κράμα αυτό είναι οι GTAW και GMAW, ενώ ως υλικό συγκόλλησης χρησιμοποιούνται τα κράματα 5183, 5356 ή Πέραν όμως από τη συγκολλησιμότητά του, εξίσου καλή είναι και η συμπεριφορά του κράματος 5083 και μετά τη συγκόλληση, καθώς παρουσιάζεται μικρή ελάττωση της αντοχής του στη 26

28 θερμικά επηρεαζόμενη ζώνη της συγκόλλησης, σε σχέση με άλλα κράματα αλουμινίου. Ωστόσο, το φαινόμενο αυτό, ακόμα και σε μικρή έκταση, αποτελεί μειονέκτημα. Επίσης, επειδή το κράμα 5083 είναι μη θερμικώς κατεργάσιμο κράμα, δεν γίνεται να εφαρμοστούν μετά τη συγκόλληση οι τυπικές διαδικασίες επαναφοράς του στην αρχική του κατάσταση. Οι Wajira Mirihanage και Nanda Munasinghe [Wajira Mirihanage, Nanda Munasinghe, 2004] ασχολήθηκαν με το θέμα αυτό. Συγκεκριμένα, εξέτασαν συγκολλημένα μεταξύ τους φύλλα του κράματος αλουμινίου 5083-Η321, τα οποία είχαν συγκολληθεί με τη μέθοδο συγκόλλησης GMAW, χρησιμοποιώντας ως υλικό συγκόλλησης το κράμα αλουμινίου Τμήματα των συγκολλημένων δοκιμίων υπέστησαν θέρμανση στους 473 ο Κ και στους 673 ο Κ για 5 λεπτά και στη συνέχεια αφέθηκαν να ψυχθούν σε θερμοκρασία δωματίου (302 ο Κ ο Κ). Ύστερα από μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν, παρατηρήθηκε ότι, μετά από θέρμανση στους 473 ο Κ για 5 λεπτά, το συγκολλημένο κράμα αλουμινίου ανέκτησε τις μηχανικες του ιδιότητες, ενώ θέρμανση σε υψηλότερες θερμοκρασίες δεν προσφέρει τίποτα περισσότερο. Τέλος, επίσης σημαντικό γνώρισμα του κράματος αλουμινίου 5083 είναι οι εξαιρετικές αντιδιαβρωτικές του ιδιότητες, οι οποίες παρατηρούνται, σε θαλάσσια περιβάλοντα, για τιμές ph από 4 έως 9. Η ικανότητα αυτή του κράματος οφείλεται στη δημιουργία του προστατευτικού επιστρώματος από οξείδιο στην επιφάνειά του, όπως έχει αναφερθεί και προηγουμένος. Προκειμένου να διατηρηθεί και να ενισχυθεί η συνέχεια του στρώματος αυτού, το κράμα μπορεί να υποβληθεί σε ανοδίωση. Οι ιδιότητες αυτές του κράματος αλουμινίου 5083 αναλύονται και στην έρευνα των C. J. Altenburg, R. J. Scott και Gibbs & Cox για λογαρισμό του Ship Structure Committee [C. J. Altenburg R. J. Scott Gibbs & Cox, 1971], η οποία είχε ως σκοπό τη μελέτη της εφικτότητας της κατασκευής ενός bulk carrier από κράματα αλουμινίου και την ανάλυση των πλεονεκτημάτων μια τέτοιας κατασκευής σε σχέση με μία αντίστοιχη χαλύβδινη. Η πολύ καλή αντιδιαβρωτική συμπεριφορά του κράματος αλουμινίου έγινε φανερή μέσα από σειρά δοκιμών, τα αποτελέσματα των οποίων παρατίθενται στους Πίνακες 2.10 και Πίνακας Αντοχή σε διάβρωση κραμάτων αλουμινίου 5083 σε διάφορες καταστάσεις διαβροχής - Επταετής έκθεση σε θαλασσινό νερό. Κράμα 5083-Ο 5083-Η34 Καταστάσεις διαβροχής % Μεταβολή αντοχής σε εφελκυσμό %Μεταβολή αντοχής σε λυγισμό Πλήρως βυθισμένο -2 0 Γραμμή φόρτωσης -3-2 Απλή διαβροχή -6-2 Πλήρως βυθισμένο 0 0 Γραμμή φόρτωσης 0 0 Απλή διαβροχή

29 Πίνακας Αντοχή σε διάβρωση κραμάτων αλουμινίου 5083 για διάφορες καταστάσεις συγκόλλησης. - Πενταετής έκθεση σε θαλασσινό νερό. Κράμα Είδος δοκιμίων % Μεταβολή αντοχής σε εφελκυσμό 5083-Η113 Ανέπαφη ραφή συγκόλλησης Αφαίρεση ραφής συγκόλλησης 5083-Η32 %Μεταβολή αντοχής σε λυγισμό Μη συγκολλημένα Ανέπαφη ραφή -2 0 συγκόλλησης Αφαίρεση ραφής συγκόλλησης -8 0 Μη συγκολλημένα -2 0 Όπως διαπιστώνεται και από τα παραπάνω στοιχεία, η ελάττωση των μηχανικών ιδιοτήτων των δοκιμίων είναι αμελητέα. Επίσης, σύμφωνα με τους ερευνητές, το μέγιστο πάχος του δοκιμίου στο οποίο έφτασε η διάβρωση σε συγκολλημένα και μη δοκίμια, για πενταετή έκθεση στο θαλασσινό νερό, ήταν της τάξης των 8 mils. Αυτό σημαίνει ότι, για μία γάστρα με εικοσαετή έκθεση σε θαλασσινό νερό, το μέσο μέγιστο πάχος της απώλειας του υλικού θα είναι της τάξης των 10 με 12 mils, τιμή η οποία είναι αμελητέα Το κράμα αλουμινίου Γενικά Το κράμα αλουμινίου 1561 είναι και αυτό ένα συχνά χρησιμοποιούμενο κράμα αλουμινίου στη ναυπηγική βιομηχανία. Χρησιμοποιείται εδώ και τριάντα περίπου χρόνια σε ναυπηγικές εφαρμογές, κυρίως στην κατασκευή υδροπτέρυγων και αερόστρωμνων σκαφών. Ένα τέτοιο παράδειγμα υδροπτέρυγου αποτελεί το "Marine Princess" (Εικόνα 2.9), στο οποίο το κράμα 1561 έχει χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή της γάστρας. 28

30 Εικόνα Το υδροπτέρυγο "Marine Princess". Μία άλλη κατηγορία σκαφών στα οποία χρησιμοποιείται το κράμα 1561 είναι τα σκάφη Wing in Ground Effect ή αλλιώς WIG ή Ekranoplan (με αυτό το όνομα είναι γνωστά κυρίως στη Ρωσία). Τα σκάφη αυτά αποτελούν ενδιάμεσο τύπο σκάφους μεταξύ του πλοίου επιφανείας και του αεροπλάνου, μιας και στην ουσία υπερίπτανται της ελεύθερης επιφάνειας σε μικρό ύψος, εκμεταλλευόμενα αεροδυναμικά φαινόμενα αλληλεπίδρασης των πτερυγίων και της επιφάνειας της θάλασσας. Μια τέτοια περίπτωση σκάφους αποτελεί το WIG "Strizch-3" (Εικόνα 2.10), το οποίο χρησιμοποιείται για τη μεταφορά επιβατών και φορτίου αλλά μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για περιπολία και σε επιχειρήσεις διάσωσης. Το βασικό υλικό κατασκευής της ατράκτου του είναι το κράμα αλουμινίου Εικονα Το WIG "Strizch-3". 29

31 Βασικά χαρακτηριστικά του κράματος Το κράμα 1561 είναι ένα μέσης αντοχής, μη-θερμικά σκληρυνόμενο υλικό, το οποίο παρουσιάζει εξαιρετικές αντιδιαβρωτικές ιδιότητες, καλή συγκολλησιμότητα και ευκολία στην κατεργασία του. Χρησιμοποιείται σε θερμοκρασίες που κυμαίνονται σε ένα εύρος από -196 ο C έως 70 ο C, σε εξαιρετικά διαβρωτικά περιβάλλοντα. Η σύστασή του φαίνεται στον Πίνακα Πίνακας Σύσταση του κράματος αλουμινίου Στοιχείο % Περιεκτικότητα Μαγνήσιο (Mg) 5,5-6,5 Βηρύλλιο (Be) 0,0001-0,003 Ζιρκόνιο (Zr) 0,02-0,12 Αλουμίνιο (Al) Υπόλοιπο Το κράμα αλουμινίου 1561 διατίθεται υπό τη μορφή ελασμάτων, panels και profiles. Οι μορφές στις οποίες διατίθεται το κράμα, καθώς επίσης και οι ιδιότητες των στοιχείων αυτών, έχουν συγκεντρωθεί στον Πίνακα Πίνακας Μορφές στις οποίες διατίθεται το κράμα αλουμινίου Μορφή Κατάσταση Μέγιστη αντοχή σε εφελκυσμό, σ Β (MPa) Συμβατικό όριο διαρροής για επιμήκυνση 0,2%, σ 0,2 (MPa) Σχετική επιμήκυνση θραύσης (%) Ελάσματα Ανοπτημένο Panels Hot pressed Profiles Ανοπτημένο

32 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΘΡΑΥΣΤΟΜΗΧΑΝΙΚΗ ΚΑΙ ΝΑΥΠΗΓΙΚΗ 3.1. Γενικη Θεωρία της Θραύσης Βασικές κατηγορίες θραύσης Η θραύση ενός υλικού αντιπροσωπεύει την πιο σημαντική αστοχία του επιλεχθέντος υλικού, η οποία μπορεί να είναι αποτέλεσμα ή ανεπαρκούς σχεδιασμού ή των συνθηκών λειτουργίας τις οποίες υφίσταται το υλικό ή συνδυασμός και των δύο παραγόντων. Η θραύση των υλικών είναι ένα πολύ σημαντικό κεφάλαιο, καθώς πέραν από τις άμεσες συνέπειές της, που είναι οι οικονομικές ζημιές από τη μερική ή/και ολική απώλεια της κατασκευής, μπορεί να επιφέρει και δυσμενείς επιπτώσεις στο περιβάλλον και ακόμα χειρότερα, μπορεί να οδηγήσει στην απώλεια ανθρώπινης ζωής. Ένα υλικό μπορεί να υποστεί θραύση με πολλούς τρόπους, πάντα σε συνάρτηση με τις εξωτερικές συνθήκες, όπως η θερμοκρασία, η καταπόνηση, ο ρυθμός παραμόρφωσης, αλλά και το εξωτερικό περιβάλλον. Οι βασικές περιπτώσεις θραύσης, ανάλογα με τους παράγοντες που αναφέρθηκαν προηγουμένως, παρουσιάζονται στον Πίνακα 3.1. Πίνακας 3.1. Βασικές κατηγορίες θραύσης. Κατηγορία Θραύσης Εφελκυστική Θραύση Χαμηλών Θερμοκρασιών Εφελκυστική Θραύση Υψηλών Θερμοκρασιών (θραύση από ερπυσμό) Θραύση από Κόπωση Περιβαλλοντική Θραύση Χαρακτηριστικά Πρωταρχική ρήξη ατομικών δεσμών και κρυσταλλικών επιπέδων κάτω από στατική φόρτιση Πρωταρχική διάρρηξη ατομικών δεσμών και κρυσταλλικών επιπέδων, κάτω από στατική φόρτιση. Συνέργεια του φαινομένου διάχυσης. Θραύση κάτω από το καθεστώς κυκλικά μεταβαλλόμενης τάσης. Συνέργεια του διαβρωτικού περιβάλλοντος στη θραύση (ψαθυροποίηση) Ως Εφελκυστική Θραύση ορίζεται ο διαχωρισμός, κάτω από την επίδραση στατικής φόρτισης, ατομικών δεσμών και κρυσταλλικών επιπέδων, τα οποία ονομάζονται επίπεδα θραύσης. Εάν η διαδικασία αυτή συντελείται σε υψηλή θερμοκρασία, τότε υποβοηθείται από τις μετακινήσεις ατόμων λόγω διάχυσης (Εφελκυστική Θραύση Υψηλών Θερμοκρασιών ή Θραύση από Ερπυσμό). Όταν η φόρτιση που υφίσταται το υλικό μεταβάλλεται με τον χρόνο (περιοδική ή κυκλική μεταβολή της τάσης), η θραύση του ονομάζεται Θραύση από 31

33 Κόπωση. Πολλές φορές, η θραύση αυτή συντελείται για τιμές τάσεων κάτω από το όριο διαρροής του υλικού [1]. Περιβαλλοντική Θραύση καλείται η αστοχία του υλικού λόγω συνέργειας της τάσης και του περιβάλλοντος λειτουργίας. Σε αυτές τις περιπτώσεις διευκολύνεται η διάσταση και ρήξη των ατομικών δεσμών και επιπέδων, προωθώντας με αυτόν τον τρόπο τη διάδοση των ρωγμών (ψαθυροποίηση). Τέτοιες περιπτώσεις θραύσης, που συναντώνται πολύ συχνά, είναι οι εξής [1]: α) Η ψαθυροποίηση από το υδρογόνο. β) Η ψαθυροποίηση λόγω υγρού μετάλλου. γ) Η διάβρωση υπό μηχανική καταπόνηση Θεωρητική αντοχή κρυσταλλικού στερεού Η θραύση χαμηλής θερμοκρασίας ενός ιδανικού (χωρίς ατέλειες) κρυσταλλικού στερεού, λαμβάνει χώρα με την ταυτόχρονη ρήξη των ατομικών δεσμών που διευθετούνται κάθετα στο επίπεδο θραύσης (Σχήμα 3.1) Σχήμα 3.1. Ατομικό μοντέλο θραύσης κάτω από την επίδραση εφελκυστικής τάσης: α) Δομή ισορροπίας, β) Η ενδοατομική απόσταση ισορροπίας α 0 διαταράσσεται, κάτω από την επιβολή εφελκυστικής τάσης, γ) Κατά τη θραύση, η τάση αποσύρεται και τα άτομα επιστρέφουν στην αρχική απόσταση ισορροπίας, ενώ τα επίπεδα θραύσης έχουν πλέον δημιουργηθεί. Το ατομικό μοντέλο, το οποίο χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της θεωρητικής τάσης θραύσης (ή θεωρητικής αντοχής του στερεού, σ th ), προϋποθέτει τη δυνατότητα ελαστικής έκτασης των ατομικών δεσμών κάτω από την επίδραση εφελκυστικής τάσης πριν από τη θραύση του (Σχήμα 3.1. (β)). Σε μια κρίσιμη τιμή παραμόρφωσης, η οποία επιτυγχάνεται κάτω από την επιβολή της κρίσιμης θεωρητικής τάσης σ th, οι δεσμοί «σπάνε» σε κάποιο χαρακτηριστικό επίπεδο, που ονομάζεται επίπεδο θραύσης, και το στερεό διαχωρίζεται. Η ελαστική παραμόρφωση σε καθένα από τα δύο μέρη του στερεού ανακτάται μετά από τη θραύση του [1] (Σχήμα 3.1. (γ)). Με προσεγγιστικές διαδικασίες αποδεικνύεται ότι η θεωρητική αντοχή του στερεού είναι μία τάξη μεγέθους μικρότερη του μέτρου ελαστικότητας, όπως φαίνεται και παρακάτω. 32

34 E E σ th (3.1) 2 π 10 Επίσης, υπολογίζεται ότι: σ th = γ Ε α 0 1/ 2 (3.2) όπου γ, η επιφανειακή τάση. Οι τιμές της θεωρητικής αντοχής είναι πολύ μεγαλύτερες από εκείνες της πραγματικής αντοχής κάποιου υλικού. Αυτό εξηγείται λόγω της θεώρησης του στερεού ως ιδανικού για τον υπολογισμό της μέγιστης αντοχής του. Στην πραγματικότητα, οι ατέλειες που υπάρχουν στα υλικά (σημειακές, γραμμικές, επίπεδες και τρισδιάστατες) και οι πολλές προϋπάρχουσες ρωγμές καταλύουν τη δημιουργία και διάδοση των ρωγμών, με αποτέλεσμα τη θραύση του υλικού σε πολύ χαμηλότερη τιμή της τάσης. Επιπλέον αυτού, η πλαστική παραμόρφωση του υλικού προηγείται της δημιουργίας και διάδοσης των ρωγμών, κάτι το οποίο δεν ελήφθη υπόψη στη θεώρηση του μοντέλου μέγιστης θεωρητικής αντοχής Κατηγορίες εφελκυστικής θραύσης χαμηλής θερμοκρασίας Ανάλογα με τον βαθμό πλαστικής παραμόρφωσης που προηγείται της θραύσης, η εφελκυστική θραύση χαμηλής θερμοκρασίας χωρίζεται σε δύο βασικά είδη: την Ψαθυρή Θραύση και την Όλκιμη Θραύση. Η αναγνώριση των βασικών αυτών κατηγοριών θραύσης γίνεται από τη μακροσκοπική παρατήρηση των επιφανειών θραύσης και τη μεταβολή της διατομής τους. Στην περίπτωση της Όλκιμης Θραύσης, η ελάττωση της διατομής στην περιοχή θραύσεως είναι σημαντική λόγω της πλαστικής παραμόρφωσης που προηγείται, ενώ αντιθέτως, στην Ψαθυρή Θραύση, η ελάττωση της διατομής είναι από μηδενική έως αμελητέα [1] (Σχήμα 3.2). (α) (β) Σχήμα 3.2. Γενικές κατηγορίες θραύσης χαμηλής θερμοκρασίας: α) Όλκιμη Θραύση. β) Ψαθυρή Θραύση. Τέλος, στις περιπτώσεις όπου η θραύση είναι ψαθυρή, δεν υπάρχει μακροσκοπική πλαστική παραμόρφωση που προηγείται αυτής. Ωστόσο, ανάλογα με το ποσοστό της τοπικής (ή μικροσκοπικής) πλαστικής παραμόρφωσης που τη 33

35 συνοδεύει, διακρίνουμε τρεις υποκατηγορίες ή τύπους θραύσης: ο Τύπος Α, ο Τύπος Β και ο Τύπος Γ Ψαθυρή θραύση - Τύπος Α Ο πρώτος τύπος ψαθυρής θραύσης, Τύπος Α, παρατηρείται για χαμηλές τάσεις και θερμοκρασίες. Κατά τον Τύπο Ι θραύσης, η ρωγμή μεταδίδεται είτε μέσω των κόκκων (ενδοκρυσταλλική ρωγμάτωση) είτε κατά το μήκος των συνόρων των κόκκων (περικρυσταλλική ρωγμάτωση). Ο Τύπος Α θραύσης προέρχεται από προϋπάρχουσες ρωγμές ή ατέλειες μέσα στο υλικό, διαστάσεων μεγαλύτερων του μεγέθους των κόκκων. Ο χαρακτηρισμός της ψαθυρής θραύσης ως «Τύπος Α» δείχνει τη μηδενική πλαστική παραμόρφωση του υλικού πριν από την τελική θραύση. Τέτοια υλικά που προσεγγίζουν την ψαθυρή θραύση Τύπου Α είναι κυρίως το γυαλί και διάφορα ανόργανα στερεά και κεραμικά σε θερμοκρασία περιβάλλοντος (οξείδια, χλωρίδια, κλπ.) [1]. Έχουν αναπτυχθεί δύο θεμελιώδεις θεωρίες γύρω από τον Τύπο Ι της ψαθυρής θραύσης. Αυτές είναι η θεωρία της μέγιστης θεωρητικής αντοχής και η θεωρία Griffith. Θεωρία Μέγιστης Θεωρητικής Αντοχής Μία ρωγμή προκαλεί συγκέντρωση τάσεων πλησίον του άκρου της, η οποία εξαρτάται από το μέγεθος και το σχήμα της ρωγμής (Σχήμα 3.3). Για ρωγμές ελλειπτικού σχήματος, μεγάλου άξονα 2α, η μέγιστη τιμή της τάσης στο άκρο της ρωγμής έχει την ακόλουθη τιμή: α σ max = 2 σ ρ 1/ 2 (3.3) όπου σ είναι η ονομαστική τάση που ασκείται στο υλικό και ρ είναι η ακτίνα καμπυλότητας του άκρου της ρωγμής. Σχήμα 3.3. Συγκέντρωση τάσεων στο άκρο της ρωγμής ελλειπτικού σχήματος (μεγάλου άξονα 2α) μέσα σε γραμμικά ελαστικό στερεό, κάτω από την επίδραση ονομαστικής εφελκυστικής τάσης σ. 34

36 Μπορεί να θεωρηθεί ότι η θραύση του υλικού συμβαίνει στην περίπτωση όπου σ max = σ th. Η τάση σ, όπου ισχύει η προηγούμενη εξίσωση, ονομάζεται τάση θραύσης, σ F. Από τις εξισώσεις (3.2) και (3.3) προκύπτει η παρακάτω εξίσωση: σ F 1/ 2 γ Ε ρ 4 = α Ο α (3.4) όπου α ο η ενδοατομική απόσταση. Η παραπάνω εξίσωση μπορεί να γραφτεί ισοδύναμα ως εξής: σ F 2 = 3 π α 1/ 2 Ο α (3.5) γ Ε ρ Η εξίσωση αυτή αποτελεί αναγκαία, αλλά όχι ικανή συνθήκη, για ψαθυρή θραύση Τύπου Ι. Θερμοδυναμική Θεωρία ή Θεωρία Griffith Στην πραγματικότητα η θραύση ενός στερεού αποτελεί γεγονός μείωσης της ολικής διαφοράς της ελεύθερης ενέργειας του συστήματος. Οι συνιστώσες της ολικής ενέργειας είναι δύο ειδών: επιφανειακή ενέργεια, U s και ελαστική ενέργεια, U el (Σχήμα 3.4). Σχήμα 3.4. Θερμοδυναμική θεώρηση της διάδοσης της ρωγμής. Κατά την ανάπτυξη της ρωγμής κατά dα, δημιουργείται επιφανειακή ενέργεια, λόγω των νέων επιφανειών που σχηματίζονται. Παράλληλα, με την αύξηση της επιφανειακής ενέργειας. λαμβάνει χώρα αποκατάσταση της ελαστικής ενέργειας που σχετίζεται με τη χαλάρωση των ατομικών δεσμών εκατέρωθεν του επιπέδου θραύσης. Ο θετικός όρος της επιφανεικής ενέργειας καθυστερεί τη διάδοση της ρωγμής, ενώ ο αρνητικός όρος της ελαστικής ενέργειας επιταχύνει τη διάδοση της ρωγμής. Ο πρώτος όρος της επιφανειακής ενέργειας είναι: U s = 4 α γ (ενέργεια ανά μονάδα μήκους του υλικού). Δημιουργείται κατά τη διάδοση της ρωγμής, οφείλεται στην ενέργεια της νέας επιφάνειας που σχηματίζεται και συνεπάγεται αύξηση της συνολικής ελεύθερης ενέργειας του συστήματος. Ο δεύτερος όρος, αυτός της ελαστικής ενέργειας, σχετίζεται με την απελευθέρωση ελαστικής ενέργειας του 35

37 συστήματος κατά τη διάδοση της ρωγμής. Αποδεικνύεται ότι η ελαστική ενέργεια που εκλύεται ανά μονάδα μήκους του υλικού είναι: U el = π σ 2 Ε α 2 (3.6) Άρα, η συνολική διαφορά στην ελεύθερη ενέργεια κατά τη διάδοση της ρωγμής, U tot, ισούται με: U tot = U s U el = 4 α γ π σ 2 Ε α 2 (3.7) Το κρίσιμο μήκος ρωγμής α * είναι το μήκος εκείνο πέραν του οποίου η ρωγμή διαδίδεται αυθόρμητα με αποτέλεσμα τη θραύση του υλικού. Το κρίσιμο μήκος ρωγμής αντιστοιχεί στη μέγιστη τιμή της διαφοράς ελεύθερης ενέργειας, δηλαδή όταν du tot /dα = 0. Από την εξίσωση (3.7) έχουμε ότι η τάση θραύσης, σ F, του υλικού βρίσκεται με τον ακόλουθο υπολογισμό: d 4 Δηλαδή: α γ dα π σ 2 Ε α 2 = 0 σ (3.8) σ F 2 = γ Ε π α 1/ 2 (3.9) Η εξίσωση (3.9) ονομάζεται εξίσωση Griffith. Σύμπτωση της θεωρίας μέγιστης θεωρητικής αντοχής και θεωρίας Griffith υπάρχει όταν ρ = 3 α ο. Παρόλα αυτά, ελάχιστη διαφορά υπάρχει στην τάση θραύσης που υπολογίζεται σύμφωνα με τις δύο αυτές θεωρίες, καθώς σε απόλυτα ψαθυρά υλικά η ακτίνα καμπυλότητας του άκρου της ρωγμής, πριν από τη διάδοσή της και τη θραύση του υλικού, είναι ατομικών διαστάσεων. Η θεωρία Griffith εισάγει και τον όρο της δυσθραυστότητας του υλικού, ο οποίος συμβολίζεται ως G c. Η δυσθραυστότητα στην εξίσωση Griffith εξ` ορισμού ισούται με 2γ. Από την εξίσωση (3.9) προκύπτει ότι: σ F G c E = π α 1/ 2 (3.10) 36

38 Αποδεικνύεται, επίσης, ότι η δυσθραυστότητα είναι ίση με το γινόμενο σ ρ ε (όπου ε είναι η παραμόρφωση θραύσης του υλικού), το οποίο συμβολίζει την ενέργεια ανά μονάδα όγκου στην καμπύλη τάσεων - παραμορφώσεων του υλικού. Στην περίπτωση της ψαθυρής θραύσης Τύπου Α, το γινόμενο αυτό είναι ίσο με σ th ρ ε. Από την εξίσωση (3.10) προσδιορίζεται ο κρίσιμος συντελεστής έντασης τάσης, ο οποίος συμβολίζεται ως Κ Ιc [1]. Ισχύει λοιπόν ότι: * K Ic = E Gc = Y σ F π α (3.11) όπου Υ είναι ο συντελεστής γεωμετρίας του δοκιμίου και α * το κρίσιμο μήκος της ρωγμής. Ο συντελεστής Υ είναι μία παράμετρος χωρίς διαστάσεις, εξαρτώμενη από τη γεωμετρία του δοκιμίου και του λόγου α/w, όπου α είναι το μήκος της ρωγμής και w η διάσταση του δοκιμίου κατά τη διεύθυνση της διάδοσης της ρωγμής. Για μικρών διαστάσεων δοκίμια ισχύει ότι Υ = Ψαθυρή θραύση - Τύπος Β Χαρακτηριστικό αυτού του τύπου ψαθυρής θραύσης είναι η μικροσκοπικής κλίμακας πλαστική διαρροή του υλικού που προηγείται. Η θραύση σε αυτήν την περίπτωση συντελείται είτε με μηχανισμούς ενδοκρυσταλλικής είτε με μηχανισμούς περικρυσταλλικής ρωγμάτωσης. Ο Τύπος Β ψαθυρής θραύσης λαμβάνει χώρα σε υψηλότερες τιμές τάσης από τον Τύπο Α και σε υλικά στα οποία δεν προϋπάρχουν καθόλου ρωγμές ή αυτές έχουν μέγεθος κάτω του κρίσιμου μήκους. Οι υψηλότερες τιμές των τάσεων είναι αρκετές για να ενεργοποιηθούν διαδικασίες ολίσθησης ή διδυμίας σε επίπεδα κάθετα στη διεύθυνση εφαρμογής της τάσης. Εφόσον η τοπική πλαστική διαρροή δε συνοδεύεται από αντίστοιχη μακροσκοπική, η μικροσκοπική αυτή πλαστικότητα ακολουθείται από τη δημιουργία μικρορωγμών και τη διάδοση αυτών στη συνέχεια μέσα στο υλικό [1]. Η τάση θραύσης αντιστοιχεί στη μέγιστη τάση που αντιστοιχεί σε ένα από τα τρία στάδια: Μικροσκοπική πλαστικότητα Έναρξη ρωγμάτωσης Διάδοση ρωγμών Το ελέγχον στάδιο εξαρτάται επίσης και από τη θερμοκρασία. Για παράδειγμα, σε χαμηλές θερμοκρασίες, τα μέταλλα που ανήκουν στο κυβικό χωροκεντρωμένο σύστημα (bcc) εμφανίζουν μεγαλύτερη τάση διαρροής σ y, σε σχέση με την τάση διάδοσης της ρωγμής. Επομένως, και η τάση θραύσης ενός τέτοιου μετάλλου μπορεί να θεωρηθεί ότι ισούται με την τάση διαρροής του. Το αντίθετο συμβαίνει σε υψηλές θερμοκρασίες. Σε όλες τις περιπτώσεις ψαθυρής τάσης Τύπου Β, η τάση θραύσης είναι ανάλογη του d -1/2, όπου d είναι η μέση διάμετρος των κόκκων. Αυτό εξηγείται από τη δυσκολία της μικροσκοπικής πλαστικής παραμόρφωσης που προηγείται της ρωγμάτωσης των λεπτόκοκκων υλικών. 37

39 Στην εξίσωση Griffith, το μήκος της ρωγμής α αντικαθίσταται από τη διάμετρο των κόκκων d. Η επίδραση του μεγέθους των κόκκων του υλικού στη διαδικασία της θραύσης μετάλλων του bcc συστήματος είναι σημαντική. Στην περίπτωση αυτή, για την τάση σ y, ισχύει η παρακάτω εξίσωση: σ = σ + Κ 2 y d 1/ Ο (3.12) όπου: σ ο : Η τάση διαρροής του μονοκρυστάλλου, Κ: Σταθερά εξαρτώμενη από τη δομή των ορίων των κόκκων, d: Η διάμετρος των κόκκων. Όσον αφορά στην τάση διάδοσης της ρωγμής, χρησιμοποιείται η τροποποιημένη εξίσωση Griffith: σ F G c E = d π 1/ 2 (3.13) όπου G c = 2 (γ + γ ρ ) και γ ρ η επιπλέον επιφανειακή τάση λόγω πλαστικότητας Ψαθυρή θραύση - Τύπος Γ Σε αυτόν τον τύπο της θραύσης εκδηλώνεται μακροσκοπική (γενικευμένη) πλαστική παραμόρφωση πριν από τη θραύση, η οποία έχει ως αποτέλεσμα ελάττωση της διατομής μετά τη θραύση σε ποσοστό όχι πάνω από 10%. Η τελική ρηγμάτωση μπορεί να γίνει είτε περικρυσταλλικά είτε ενδοκρυσταλλικά. Ο μηχανισμός ρωγμάτωσης κατά τη θραύση Τύπου Γ διαφέρει τόσο από τους Τύπος Α και Β όσο και από την όλκιμη θραύση. Πιο συγκεκριμένα, η ενδοτράχυνση που προκαλείται λόγω πλαστικής παραμόρφωσης αυξάνει την τάση πλαστικής ροής του υλικού κοντά στην τιμή της διάδοσης της ρωγμής. Σε αυτό το στάδιο, όλες οι παρούσες μικρορωγμές συνενώνονται και η θραύση θα επέλθει είτε διαμέσου των κόκκων είτε κατά μήκος των συνόρων τους. Πριν από την τελική αυτή θραύση, η πλαστική ζώνη μπροστά από το μέτωπο της ρωγμής είναι πολύ μεγαλύτερη σε σχέση με τους άλλους τύπους θραύσης (Σχήμα 3. 5). Μετά από τοπική παραμόρφωση του υλικού πλησίον της ρωγμής, η ακτίνα της πλαστικής ζώνης R είναι ίση με: R = 2 r y K = 2 σ 2 y (3.14) όπου: r y, είναι η ακτίνα της πλαστικής ζώνης πριν από την τοπική παραμόρφωση του υλικού και Κ είναι ο συντελεστής έντασης τάσης. 38

40 Σχήμα 3.5. Μεταβολή της τοπικής τάσης που αναπτύσσεται μπροστά από το μέτωπο της ρωγμής. Για τις τιμές των δυσθραυστοτήτων και των κρίσιμων συντελεστών έντασης τάσης για τους διάφορους τύπους θραύσης ισχύει: i) G IIIc > G IIc > G Ic ii) K IIIc > K IIc > K Ic Αυτό είναι αποτέλεσμα μεγαλύτερης πλαστικής παραμόρφωσης και άρα μεγαλύτερου πλαστικού έργου που απορροφά το υλικό περνώντας από τον Τύπο A προς τον Τύπο Β, πριν από την τελική θραύση. Επίσης, η αύξηση της δυσθραυστότητας στον Τύπο Γ σχετίζεται και με την ακτίνα καμπυλότητας του άκρου της ρωγμής, ρ. Για υλικά που υφίστανται θραύση Τύπου Ι (απολύτως ψαθυρά υλικά) η ακτίνα ρ είναι της τάξης μερικών διατομικών αποστάσεων ενώ για υλικά που εμφανίζουν έστω και μικροσκοπική πλαστικότητα στο άκρο της ρωγμής, αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την άμβλυνση της ρωγμής και την αύξηση της δημιουργούμενης υποκείμενης πλαστικής περιοχής και άρα και της δυσθραυστότητάς του Όλκιμη θραύση Η όλκιμη θραύση είναι η κατηγορία θραύσης όπου προηγείται σημαντική πλαστική παραμόρφωση πλησίον της επιφάνειας θραύσης. Η παραμόρφωση αυτή εκδηλώνεται κατά τη διάρκεια της δοκιμής εφελκυσμού, σε τάσεις μεγαλύτερες από τη μέγιστη τάση, όπου εμφανίζεται η δημιουργία λαιμού. Η ρωγμάτωση και θραύση σε αυτήν την κατηγορία ακολουθεί τον παρακάτω μηχανισμό, που είναι γνωστός ως συνένωση ή συμφυΐα μικροκενών. Η ύπαρξη δευτερογενών φάσεων ή εγκλεισμάτων μέσα σε ένα υλικό επηρεάζει αρνητικά τη συνολική ολκιμότητα, εφόσον έχουν μικρότερη ολκιμότητα από τη μήτρα. Η παρουσία των συστατικών αυτών λειτουργεί καταλυτικά στην έναρξη μικρορωγμών ή μικροκενών γύρω από αυτά. Κατά την επιβολή μιας εξωτερικής εφελκυστικής τάσης, σ Te, η ασυνέχεια της παραμόρφωσης στη διεπιφάνεια εγκλείσματος/μήτρας οδηγεί στη δημιουργία νέων διαταραχών, οι οποίες προκαλούν μία επιπρόσθετη τάση, σ gd, η οποία τείνει να αποκολλήσει το έγκλεισμα από τη μήτρα ή να το οδηγήσει σε θραύση. Για τη συνολική εφελκυστική τάση σ Τ που μεταφέρεται στη διεπιφάνεια ισχύει: 39

41 σ T = σ Te + σ gd (3.15) Σε συγκεκριμένη τιμή της τάσης σ Τ τα μικροκενά που δημιουργούνται συνενώνονται μεταξύ τους και οδηγούν σε τελική θραύση του υλικού. Συνολικά, οι μεταβολές σ - ε και G c, ανάλογα με την κατηγορία θραύσης, φαίνονται στο Σχήμα 3.6. Επίσης, στο Σχήμα 3.7, απεικονίζονται οι μεταβολές της τάσης διαρροής, της μέγιστης τάσης εφελκυσμού και της τάσης διάδοσης της ρωγμής σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία, καθώς επίσης και οι αντίστοιχες μεταβάσεις Τύπος Β/Τύπος Γ/Όλκιμη θραύση. Σχήμα 3.6. Διαγράμματα σ - ε για διάφορες κατηγορίες θραύσης. Σχήμα 3.7. Τάση διαρροής (σ y ), Μέγιστη τάση εφελκυσμού (σ TS ) και τάση διάδοσης της ρωγμής (σ F ) σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία Εφελκυστική Θραύση Χαμηλών Θερμοκρασιών (Θραύση από Ερπυσμό) Γενικά, υπάρχουν τρεις κύριοι τύποι θραύσης από ερπυσμό. Αυτοί είναι οι εξής: Διάσχιση, Ενδοκρυσταλλική Θραύση και Περικρυσταλλική Θραύση [1]. 40

42 Διάσχιση Η διάσχιση χαρακτηρίζεται από μεγάλη μείωση της διατομής (σχεδόν 100%) πλησίον της επιφάνειας θραύσης και λαμβάνει χώρα σε μεγάλες τάσεις και θερμοκρασίες. Οι τιμές των τάσεων και των ρυθμών παραμόρφωσης είναι περίπου στο ίδιο επίπεδο με τις αντίστοιχες τιμές κατά τη θερμή κατεργασία (για παράδειγμα, θερμή έλαση). Έτσι, πολλές φορές, η διάσχιση είναι συνυφασμένη με το φαινόμενο της δυναμικής ανακρυστάλλωσης. Ενδοκρυσταλλική Θραύση Η ενδοκρυσταλλική θραύση υψηλής θερμοκρασίας αποτελεί το ανάλογο της όλκιμης θραύσης χαμηλής θερμοκρασίας. Η πορεία της θραύσης ακολουθεί μηχανισμό συνένωσης μικροκενών που δημιουργούνται γύρω από τα εγκλείσματα ή από τις δευτερογεννείς φάσεις. Πριν από τη θραύση προκαλείται σημαντικό ποσοστό πλαστικής παραμόρφωσης, με αποτέλεσμα να παρατηρείται μείωση της διατομής. Η θραύση αυτή πραγματοποιείται σε πιο ήπιες συνθήκες από τη διάσχιση και υποβοηθείται από μηχανισμούς διάχυσης. Περικρυσταλλική Θραύση Η περικρυσταλλική θραύση από ερπυσμό λαμβάνει χώρα για τιμές τάσεων και ταχυτήτων παραμόρφωσης μικρότερες από αυτές που προκαλούν διάσχιση ή ενδοκρυσταλλική θραύση. Η πορεία αυτού του είδους θραύσης εξελίσσεται κατά μήκος των ορίων των κόκκων. Μετά την τελική θραύση, δεν παρατηρείται σημαντική μείωση της διατομής πλησίον της επιφάνειας θραύσης. Στην περικρυσταλλική θραύση, τα κενά δημιουργούνται γύρω από τα όρια των κόκκων και ευνοούνται από την τοπική συγκέντρωση εγκλεισμάτων, δευτερογεννών φάσεων και κατακρημνισμάτων. Δύο βασικά είδη κενών μπορούν να δημιουργηθούν: κενά τύπου "w" (σφηνοειδή κενά), που υποδηλώνουν την επίδραση υψηλής τάσης, και κενά τύπου "r" (σφαιρικά κενά), που υποδηλώνουν την επίδραση χαμηλής τάσης. Οι τρεις κύριοι τύποι θραύσης από ερπυσμό απεικονίζονται στο Σχήμα 3.8. Σχήμα 3.8. Τύποι θραύσης από ερπυσμό: α) Διάσχιση, β) Ενδοκρυσταλλική Θραύση, γ) Περικρυσταλλική Θραύση 41

43 Θραύση από κόπωση Βασικά χαρακτηριστικά της θραύσης από κόπωση Κόπωση καλείται το φαινόμενο της αστοχίας ενός υλικού, η οποία προκαλείται από επαναλαμβανόμενη επιβολή εξωτερικών φορτίων για σχετικά μεγάλο χρονικό διάστημα. Η κόπωση αποτελεί μεγάλο κεφάλαιο έρευνας και προβληματισμού στη σχεδίαση και την εξέλιξη των πλοίων και γενικά των ναυπηγικών κατασκευών. Μια πολύ σημαντική κατηγορία αστοχιών που παρατηρείται στις κατασκευές αυτές οφείλεται στη συνεχή επιβολή φορτίων, τα οποία δεν πλησιάζουν απαραίτητα τις κρίσιμες φορτίσεις της κατασκευής (λυγισμού, διαρροής), όμως, η συνεχής και επαναληπτική επιβολή τους στην κατασκευή επιφέρει απώλειες αντοχής, οι οποίες, υπό ορισμένες συνθήκες, μπορούν να έχουν καταστροφικές συνέπειες. Είναι σημαντικό να αναφέρουμε ότι οι μηχανισμοί της κόπωσης και οι επιδράσεις τους στη χρονική διάρκεια ζωής μιας κατασκευής δεν είναι απόλυτα γνωστοί. Επίσης, η κόπωση σχεδόν ποτέ δεν εμφανίζεται ανεξάρτητη ως φαινόμενο αλλά σε συνδυασμό με άλλους μηχανισμούς φόρτισης, όπως οι κραδασμοί, οι συγκεντρώσεις τάσεων και κυρίως, σε συνδυασμό με διάβρωση. Το σύνηθες αποτέλεσμα της κόπωσης σε μία κατασκευή είναι η έναρξη κάποιας ρωγμής, όμως, η επίδραση διάφορων μεταβλητών στην έναρξη της ρωγμής δεν είναι απόλυτα γνωστή. Υπάρχουν τουλάχιστον τέσσερις τύποι μηχανισμών που σχετίζονται με την έναρξη μίας ρωγμής λόγω κόπωσης. Οι μηχανισμοί αυτοί είναι οι εξής: 1) Διάβρωση με βελονισμούς (pitting), όπου ο πυρήνας της ρωγμής σχετίζεται με συγκέντρωση τάσεων στις "βελόνες" που σχηματίζονται από τη διαβρωτική δράση. 2) Διακριτική διάλυση ενός υλικού, παραμορφωμένου σε μεγάλο βαθμό, που δρα ως τοπική άνοδος, και μη παραμορφωμένου υλικού, που δρα ως τοπική κάθοδος. 3) Ρήξη του επιφανειακού στρώματος, όπου το προστατευτικό επίστρωμα (όπως είναι τα οξείδια) υφίσταται διάρρηξη, επιτρέποντας την εμφάνιση διαβρωτικής δράσης. 4) Μείωση της επιφανειακής ενέργειας προκαλούμενη από απορρόφηση περιβαλλοντικών στοιχείων (οξυγόνο, υδρογόνο) και αύξηση του ρυθμού διάδοσης της ρωγμής. Η θραύση από κόπωση διακρίνεται σε τρία στάδια, τα οποία είναι τα εξής: Η έναρξη της ρωγμής, η οποία προκύπτει συνήθως στην επιφάνεια της κατασκευής. Η διάδοση της ρωγμής. Η αρχική μηκρή ρωγμή μεγαλώνει σταδιακά με κάθε εναλλαγή του φορτίου. Διαδίδεται σε κατεύθυνση κάθετη προς τη μέγιστη εφελκυστική τάση. 42

44 Η ασταθής θραύση. Καθώς η ρωγμή διαδίδεται, οι τάσεις στην εναπομένουσα εγκάρσια τομή αυξάνουν, οπότε επέρχεται ταυτόχρονη αύξηση του ρυθμού διάδοσης. Τελικά, προκύπτει είτε ψαθυρή θραύση, όταν το μέγεθος της ρωγμής φτάσει στην κρίσιμη τιμή του για τις επικρατούσες συνθήκες και τη γεωμετρία, είτε όλκιμη θραύση, όταν η τοπική τάση φτάσει στο όριο θραύσης. Σχήμα 3.9. Σχέση του αριθμού επαναληπτικών φορτίσεων με τα διάφορα στάδια εξέλιξης ρωγμών σε μεταλλικές κατασκευές. Στο Σχήμα 3.9 φαίνεται η μεταβολή της ονομαστικής τάσης με την αύξηση του αριθμού επαναλήψεων της εξωτερικής φόρτισης, Ν. Παρουσιάζεται η καμπύλη της απαιτούμενης τάσης για να δημιουργηθεί ρωγμή (Ν i ) και για να διαδοθεί μία ρωγμή (N p ). Η τρίτη διακεκομμένη γραμμή δείχνει τη διάρκεια ζωής της κατασκευής, Ν f, η οποία είναι το άθροισμα των Ν i και N p. Βλέπουμε ότι από 10 4 έως 10 6 επαναλήψεις, η κοπωτική αντοχή της κατασκευής περιλαμβάνει ένα στάδιο, το οποίο αφορά στην περίοδο μέχρι την έναρξη της ρωγμής, και ένα δεύτερο, κατά το οποίο η ρωγμή φτάνει σε κρίσιμο μέγεθος. Εάν η ονομαστική τάση είναι χαμηλή και προκύψει ρωγμή για Ν > επαναλήψεις, το περαιτέρω περιθώριο κοπωτικής ζωής της κατασκευής είναι μικρό και ουσιαστικά ταυτίζεται με την έναρξη της ρωγμής. Στις θαλάσσιες κατασκευές, δύο είναι οι σημαντικοί τύποι θραύσης. Αυτοί οφείλονται σε: α) Κόπωση υψηλής συχνότητας - χαμηλών τάσεων (High - Cycle, Low - Stress fatigue). β) Κόπωση χαμηλής συχνότητας - υψηλών τάσεων (Low - Cycle, High - Stress Fatigue). 43

45 Ο πρώτος τύπος κόπωσης χαρακτηρίζει κυρίως στοιχεία κατασκευών που υπόκεινται σε ραγδαία εναλλαγή φορτίων (για παράδειγμα, σε περιοχές κοντά σε έλικα, μηχανήματα, κ.λπ.), ενώ ο δεύτερος τύπος χαρακτηρίζει κυρίως περιοχές κοντά σε ασυνέχειες της μεταλλικής κατασκευής του σκάφους Η Μηχανική θεωρία της θραύσης Σύμφωνα με τη Μηχανική Θεωρία της Θραύσης, οι κατανομές των ελαστικών τάσεων και των μετατοπίσεων στην περιοχή του άκρου μιας ρωγμής υπό την επίδραση μιας δεδομένης μορφής παραμόρφωσης είναι αναλλοίωτες ως προς όλες τις συνιστώσες τους. Η κατανομή αυτή μπορεί να περιγραφεί με τη βοήθεια της παραμέτρου Κ, για διάφορους τύπους ρωγμών [2]. Η παράμετρος Κ ονομάζεται Συντελεστής Έντασης Τάσης (Stress Intensity Factor). Επομένως, η εξωτερική επιβαλλόμενη φόρτιση, η μορφή και το μέγεθος της ρωγμής και η γεωμετρία, που αντιστοιχούν σε κάποιο κατασκευαστικό στοιχείο το οποίο υπόκειται σε μία δεδομένη μορφή παραμόρφωσης, επηρεάζουν την τιμή του συντελεστή έντασης τάσης, δεν επιδρούν όμως στη μορφή της κατανομής των τάσεων. Η γενική μορφή των εξισώσεων, βάσει των οποίων υπολογίζεται ο συντελεστής έντασης τάσης είναι: K = f g ( ) σ α (3.16) όπου f(g) είναι μία παράμετρος που εξαρτάται από τη γεωμετρία του δοκιμίου και της ρωγμής. Γενικά, υπάρχει πληθώρα σχέσεων μεταξύ του συντελεστή έντασης τάσης και διαφόρων γεωμετρικών δοκιμίων, σχημάτων, μεγεθών, προσανατολισμών ρωγμών και συνθηκών φόρτισης. Όσον αφορά στην κόπωση, η διάδοση της ρωγμής οφείλεται στην εναλλασσόμενη τάση. Ως εκ τούτου, είναι δυνατό να χρησιμοποιηθεί ο συντελεστής Κ για τον καθορισμό του ρυθμού διάδοσης της ρωγμής. Στην περίπτωση της κόπωσης, η σημαντικότερη παράμετρος είναι το εύρος του συντελεστή έντασης τάσης, ΔΚ, που ορίζεται από την εξής σχέση: ΔK = K max K min (3.17) όπου Κ max και K min είναι οι τιμές του Κ στη μέγιστη και την ελάχιστη, αντίστοιχα, τιμή της τάσης. Οι Paris και Erdogan πρότειναν την ακόλουθη σχέση μεταξύ του ρυθμού διάδοσης της ρωγμής και του ΔΚ: da dn = C ( ΔΚ) m (3.18) όπου C και m είναι σταθερές του υλικού, οι οποίες όμως εξαρτώνται και από τη συγκεκριμένη εντατική κατάσταση (τύπο επαναλληπτικής φόρτισης) και από τις συνθήκες του περιβάλλοντος. 44

46 Η πειραματική ανάπτυξη των σχέσεων μεταξύ da/dn και ΔΚ γίνεται σε δύο στάδια. Στο πρώτο στάδιο, καθορίζεται η σχέση ανάμεσα στο μήκος της ρωγμής και τις αντίστοιχες εναλλαγές φόρτισης. Στο δεύτερο στάδιο, γίνεται ο υπολογισμός των αντίστοιχων τιμών da/dn και ΔΚ για διάφορα μήκη της ρωγμής. Άλλα παραδείγματα σχέσεων έχουν αναπτυχθεί από τους Forman και Pierson, οι οποίες είναι οι εξής: da dn da dn = = m C ( ΔK) [( 1 R) K ΔΚ] IC m C ( ΔK) [( 1 R) K ΔK] 1/ 2 IC (3.19) (3.20) όπου: R = S min /S max, και K IC : Κρίσιμος συντελεστής έντασης τάσης για στατική φόρτιση και συνθήκες επίπεδης παραμόρφωσης (plane strain) μέγιστου περιορισμού. Με τη βοήθεια σχέσεων όπως οι παραπάνω, και γνωρίζοντας την εντατική κατάσταση μίας συγκεκριμένης κατασκευής, είναι δυνατή η πρόβλεψη της ζωής της κατασκευής για συγκεκριμένες ρωγμές ή, εναλλακτικά, το μέγιστο μήκος ρωγμής που μπορεί να γίνει για συγκεκριμένη διάρκεια ζωής Περιβαλλοντική θραύση Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως, ο όρος περιβαλλοντική θραύση αναφέρεται στη θραύση που επέρχεται σε ένα υλικό ως αποτέλεσμα της επιβολής φόρτισης σε συνδυασμό με την επίδραση του περιβάλλοντος του υλικού. Όσον αφορά στις ναυπηγικές κατασκευές, όπου το περιβάλλον των υλικών είναι κυρίως το θαλασσινό νερό, ο παράγοντας που συντελεί καταλυτικά στη θραύση των υλικών είναι το φαινόμενο της ψαθυροποίησης [2]. Κατά την ψαθυροποίηση, απορροφάται ουσία που περιέχεται στο περιβάλλον (οξυγόνο, υδρογόνο) από το υλικό που εκτίθεται. Η ψαθυροποίηση πραγματοποιείται είτε με την εισδοχή μορίων υδρογόνου είτε με τη διάλυση του μετάλλου που εκτίθεται. Η ψαθυροποίηση κραμάτων σε υδάτινα περιβάλλοντα συνήθως καλείται ψαθυρή θραύση λόγω διάβρωσης με μηχανική καταπόνηση (stress corrosion cracking). Όταν επιπλέον το υλικό που εκτίθεται παραλαμβάνει και επαναληπτικά φορτία, επιταχύνεται η έναρξη της ρωγμής σε ένα άθικτο υλικό και στη συνέχεια, επεκτείνεται η ατέλεια έως ότου φτάσει κάποιο κρίσιμο μέγεθος. Γενικά, η αστοχία ενός υλικού υπό τη συνδυασμένη δράση επαναληπτικής φόρτισης και παρουσίας ουσίας που επιφέρει αύξηση της ψαθυρότητας καλείται διάβρωση - κόπωση. Στην περίπτωση των κατασκευών που λειτουργούν στο θαλασσινό νερό και που υποβάλλονται σε μονοτονικές, αλλά και σε επαναληπτικές φορτίσεις η αύξηση της ψαθυρότητας γίνεται με μηχανισμό ηλεκτροχημικών αντιδράσεων είτε σε νεοεμφανιζόμενα επίπεδα ολίσθησης είτε σε άκρα ρωγμών. Η διαδικασία αυτή αφορά δύο δυνατούς τρόπους εμφάνισης ζημιάς: α) τη διάλυση του πεδίου ολίσθησης σε 45

47 άνοδο, και β) την ψαθυροποίηση μέσω υδρογόνου. Όσον αφορά στη διάλυση του πεδίου ολίσθησης σε άνοδο, η εξέλιξη της ρωγμής προκύπτει από: 1) Την ανάμειξη του ενεργού υλικού (μορίων νερού). 2) Τη διάρρηξη του προστατευτικού στρώματος οξειδίου σε πεδίο ολίσθησης ή κοντά σε άκρο ρωγμής λόγω συγκέντρωσης τάσεων ή τριβής των παρειών της ρωγμής. 3) Τη διάλυση της εκτεθειμένης επιφάνειας. 4) Τη δημιουργία και επέκταση οξειδίου στη γυμνή επιφάνεια. Όταν προκύπτει ψαθυροποίηση μέσω υδρογόνου, η διαδικασία περιλαμβάνει τα παρακάτω στάδια: 1) Διάχυση μορίων νερού ή ιόντων υδρογόνου μεταξύ των παρειών των ρωγμών, και, κυρίως, προς το άκρο της ρωγμής. 2) Αναγωγή των μορίων νερού και των ιόντων υδρογόνου για τη δημιουργία προσροφημένων ατόμων υδρογόνου στις επιφάνειες του άκρου της ρωγμής. 3) Απορρόφηση των προσροφημένων ατόμων σε κρίσιμα σημεία (για παράδειγμα, στο σύνορο κόκκων). Σχήμα Τρόποι ψαθυροποίησης μετάλλων σε επαφή με θαλασσινό νερό. 46

48 Μελέτη της περιβαλλοντικής θραύσης σχετική με τα κράματα αλουμινίου 5083 και 1561 Το φαινόμενο της επιβολής μονοτονικής ή επαναληπτικής φόρτισης σε μία κατασκευή, σε συνδυασμό με την επίδραση διαβρωτικού περίβαλλοντος, όπως για παράδειγμα το θαλασσινό νερό, περιγράφει μία κατάσταση η οποία είναι ιδιαίτερα αντιπροσωπευτική των συνθηκών λειτουργίας μίας ναυπηγικής κατασκευής. Ως εκ τούτου, σε αυτόν τον τομέα έχουν πραγματοποιηθεί εκτενείς μελέτες προκειμένου να εξακριβωθεί η συμπεριφορά των υλικών σε μία τέτοια κατάσταση και κυρίως, πώς επηρεάζεται η αντοχή των υλικών σε θραύση υπό την επίδραση διαβρωτικού περιβάλλοντος. Όσον αφορά στα κράματα αλουμινίου, η χρήση των κραμάτων 5083 και 1561, τα οποία προκειται να χρησιμοποιηθούν στην πειραματική διαδικασία, όπως περιγράφεται και εκτενέστερα στο Κεφάλαιο 4, είναι ιδιαίτερα διαδεδομένη στη ναυπηγική βιομηχανία. Ως εκ τούτου, έχουν πραγματοποιηθεί αρκετές μελέτες προκειμένου να διαπιστωθεί πώς επηρεάζεται η αντοχή τους σε θραύση υπό την επίδραση διαβρωτικού περιβάλλοντος, το οποίο προσομοιώνει το θαλασινό νερό. Στα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν στο πλάισιο των μελετών αυτών, συνυπολογίσθηκαν διάφοροι παράγοντες και έγιναν διάφοροι συνδυασμοί προκειμένου να προσομοιωθούν οι πραγματικές συνθήκες στις οποίες λειτουργούν τα κράματα αυτά στη ναυπηγική. Κράμα Αλουμινίου Οι E. Sikora, B. A. Shaw και M. M. Sharma - Judd [14] πραγματοποίησαν δοκιμές σε δοκίμια από κράμα αλουμινίου 5083 και σε δοκίμια από νανοκρυσταλλικά κράματα αλουμινίου - μαγνησίου προκειμένου να μελετηθεί η συμπεριφορά τους σε θραύση λόγω διάβρωσης με μηχανική καταπόνηση και να συγκριθούν τα αποτελέσματα των δύο ομάδων δοκιμίων. Σκοπός της μελέτης αυτής ήταν να διαπιστωθεί κατά πόσον αυτά τα νανοκρυσταλλικά κράματα θα μπορούσαν να αντικαταστήσουν μελλοντικά το κράμα αλουμινίου 5083 σε ναυπηγικές εφαρμογές, καθώς παρουσιάζουν εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν σε ουδέτερα διαλύματα με διάφορες συκεντρώσεις χλωριδίων, στα οποία γινόταν εμβάπτιση, με ενδιάμεσα διαστήματα των δύο εβδομάδων, του ενός μήνα, των δύο μηνών και έξι μηνών. Στη συνέχεια, τα δοκίμια εκτίθονταν στον ατμοσφαιρικό αέρα, με ενδιάμεσα διαστήματα των δύο μηνών, των έξι μηνών, του ενός έτους και των δύο ετών. Από την πειραματική διαδικασία διαπιστώθηκε ότι η διάβρωση, τόσο για το κράμα 5083 όσο και για τα νανοκρυσταλλικά κράματα, ξεκίνησε από εγκλείσματα και ότι τα εγλείσματα, στην περίπτωση των νανοκρυσταλλικών κραμάτων, ήταν λιγότερα και μικρότερα. Επίσης, παρατηρήθηκε ότι τα νανοκρυσταλλικά κράματα ήταν επιρρεπή σε διάβρωση δια μέσω των κόκκων, ενώ το κράμα 5083 εμφανίστηκε πιο ανθεκτικό σε αυτήν την περίπτωση. Τέλος, τα νανοκρυσταλλικά κράματα παρουσίασαν σημαντικά μεγαλύτερη αντοχή σε θραύση λόγω διάβρωσης με μηχανική καταπόνηση σε σχέση με το κράμα Αξίζει να σημειωθεί ότι τα νανοκρυσταλλικά κράματα παρουσίασαν όρια θραύσης και λυγισμού διπλάσια από αυτά του κράματος

49 Ένας ιδιαίτερα σημαντικός παράγοντας για τη ναυπηγική είναι η επίδραση των συγκολλήσεων στην αντοχή των κραμάτων αλουμινίου στη διάδοση κοπωτικών ρωγμών υπό την επίδραση διαβρωτικού περιβάλλοντος, καθώς η πλειοψηφία των ναυπηγικών κατασκευών είναι συγκολλητές. Οι Ad Bakker, G. C. A. M. Janssen και Hans de Wit [15] πραγματοποίησαν έρευνα πάνω σε αυτόν τον τομέα, προκειμένου να διαπιστώσουν την επίδραση του διαβρωτικού περιβάλλοντος στην κοπωτική αντοχή συγκολλητών κατασκευών. Συγκεκριμένα, χρησιμοποίησαν απλά και συγκολλητά δοκίμια από κράμα αλουμινίου 5083 Η321, με την εξής σύνθεση: 4,5Mg, 0,65Mn, 0,26Si, 0,22Fe, 0,09Cr, 0,09Cu, 0,06Zn, 0,03Ti. Στα δοκίμια αυτά εφαρμόστηκαν επαναληπτικές φορτίσεις. Για τις συγκολλήσεις χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος συγκόλλησης MIG (Metal Inert Gas) και ως υλικό συγκόλλησης χρησιμοποιήθηκε το κράμα αλουμινίου Συνολικά, πραγματοποιήθηκαν δοκιμές για τέσσερις διαφορετικές συνθήκες: απλά δοκίμια με έκθεση στον ατμοσφαιρικό αέρα, απλά δοκίμια με εμβάπτιση σε τεχνητό θαλασσινό νερό (σύμφωνα με το πρότυπο ASTM D1141, 1990), συγκολλητά δοκίμια με έκθεση στον ατμοσφαιρικό αέρα, και συγκολλητά δοκίμια με έκθεση σε τεχνητό θαλασσινό νερό. Τα απλά δοκίμια που εκτέθηκαν στον ατμοσφαιρικό αέρα χρησιμοποιήθηκαν ως μέτρο σύγκρισης για τις υπόλοιπες καταστάσεις. Συνολικά, παρατηρήθηκε μείωση της κοπωτικής αντοχής ανάμεσα στα απλά δοκίμια που εκτέθηκαν στον αέρα και τα υπόλοιπα δοκίμια. Συγκεκριμένα, ενώ το όριο κόπωσης για τα απλά δοκίμια που εκτέθηκαν στον αέρα έφτασε στα 192 MPa, για τα συγκολλητά δοκίμια που εκτέθηκαν στον αέρα και για τα απλά δοκίμια που εμβαπτίστηκαν σε θαλασσινό νερό, το όριο κόπωσης έφτασε τα 116 MPa και 119 MPa, αντίστοιχα, δηλαδή παρατηρήθηκε η ίδια μείωση (περίπου 40%) και για τις δύο αυτές περιπτώσεις. Ακόμα μεγαλύτερη μείωση στο όριο κόπωσης παρατηρήθηκε για τα συγκολλητά δοκίμια που εμβαπτίστηκαν σε θαλασσινό νερό, το οποίο όριο έφτασε τα 91 MPa, δηλαδή μειώθηκε περαιτέρω κατά 25%. Όσον αφορά στην έναρξη της ρωγμής στα απλά δοκίμια, σε αυτά που εκτέθηκαν στον αέρα η ρωγμή ξεκινούσε πάντα από ψαθυρά χρωμιούχα σωματίδια (μεγέθους 50 έως 80 μm), ενώ σε αυτά που εκτέθηκαν στο θαλασσινό νερό παρατηρήθηκαν διάφορες θέσεις έναρξης ρωγμής. Οι πολλές αυτές ρωγμές υπερκαλύφηκαν από μία κύρια, η οποία οδήγησε και στη θραύση του δοκιμίου. Επίσης, η έναρξη των ρωγμών δεν έγινε από ψαθυρά σωματίδια, όπως προηγουμένως, αλλά από μία διαβρωμένη περιοχή. Όσον αφορά στα συγκολλητά δοκίμια, σε αυτά που εκτέθηκαν στον ατμοσφαιρικό αέρα η έναρξη της ρωγμής έγινε σε πόρους (διαμέτρου 150 μm), οι οποίοι σχηματίστηκαν κατά τη συγκόλληση. Τέλος, στα συγκολλητά δοκίμια που εμβαπτίστηκαν σε θαλασσινό νερό, η έναρξη της ρωγμής παρουσιάζει συνδυασμένα χαρακτηριστικά που εμφανίστηκαν στις παραπάνω περιπτώσεις. Συνολικά, διαπιστώθηκε ότι οι πόροι που σχηματίζονται (κάτω από την επιφάνεια των υλικών) εξαιτίας της συγκόλλησης παίζουν σημαντικό ρόλο στην ελάττωση της κοπωτικής αντοχής των υλικών που λειτουργούν σε θαλάσσιο περιβάλλον, καθώς το θαλασσινό νερό εισέρχεται στους πόρους, δημιουργώντας κατά αυτόν τον τρόπο ένα τοπικό στάσιμο, άρα και διαβρωτικό, περιβάλλον. Μέσω αυτού 48

50 του κελιού, και εξαιτίας των χαμηλων τιμών ph που επικρατούν εκεί, η διάβρωση διαδίδεται ραγδαία, οδηγώντας σε μείωση της κοπωτικής αντοχής. Η επίδραση των συγκολλήσεων στην αντοχή του κράματος αλουμινίου 5083 στην θραύση λόγω διάβρωσης με μηχανική καταπόνηση εξετάστηκε και από τους F. Zucchi, G. Trabanelli και V. Grassi [16]. Συγκεκριμένα, εξέτασαν το πώς η μέθοδος συγκόλλησης Friction Stir Welding (FSW) επηρεάζει την αντοχή του κράματος σε θραύση λόγω διάβρωσης με μηχανική καταπόνηση, εφαρμόζοντας τη μέθοδο Slow Strain Rate Test (SSRT) και συνέκριναν τα αποτελέσματα με εκείνα άλλων δοκιμίων από το κράμα 5083, τα οποία είχαν συγκολληθεί με τη μέθοδο MIG. Στη μέθοδο FSW, η συγκόλληση πραγματοποιείται από την περιστροφική κίνηση ενός κυλινδρικού εργαλείου πάνω στη ραφή που πρόκειται να γίνει η συγκόλληση. Λόγω της τριβής, αναπτύσσονται υψηλές θερμοκρασίες, οπότε το μέταλλο πλαστικοποιείται σε μία στενή ζώνη. Η συγκόλληση πραγματοποιείται από μία μετακινούμενη στήλη θερμού μετάλλου, το οποίο όμως δεν έχει φτάσει τη θερμοκρασία τήξης του. Το κράμα αλουμινίου που χρησιμοποιήθηκε ήταν το 5083-Τ3, με την εξής σύνθεση: 0,7Mn, 4,4Mg, 0,15Cr. Στη μέθοδο συγκόλλησης MIG, το υλικό συγκόλλησης ήταν το κράμα αλουμινίου Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν σε ατμοσφαιρικό αέρα και σε διάλυμα 3,5% NaCl + 0,3 g/l H 2 O 2 και σε διάλυμα EXCO (4M KCL + 0,5M KNO 3 + 0,1M HNO 3 ). Όσον αφορά στα δοκίμια που συγκολλήθηκαν με τη μέθοδο FSW, αυτά που εξετάστηκαν στον ατμοσφαιρικό αέρα έσπασαν στην κέντρική ζώνη συγκόλλησης και η θραύση ήταν όλκιμη. Αυτά που εξετάστηκαν στο διάλυμα NaCl υπέστησαν και εκείνα όλκιμη θραύση στη συγκόλληση και διαπιστώθηκε ότι η μέθοδος αυτή της συγκόλλησης δεν επιβάρυνε καθόλου την αντοχή των δοκιμίων σε θραύση λόγω διάβρωσης με μηχανική καταπόνηση. Τέλος, όσον αφορά στα δοκίμια που εξετάστηκαν σε διάλυμα EXCO, αυτά έσπασαν στο βασικό μέταλλο και τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η μέθοδος FSW επηρέασε την αντοχή των δοκιμίων σε θραύση λόγω διάβρωσης με μηχανική καταπόνηση. Σχετικά με τα δοκίμια που συγκολλήθηκαν με τη μέθοδο MIG, αυτά που έσπασαν στον αέρα παρουσιάσαν μειωμένη ολκιμότητα σε σχέση με αυτά που συγκολλήθηκαν με τη μέθοδο FSW. Επίσης, τόσο τα δοκίμια που εξετάστηκαν σε διάλυμα NaCl όσο και αυτά που εξετάστηκαν σε διάλυμα EXCO παρουσίασαν μειωμένη αντοχή θραύση λόγω διάβρωσης με μηχανική καταπόνηση, σε μεγαλύτερο βαθμό από ότι τα δοκίμια που συγκολλήθηκαν με τη μέθοδο FSW. Η μέθοδος SSRT εφαρμόστηκε και από τους J. C. Chang και T. H. Chuang [17] προκειμένου να εξακριβωθεί η αντοχή υπερπλαστικού κράματος αλουμινίου 5083 σε θραύση λόγω διάβρωσης με μηχανική καταπόνηση. Το υλικό που χρησιμοποιήθηκε ήταν το κράμα 5083SP. Οι δοκιμές πραγματοποιήθηκαν σε διάλυμα 3,5 pct NaCl και χρησιμοποιήθηκαν δύο ομάδες δοκιμίων. Η μία αποτελείτο από δοκίμια από υπερπλαστικό κράμα αλουμινίου 5083SP, τα οποία διαμορφώθηκαν κατάλληλα σε θερμοκρασία 500 ο C για μία ώρα και η άλλη από δοκίμια από κράμα αλουμινίου 5083SP που είχαν υποστεί τις ίδιες θερμικές κατεργασίες που χρησιμοποιήθηκαν στα δοκίμια που αναφέρθηκαν προηγουμένως. 49

51 Παρατηρήθηκε ότι και οι δύο ομάδες δοκιμίων παρουσίασαν εξαιρετικά μειωμένη αντοχή σε θραύση λόγω διάβρωσης με μηχανική καταπόνηση, ενώ επίσης παρατηρήθηκαν και εμφανείς επιφάνειες θραύσης δια μέσω των κόκκων. Το φαινόμενο αυτό αποδίδεται στην κατακρύμνιση επιπέδων φάσης β (Mg 2 Al 3 ) στα όρια των κόκκων. Τέλος, διαπιστώθηκε ότι το φαινόμενο αυτό θα μπορούσε να εξομαλυνθεί με τη μετέπειτα ανόπτηση των δοκιμίων, με θέρμανση στους 345 ο C για μία ώρα. Κράμα Αλουμινίου Οι A. V. Bakulin, A. V. Kobzaruk και A. P. Olik [18] πραγματοποίησαν δοκιμές σε ενισχυμένα ελάσματα από κράμα αλουμινίου 1561, τα οποία χρησιμοποιούνται στην κατασκευή της γάστρας των υδροπτέρυγων τύπου Komet και Kolkhid (Εικόνα 3.1). Σκοπός ήταν να εξακριβωθεί κατά πόσο επιδρά το θαλάσσιο περιβάλλον στην αντοχή του υλικού σε θραύση λόγω διάβρωσης με μηχανική καταπόνηση και στη διάδοση κοπωτικών ρωγμών. Συγκεκριμένα, από τα ενισχυμένα αυτά ελάσματα κόπηκαν επίπεδα δοκίμια από την περιοχή ανάμεσα στα ενισχυτικά του ελάσματος. Σημειώθηκαν, επίσης, πάνω στα δοκίμια η πλευρά που προερχόταν από την ενισχυμένη επιφάνεια και εκείνη που προερχόταν από τη μη ενισχυμένη επιφάνεια του ελάσματος, προκειμένου τα αποτελέσματα των μετρήσεων από τις δύο αυτές πλευρές να συγκριθούν. Για την πειραματική διαδικασία χρησιμοποιήθηκε διάλυμα 3% NaCl. (α) (β) Εικόνα 3.1. Υδροπτέρυγα Τύπου Komet (α) και Τύπου Kolkhid (β). Όσον αφορά στις δοκιμές που πραγματοποιήθηκαν για τη διερεύνηση της αντοχής σε θραύση λόγω διάβρωσης με μηχανική καταπόνηση, τόσο στην πλευρά που προερχόταν από την ενισχυμένη επιφάνεια όσο και στην πλευρά που προερχόταν από τη μη ενισχυμένη επιφάνεια, παρατηρήθηκε ότι η αντοχή των δοκιμίων δεν επηρεάστηκε από την επίδραση του διαβρωτικού περιβάλλοντος. Όσον φορά στις δοκιμές για τη διερεύνηση της αντοχής σε κόπωση σε διαβρωτικό περιβάλλον, αυτές πραγματοποιήθηκαν για φορτίσεις υψηλών συχνοτήτων και για φορτίσεις χαμηλών συχνοτήτων και τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με αντίστοιχες δοκιμές στον αέρα. Για τις φορτίσεις υψηλών συχνοτήτων, παρατηρήθηκε μείωση της κοπωτικής αντοχής κατά 47%, για συμμετρικές επαναλήψεις, και 50%, για ασύμμετρες επαναλήψεις, σε σχέση με τον αέρα. Για τις φορτίσεις χαμηλών συχνοτήτων, παρατηρήθηκε μείωση της κοπωτικής αντοχής κατά 2,3 φορές και 1,4 φορές, αντίστοιχα, σε σχέση με τον άερα. Τέλος, διαπιστώθηκε ότι δεν υπάρχει ουσιαστική διαφορά ανάμεσα στις ενισχυμένες και μη 50

52 ενισχυμένες επιφάνειες σχετικά με την αντοχή σε θραύση υπό την επίδραση διαβρωτικού περιβάλλοντος. Την επίδραση του διαβρωτικού περιβάλλοντος στην αντοχή σε θραύση από κόπωση του κράματος αλουμινίου 1561 εξέτασαν οι S. Ya. Yarema, Yu. V. Zima, A. P. Olik, A. V. Bakulin και V. I. Borsukevich [19]. Για την πειραματική διαδικασία χρησιμοποιήθηκαν δισκοειδή δοκίμια, διαμέτρου 230 mm και πάχους 6 mm, τα οποία εκόπησαν από θερμικά κατεργασμένο έλασμα του κράματος Τα δοκίμια εκόπησαν παράλληλα στη διεύθυνση κατεργασίας και κάθετα στη διεύθυνση κατεργασίας. Για την προσομοίωση του θαλάσσιου περιβάλλοντος χρησιμοποιήθηκε διάλυμα 3% NaCl. Οι δοκιμές πραγματοποιήθηκαν με έκθεση των δοκιμίων στον αέρα και με εμβάπτισή τους στο παραπάνω διάλυμα. Παρατηρήθηκε ότι, για υψηλές τιμές του συντελεστή έντασης τάσης (κοντά στην κρίσιμη τιμή), η αντοχή σε κόπωση, τόσο των δοκιμίων που εξετάσθηκαν στον αέρα όσο και αυτών που εξετάστηκαν στο νερό, ήταν σχεδόν η ίδια, κάτι το οποίο αποδίδεται στη σύντομη αλληλεπίδραση των δοκιμίων με το νερό. Αντιθέτως, για μικρότερα φορτία, η επίδραση του διαβρωτικού μέσου είναι πιο έντονη, με αποτέλεσμα να επιταχύνεται η διάδοση των κοπωτικών ρωγμών. Συγκεκριμένα, για τα δοκίμια που εκόπησαν παράλληλα στη διεύθυνση της κατεργασίας και που εκτέθηκαν στο διάλυμα NaCl, ο ρυθμός διάδοσης της κοπωτικής ρωγμής ήταν 3,5 φορές μεγαλύτερος από αυτόν για έκθεση στον αέρα. Αντίστοιχα, για τα δοκίμια που εκόπησαν κάθετα στη διεύθυνση της κατεργασίας, ο ρυθμός διάδοσης της κοπωτικής ρωγμής στο διάλυμα NaCl ήταν 2,8 φορές μεγαλύτερος από αυτόν για έκθεση στον αέρα. Το φαινόμενο αυτό αποδίδεται στη μεγαλύτερη διάρκεια αλληλεπίδρασης των δοκιμίων με το διαβρωτικό μέσο. Συνοψίζοντας, τα κράματα αλουμινίου 5083 και 1561 είναι τα πιο διαδεδομένα κράματα αλουμινίου για χρήση σε ναυπηγικές εφαρμογές, κυρίως λόγω των εξαιρετικών αντιδιαβρωτικών και των πολύ καλών μηχανικών τους ιδιοτήτων. Εντούτοις, όπως παρατηρήθηκε και από τις παραπάνω μελέτες, η συνδυασμένη επίδραση των επιβαλλόμενων μηχανικών καταπονήσεων, είτε αυτές προέρχονται από στατικά είτε από επαναλαμβανόμενα φορτία, και της διαβρωτικότητας του θαλασσινού νερού επιφέρουν μείωση των μηχανικών ιδιοτήτων των κραμάτων αυτών. Επίσης, σημαντικό ρόλο παίζει και η παρουσία των συγκολλήσεων, τόσο αυτή καθαυτή η διαδικασία της συγκόλλησης, όσο και το είδος της συγκόλλησης που εφαρμόζεται. Όλα αυτά θα πρέπει να λαμβάνοναι υπόψη κατά τον σχεδιασμό των κατασκευών προς αποφυγή μελλοντικών αρνητικών συνεπειών Οι Ρωγμές στη Μεταλλική Κατασκευή του Πλοίου Οι ρωγμές στη ναυπηγική Οι ρωγμές αποτελούν ένα πολύ σοβαρό πρόβλημα για τη ναυπηγική βιομηχανία γενικότερα, και ειδικότερα για τη μεταλλική κατασκευή του πλοίου, καθώς αποτελούν σοβαρή πηγή αστοχιών της κατασκευής. Αν και σε πολλές περιπτώσεις οι ρωγμές δεν υποβαθμίζουν σημαντικά την επάρκεια της κατασκευής, 51

53 εντούτοις, υπάρχουν περιπτώσεις όπου αποτελούν σοβαρό κίνδυνο για την ακεραιότητά της. Οι λόγοι για τους οποίους προκύπτουν ρωγμές είναι πολλοί και σύνθετοι και παρά το γεγονός ότι κατά την τελευταία πεντηκονταετία έχουν γίνει σημαντικές πρόοδοι στην κατανόηση του φαινομένου των ρωγμών, κυρίως ως προς τη έναρξη (initiation) και τη διάδοση (propagation), ακόμα δεν έχει καταστεί δυνατό να υπάρξει απόλυτη βεβεαιότητα ως προς τη συμπεριφορά των υλικών σε σχέση με τις ρωγμές. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η απόκριση των υλικών είναι περίπλοκη, καθώς εξαρτάται από παράγοντες που επιδρούν στο φαινομενολογικό επίπεδο αλλά και στο επίπεδο μικροδομής του υλικού. Επίσης, στις παραπάνω δυσκολίες πρέπει να προστεθεί και το γεγονός ότι οι ρωγμές προκύπτουν ταυτόχρονα με άλλες αστοχίες, και σε ορισμένες περιπτώσεις οφείλονται σε αυτές. Οδηγούμαστε, λοιπόν, στο συμπέρασμα ότι οι ρωγμές δεν αποτελούν μεμονωμένο φαινόμενο και κατά συνέπεια πρέπει να εξετάζονται σε συνάρτηση με άλλα συναφή προβλήματα Μηχανισμοί ανάπτυξης ρωγμών σε μεταλλικά υλικά Ολίσθηση, πλαστική παραμόρφωση και διαταραχές Ο πιο κοινός τρόπος πλαστικής παραμόρφωσης είναι η ολίσθηση. Κατά την ολίσθηση, μετατοπίζονται επιφάνειες κρυστάλλων η μία σε σχέση με την άλλη. Κατά συνέπεια, οι πλαστικές παραμορφώσεις από τη φύση τους είναι ανομοιογενείς. Η ολίσθηση προκύπτει πάντοτε με μετατόπιση τμημάτων κρυστάλλων σε συγκεκριμένες διευθύνσεις, σε πεδία που καλούνται πεδία ολίσθησης. Όταν η ολίσθηση προκύπτει σε μεγάλο αριθμό επίπεδων κρυστάλλων σε κόκκους πολυκρυσταλλικού υλικού, στο φαινομενολογικό επίπεδο, η πλαστική παραμόρφωση είναι ομογενής. Για το λόγο αυτό μπορεί να γίνει χρήση της μηχανικής θεωρίας των θραύσεων ή θραυστομηχανικής, κατά την οποία το υλικό θεωρείται ως ένα συνεχές μέσο. Η μηχανική των θραύσεων περιγράφει πολλά φαινόμενα που αφορούν την επέκταση των ρωγμών σε υλικά που χρησιμοποιούνται σε κατασκευές. Η μετατόπιση των ομάδων κρυστάλλων σε κάθε πεδίο ολίσθησης γίνεται σταδιακά. Αρχίζει σε μία περιοχή περιορισμένης έκτασης και επεκτείνεται προς τα έξω. Το σύνολο των περιοχών στις οποίες έχει προκύψει ολίσθηση καλείται διαταραχή, η οποία αναπαρίσταται με μία γραμμή που κείται στο πεδίο ολίσθησης. Όταν η μετατόπιση είναι κάθετη στη γραμμή διαταραχής, τότε καλείται διαταραχή ακμής, ενώ όταν είναι παράλληλη, καλείται διαταραχή κοχλία. Στην πράξη, οι διαταραχές είναι σύνθεση των δύο Όλκιμη ρωγμή διαμέσου κόκκων λόγω συνένωσης μικροκενών Όλκιμες ρωγμές προκύπτουν ως αποτέλεσμα υπερβολικής φόρτισης και αναγνωρίζονται εύκολα με μικροσκοπικό έλεγχο του υλικού. Η έκταση της μετατόπισης του υλικού εξαρτάται άμεσα από τον τρόπο στήριξης της κατασκευής. Όσον αφορά στο επίπεδο της μικροδομής, τα περισσότερα κατασκευαστικά υλικά 52

54 αστοχούν με μία διαδικασία που καλείται συνένωση ή συμφυΐα μικροκενών, με αποτέλεσμα το υλικό να εμφανίζει τη μορφή που παρουσιάζεται στην Εικόνα 3.2. Εικόνα 3.2. Συνένωση μκροκενών σε κράμα αλουμινίου 2024-Τ4. Μετά τη συνένωση, η μορφή της θραυσμένης επιφάνειας εξαρτάται από το είδος της εξωτερικής φόρτισης. Η μονοαξονική φόρτιση προκαλεί συμμετρική διάταξη μικροκενών, ενώ εάν η φόρτιση είναι διατμητική, τα μικροκενά έχουν παραβολική μορφή με κατευθύνσεις αντίθετες στις δύο θρυσμένες επιφάνειες. Όταν η ρωγμή είναι εφελκυστική, τα μικροκενά επιμηκύνονται και έχουν την ίδια κατεύθυνση στις δύο θραυσμένες επιφάνειες. Τα μικροκενά που αποκτούν αυτή τη μορφή συγκεντρώνονται γύρω από διαφόρων ειδών εσωτερικές ασυνέχειες και, καθώς αυξάνεται η εξωτρική φόρτιση, μεγεθύνονται, στη συνέχεια συμπτύσσονται και τελικά δημιουργείται μία συνεχής θραυσμένη επιφάνεια. Η διαδικασία περιγράφεται στο Σχήμα Σχήμα Η διαδικασία επέκτασης ρωγμής με συνένωση μικροκενών. 53

55 Ψαθυρή ρωγμή διαμέσου κόκκων (Τομή) Το φαινόμενο της ψαθυρής ρωγμής οφείλεται σε ρωγμή με τομή του υλικού. Η τομή (διαχωρισμός) προκύπτει σε επίπεδο ατομικών δεσμών σε σαφώς καθορισμένα κρυσταλλικά επίπεδα. Ένα υλικό που έχει υποστεί (τέλεια) ρωγμή με τομή δεν παρουσιάζει κανένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό και οι δύο επιφάνειες ταιριάζουν απόλυτα. Επειδή, όμως, τα κατασκευαστικά υλικά είναι πολυκρυσταλλικά με τυχαίο προσανατολισμό των κόκκων, μία τομή που επεκτείνεται από έναν κόκκο σε ένα γειτονικό θα πρέπει να αλλάξει κατεύθυνση καθώς διαπερνά το σύνορο. Οι αλλαγές αυτές οδηγούν στην ανάπτυξη πολυεδρικών επιφανειών, όπως αυτή που παρουσιάζεται στην Εικόνα 3.3. Η παρουσία ξένων σωμάτων περιπλέκει ακόμα περισότερο την πορεία της ρωγμής και έτσι, καθαρές τομές σπάνια συναντώνται ακόμα και στο εσωτερικό ενός κόκκου. Οι αλλαγές προσανατολισμού μεταξύ κόκκων και οι διάφορες ατέλειες προκαλούν την ύπαρξη σημαδιών στην επιφάνεια θραύσης που χαρακτηρίζουν τη ρωγμή τομής. Εικόνα 3.3. Ρωγμή με τομή σε χάλυβα τύπου BS Ένα από τα βασικά χαρακτηριστικά της ρωγμής με τομή είναι τα βήματα τομής, που έχουν μορφή αυλακιών και που συνιστούν βήματα μεταξύ τομών σε διαφορετικά, παράλληλα επίπεδα. Τα βήματα αυτά συγκλίνουν στην κατεύθυνση μετάδοσης της ρωγμής. Εάν οι κόκκοι συνδέονται με σύνορο κλίσης, που σημαίνει ότι έχουν τον ίδιο αξονικό προσανατολισμό, τα βήματα αυτά διασχίζουν το σύνορο. Εάν, όμως, οι γειτονικοί κόκκοι δεν έχουν τον ίδιο αξονικό προσανατολισμό, υπάρχει δηαλαδή σύνορο στρέψης, η πηγή τους είναι το ίδιο το σύνορο. Ένα άλλο χαρακτηριστικό της ρωγμής με τομή είναι τα πτερόμορφα σημάδια που δείχνουν προς την εστία (σημείο γένεσης) της ρωγμής. Μπορούμε συνεπώς να παρατηρήσουμε τη μορφή των σχημάτων αυτών και να ορίσουμε την κατεύθυνση της ρωγμής Κοπωτική ρωγμή μέσω των κόκκων του υλικού Η ρωγμή που οφείλεται σε κόπωση παρουσιάζει μία πολυ χαρακτηριστική συμπεριφορά. Κατά κανόνα μπορούν να παρατηρηθούν τα παρακάτω: Το σημείο έναρξης της κόπωσης. Οι επιφάνειες των θραυσμένων επιφανειών. Η τελική ρωγμή που οφείλεται σε υπερφόρτωση. 54

56 Τα παραπάνω μπορούν να δώσουν πληροφορίες σχετικά με τη διαδικασία της κόπωσης στο υλικό. Η κόπωση ξεκινά σχεδόν πάντοτε σε εξωτερική επιφάνεια της κατασκευής. Μία λεπτομερής εξέταση της θραυσμένης επιφάνειας μπορεί να αποκαλύψει τον λόγο για τον οποίο επήλθε, όπως για παράδειγμα οι συγκεντρώσεις τάσεων λόγω εγκοπής, οι γραμμώσεις που οφείλονται σε μηχανική κατεργασία ή σε βελονισμό λόγω διάβρωσης. Οι πληροφορίες αυτές είναι πολύ χρήσιμες για την ανάλυση των αστοχιών υπό υπηρεσιακές συνθήκες. Κατά την κοπωτική θραύση, οι θραυσμένες επιφάνειες είναι επίπεδες και λείες και συχνά υπάρχουν γραμμώσεις, που οφείλονται στον τρόπο φόρτισης της κατασκευής. Οι γραμμώσεις αποκαλύπτουν τη μορφή της ρωγμής στα διάφορα στάδια εξέλιξής της και οι διατάξεις τους αντιστοιχούν σε διάφορα είδη κοπωτικής φόρτισης. Η διατομή της επιφάνειας που φέρει ρωγμή αποτελεί ένδειξη του μεγέθους της επιβαλλόμενης φόρτισης. Εάν το εμβαδόν αυτό είναι σχετικά μεγάλο, τότε, ή η επιβαλλόμενη φόρτιση είναι υψηλή, ή το υλικό είχε χαμηλή δυσθραυστότητα, ή συνέβησαν και τα δύο. Εάν η δυσθραυστότητα του υλικού είναι γνωστή, μπορούμε να προσδιορίσουμε με μεγαλύτερη ακρίβεια το τι συνέβη, και, για σχετικά απλή γεωμετρία ρωγμών, είναι επίσης δυνατόν να υπολογισθεί και η μέγιστη τάση κατά την αστοχία. Στο μικροσκοπικό επίπεδο, αυτό που χαρακτηρίζει την κοπωτική ρωγμή είναι οι γραμμώσεις που προκύπτουν κατά το δεύτερο στάδιο εξέλιξής της. Οι γραμμώσεις αντιστοιχούν σε διαφορετικές φάσεις της επέκτασης της ρωγμής και συγκεκριμένα, σε επαναλληπτικές φορτίσεις, ενώ η κάθε επεναλλαμβανόμενη φόρτιση δεν προκαλεί γραμμώσεις, ιδιαίτερα εάν η φόρτιση έχει μεταβαλλόμενο βήμα σε κάθε επανάληψη. Στην Εικόνα 3.4 φαίνεται καθαρά η μορφή των γραμμώσεων σε επιφάνεια χάλυβα. Σημειώνεται, ότι η μορφή των γραμμώσεων επηρεάζεται και από περιβαλλοντικούς παράγοντες. Εικόνα 3.4. Γραμμώσεις σε χάλυβα λόγω κοπωτικής φόρτισης Ρωγμή μεταξύ των κόκκων του υλικού Αυτού του είδους η ρωγμή οφείλεται σε συνεχιζόμενη φόρτιση ή σε χαμηλή ολκιμότητα του υλικού. Αυτό μπορεί να προκύψει ως αποτέλεσμα διαχωρισμού 55

57 συγκεκριμένων στοιχείων, που προσθέτουν ψαθυρότητα στο υλικό, από τους κόκκους στα σύνορά τους. Παράδειγμα αυτού αποτελούν ορισμένα γερασμένα κράματα αλουμινίου. Στο μικροσκοπικό επίπεδο δεν είναι δυνατόν να προσδιορισθεί εάν η ρωγμή διαπερνά ή όχι τους κόκκους του υλικού, καθώς η εμφάνιση της επιφάνειας δεν διαφέρει στις δύο περιπτώσεις. Για να διευκρινιστεί η φύση της ρωγμής, πρέπει να ληφθεί μεταλλογραφική τομή των επιφανειών που φέρουν τη ρωγμή. Στη συνέχεια, η μορφή των επιφανειών θα αποκαλύψει τον τρόπο μετάδοσής της Ρωγμή λόγω συνεχιζόμενης φόρτισης Οι ρωγμές που οφείλονται σε συνεχιζόμενη φόρτιση προκύπτουν ως αποτέλεσμα ερπυσμού του υλικού. Στην περίπτωση της μεταλλικής κατασκευής του πλοίου, ρωγμές προκύπτουν κατά κανόνα λόγω δυσμενούς περιβάλλοντος (ηλεκτροχημική διάβρωση, κόπωση). Οι μορφές των ρωγμών που προκύπτουν οφείλονται στην ανάπτυξη εντατικών πεδίων λόγω της μείωσης της αντοχής του υλικού από διάβρωση ή στην αύξηση της ψαθυρότητάς του λόγω της παρουσίας υδρογόνου σε αέρια μορφή. Γενικά, αυτή η μορφή ρωγμής είναι η πιο πολύπλοκη από όσες έχουν ήδη περιγραφεί και για το λόγο αυτό, η περιγραφή της έχει γίνει με αρκετά μοντέλα, ορισμένα από τα οποία έχουν ευρεία εφαρμογή, ενώ άλλα όχι. Στα περισσότερα από αυτά, η μετάδοση της ρωγμής αποδίδεται σε αύξηση της ψαθυρότητας του υλικού Οι Ρωγμές στη μεταλλική κατασκευή των πλοίων Γενικά, οι ρωγμές των μεταλλικών κατασκευών κατατάσσονται σε όλκιμες και ψαθυρές. Και στις δύο περιπτώσεις οι ατέλειες της κατασκευής έχουν μεγάλη επίδραση, αλλά διαφέρουν. Οι διαφορές αυτές φαίνονται στον Πίνακα 3.2. Πίνακας 3.2. Παράγοντες που επιδρούν στην αστοχία των μεταλλικών κατασκευών. Όλκιμη Αστοχία Ψαθυρή Αστοχία Γενικευμένη πλαστικοποίηση της Τοπική πλαστικοποίηση κατασκευής Οι σημαντικές ατέλειες είναι αυτές που Οι σημαντικές ατέλειες είναι επηρεάζουν την αντίσταση στην μακροσκοπικής φύσεως, δηλαδή: πλαστική παραμόρφωση, δηλαδή: - πρόσθετες ξένες ουσίες - ατέλειες συγκολλήσεων - σύνορα κόκκων - πορώδη υλικά - ιζήματα - κόπωση και ρωγμές λόγω τάσεων - δίκτυα διαταραχών διάβρωσης Στις αστοχίες κατά τις οποίες η συμπεριφορά είναι όλκιμη, οι ατέλειες που επιδρούν είναι αυτές που προκαλούν παραμόρφωση και διακοπή κρυσταλλικών πεδίων. Παρεμποδίζεται, έτσι, η ολίσθηση των διαταραχών και αναπτύσσεται αντίσταση στις πλαστικές παραμορφώσεις που χαρακτηρίζουν την αντοχή των μετάλλων με υψηλή τάση διαρροής. Παραδείγματα τέτοιων ατελειών είναι οι πρόσθετες ξένες ουσίες, τα σύνορα των κόκκων, τα ομογενή ιζήματα και τα δίκτυα των διαταραχών. Οι μεγαλύτερες ατέλειες, όπως τα πρόσθετα υλικά, τα πορώδη 56

58 υλικά, τα επιφανειακά γδαρσίματα και οι μικρές ρωγμές, μπορεί να επηρεάσουν το εμβαδόν της επιφάνειας που παραλαμβάνει τις εξωτερικές φορτίσεις, δεν έχουν όμως επίδραση στην αντοχή σε διαρροή. Στις αστοχίες που σχετίζονται με τις ρωγμές, δηλαδή αυτές που προκύπτουν προ της γενικευμένης διαρροής, οι σχετικές ατέλειες επιδρούν στο μακροσκοπικό ή φαινομενολογικό επίπεδο, καθώς μόνο τα τοπικά εντατικά πεδία που σχετίζονται με τις ατέλειες επηρεάζουν την απόκριση. Οι ατέλειες της ατομικής δομής που επιδρούν στην αντίσταση στην πλαστική ροή δεν έχουν κάποια άμεση επίδραση. Ένα ακόμα σημαντικός παράγοντας που επηρεάζει τη συμπεριφορά του λικού, κατά τρόπο ψαθυρό ή όλκιμο, είναι η θερμοκρασία. Για κάθε υλικό υπάρχει μία θερμοκρασία, πάνω από την οποία δεν προκύπτει ψαθυρή θραύση, η οποία καλείται μεταβατική θερμοκρασία, και η οποία είναι χαρακτηριστική για κάθε υλικό. Επίσης, εξαρτάται από την εφελκυστική εντατική κατάσταση σε τοπικό επίπεδο, τη χημική σύσταση και τη διαδικασία χύτευσης του μετάλλου. Στη θερμοκρασία του περιβάλλοντος, και όταν δεν υπάρχουν εγκοπές, οι αστοχίες υπό εφελκυσμό συνοδεύονται από σχετικά μεγάλες παραμορφώσεις του υλικού. Στα ναυπηγικά ελάσματα αυτό συμβαίνει στην κατεύθυνση του πάχους, ιδίως όταν η αστοχία προκύπτει σε περιοχή με συγκέντρωση τάσεων όπου δεν υπάρχουν εγκοπές. Οι θραύσεις αυτές είναι όλκιμες και διαφέρουν από τις αντίστοιχες ψαθυρές, καθώς έχουν μία μουντή, γκρίζα εμφάνιση. Τέλος, αξίζει να αναφερθεί ότι η κοπωτική ρωγμή γενικά δεν προκαλεί ολική κατάρρευση της μεταλλικής κατασκευής του πλοίου και παρατηρείται σε περιοχές της δευτερεύουσας κατασκευής που έχουν εγκοπές. Ενώ η ψαθυρή ρωγμή μεταδίδεται ραγδαία, για την κοπωτική ρωγμή μπορεί να απαιτηθούν χρόνια πριν επέλθει η τοπική αστοχία. Για να προκύψει κοπωτική ρωγμή, απαιτείται εναλλαγή τάσεων και ή ύπαρξη μικρορωγμής και πολλές φορές προκύπτει σε περιοχές της κατασκευής που έχουν μεγάλη δυσκαμψία Ιστορικό Αστοχιών Λόγω Διάδοσης Ρωγμών σε Πλοία Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως, οι ρωγμές αποτελούν σημαντικό πρόβλημα για την επάρκεια και ακεραιότητα της μεταλλικής κατασκευής του πλοίου, καθώς μπορούν να οδηγήσουν ακόμα και σε ολική κατάρρευση, με δυσάρεστες συνέπειες, όπως οικονομικές και περιβαλλοντικές επιπτώσεις έως ακόμα και απώλεια ανθρώπινων ζωών. Ιστορικά, ψαθυρές θραύσεις μεταλλικών κατασκευών άρχισαν να παρουσιάζονται από τα μέσα του 19 ου αιώνα, όταν και άρχισε η ευρεία χρήση μετάλλων, και κυρίως του χάλυβα. Ο αριθμός των ατυχημάτων που συνέβαιναν εκείνη την εποχή από το αίτιο αυτό ήταν υπερβολικά υψηλός. Συγκεκριμένα, σύμφωνα με την έρευνα του Harold G. Acker [20], που πραγματοποιήθηκε για λογαριασμό του Ship Structure Committee, από το 1900 έως και την εποχή που πραγματοποιήθηκε η έρευνα, περισσότερα από 12 ηλωτά εμπορικά πλοία είχαν σπάσει στα δύο ή είχαν καταχωρηθεί ως αγνοούμενα εξαιτίας αντίξοων καιρικών συνθηκών. Τα περισσότερα από αυτά τα πλοία ήταν δεξαμενόπλοια και το κοινό τους χαρακτηριστικό ήταν ότι είχαν υπερφορτωθεί κοντά στη μέση τομή. Τα 57

59 περισσσότερα από τα πλοίο όπου παρουσιάστηκαν αστοχίες είχαν ηλικία μικρότερη από τα 10 χρόνια, ενώ λίγα ξεπερνούσαν τα 20 χρόνια. Τα προβλήματα θραύσεων που αντιμετώπιζαν τα ηλωτά πλοία εν μέρει αντιμετωπίστηκαν χάρη στη βελτίωση των μεθόδων παραγωγής και στη βαθύτερη γνώση των ιδιοτήτων των υλικών. Ωστόσο, τα προβλήματα αυτά επανεμφανίστηκαν κατά τη διάρκεια του Β` Παγκοσμίου Πολέμου, με την εισαγωγή της συγκόλλησης στη μαζική ανέγερση μεταλλικών κατασκευών. Από τα 5000 περίπου εμπορικά πλοία που κατασκευάστηκαν στις Η. Π. Α. την εποχή εκείνη, περί τα 1000 πλοία παρουσίασαν 1300 αστοχίες στην κατασκευή τους. Σοβαρές αστοχίες, όπως πλήρης θραύση των ελασμάτων καταστρώματος και πυθμένα, παρουσιάστηκαν σε 250 περίπου πλοία, ενώ 20 πλοία έσπασαν στα δύο ή εγκαταλείφθηκαν από το πλήρωμά τους. Σύμφωνα με την παραπάνω έρευνα που πραγματοποιήθηκε το 1953 [20], της οποίας σκοπός ήταν η διερεύνηση των αστοχιών σε συγκολλητά πλοία, έγιναν συγκρίσεις ανάμεσα σε ηλωτά και συγκολλητά πλοία, με βάση 6000 από τα πλοία που είχαν καταχωρηθεί στον Αμερικάνικο Νηογνώμονα από το 1938 έως εκείνη την εποχή. Τα συγκολλητά πλοία ήταν σε αριθμό τετραπλάσια από τα ηλωτά και, στην πλειοψηφία τους, ήταν φορτηγά πλοία τύπου Liberty και δεξαμενόπλοια τύπου Τ2. Παρατηρήθηκε ότι για το ίδιο υλικό κατασκευής, και ουσιαστικά για ίδιο σχεδιασμό και ποιότητα εργασίας, η συχνότητα αλλά και η έκταση των θραύσεων αυξανόταν ανάλογα με το πόσο αυξανόταν η έκταση των συγκολλήσεων. Επίσης, παρατηρήθηκε ότι τα συγκολλητά δεξαμενόπλοια παρουσίαζαν περισσότερα προβλήματα σε σχέση με τα συγκολλητά φορτηγά πλοία. Επίσης, από συστηματικές έρευνες που έγιναν για την ανακάλυψη των αιτίων των παραπάνω αστοχιών, βρέθηκε ότι οι θραύσεις, οι οποίες ήταν ψαθυρές, παρουσίαζαν τα εξής κοινά χαρακτηριστικά: α) Η επιφάνεια θραύσης είχε τα χαρακτηριστικά θραύσης κατ` αποχωρισμό. β) Οι περισσότερες θραύσεις έγιναν σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες. γ) Η εξωτερικά επιβεβλημένη τάση κατά τη θραύση είχε μέση τιμή σημαντικά μικρότερη του ορίου διαρροής του υλικού. δ) Η έναρξη των θραύσεων οφείλετο κατά 50% σε ασυνέχειες της κατασκευής, κατά 40% σε διάφορα ελαττώματα συγκόλλησης και κατά 10% σε μεταλλουργικές ανωμαλίες. ε) Στις περισσότερες περιπτώσεις, η διάδοση της ρωγμής έγινε στο βασικό μέταλλο και όχι στο μέταλλο συγκόλλησης, σε κατεύθυνση κάθετη προς τις εφελκυστικές κύριες τάσεις, και με ταχύτητα που έφτανε τα 900 m/sec. Όπως αναφέρθηκε και πρηγουμένως, από τα πιο διαδεδομένα φορτηγά πλοία της εποχής του Β` Παγκοσμίου Πολέμου ήταν τα πλοία τύπου Liberty (Εικόνα 3.5). Στα πλοία αυτά καταγράφηκαν σοβαρές ρωγμές, οι οποίες συνέβησαν ραγδαία και με δυνατό κρότο. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί η περίπτωση του SS John P. 58

60 Gaines (Εικόνα 3.6), το οποίο βυθίστηκε στις 24 Νοεμβρίου 1943 και είχε ως αποτέλεσμα τον θάνατο 10 ανθρώπων. Ύστερα από έρευνες που διεξήχθησαν διαπιστώθηκε ότι οι θραύσεις, που οδήγησαν στην απώλεια του πλοίου, δεν προκλήθηκαν από τις συγκολλήσεις, αλλά εξαιτίας του ακατάλληλου χάλυβα που είχε χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή του πλοίου. Οι χαμηλές θερμοκρασίες που επικραττούσαν στον Βόρειο Ατλαντικό, όπου και έπλεε το πλοίο, οδήγησαν σε αλλαγή της συμπεριφοράς του χάλυβα από όλκιμο σε ψαθυρό. Επίσης, οι συγκολλητές κατασκευές της εποχής δεν έθεταν εμπόδια στη διάδοση των ρωγμών, με αποτέλεσμα τη σχετικά εύκολη θραύση του πλοίου. Εικόνα 3.5. Πλοίο τύπου Liberty. Εικόνα 3.6. Το SS John P. Gaines, μετά από τη θραύση που υπέστη. Ένα κοινό σημείο έναρξης ρωγμών για τα πλοία τύπου Liberty ήταν η γωνία των στομίων των αμπαριών, η οποία συνόρευε με ένα συγκολλητό αρμό. Αυτά τα δύο στοιχεία λειτουργούσαν ως σημείο συγκέντρωσης τάσεων, και σε συνδυασμό με την υπερβολική φόρτωση των αμπαριών και με τις τυχούσες δυσμενείς καιρικές συνθήκες, τα πλοία αυτά είχαν καταστεί πολύ επιρρεπή σε θραύσεις. Η κατάσταση βελτιώθηκε σημαντικά με την εμφάνιση των πλοίων τύπου Victory (Εικόνα 3.7), τα οποία αποτελούσαν μία βελτιωμένη εκδοχή των Liberty, ωστόσο και σε αυτά τα 59

61 πλοία παρουσιάστηκαν προβλήματα, κυρίως λόγω ελαττωματικών συγκολλήσεων [20]. Εικόνα 3.7. Πλοίο τύπου Victory. Ένας επίσης διαδεδομένος τύπος πλοίου της εποχής εκέινης όπου παρουσιάστηκαν σοβαρές ρωγμές ήταν τα δεξαμενόπλοια τύπου Τ2 (Εικόνα 3.8). Η πιο γνωστή περίπτωση ήταν αυτή του δεξαμενόπλοιου Schenectady (Εικόνα 3.9). Εικόνα 3.8. Δεξαμενόπλοιο τύπου Τ2. Το περιστατικό συνέβη στις 19 Ιανουαρίου 1943, στις 11 μ.μ, όταν το πλοίο βρισκόταν αγκυροβολημένο στον προβλήτα του ναυπηγείου της κατασκευάστριας εταιρείας Kaiser Company στο Portland του Oregon.Το νερό ήταν ήρεμο, με θερμοκρασία στους 4 ο C και ο άνεμος δεν ήταν ισχυρός. Αξίζει, επίσης, να σημειωθεί ότι είχαν περάσει μόλις λίγες μέρες αφού το πλοίο είχε πραγματοποιήσει τις δοκιμές εν πλω [21]. 60

62 Εικόνα 3.9. Το Schenectady μετά τη θραύση. Η θραύση ήταν απότομη και συνοδεύτηκε από έναν εκκοφαντικό θόρυβο, ο οποίος ακούστηκε σε απόσταση ενός μιλίου. Η ρωγμή διαδόθηκε σε όλο το κατάστρωμα, στις πλευρές τις γάστρας, τις διαμήκεις φρακτές και τις σταθμίδες του πυθμένα, ενώ το έλασμα του πυθμένα παρέμεινε ανέπαφο. Από έρευνες που πραγματοποιήθηκαν αργότερα διαπιστώθηκε ότι η ρωγμή ξεκίνησε από το κατάστρωμα, ανάμεσα σε δύο εγκάρσιες φρακτές, και οφείλετο σε ελαττωματική συγκόλληση, σε περιοχή όπου υπήρχε συγκέντρωση τάσεων. Αξιοσημείωτο είναι επίσης το γεγονός ότι παρόμοιο ατύχημα συνέβη και στο δεξαμενόπλοιο Esso Manhattan (Εικόνα 3.10), αδελφό πλοίο του Schenectady, τον Μάρτιο του 1943, το οποίο κόπηκε στη μέση καθώς έμπαινε στο λιμάνι της Νέας Υόρκης, υπό ήπιες καιρικές συνθήκες. Εικόνα Το Esso Manhattan μετά τη θραύση. 61

63 Ένα πιο πρόσφατο παράδειγμα (19 Μαρτίου 2002) ψαθυρής θραύσης σε φορτηγό πλοίο είναι η περίπτωση του bulk carrier Lake Carling (το οποίο μετονομάστηκε αργότερα σε Ziemia Cieszynska, Εικόνα 3.11). Το πλοίο εμφάνισε ρωγμή μήκους 6 μέτρων στη γάστρα του, στην περιοχή του αμπαριού Νο 4, στην αριστερή πλευρά, ενώ έπλεε στον κόλπο του St. Lawrence υπό ήπιες καιρικές συνθήκες και χαμηλή ένταση ανέμου. Οι θερμοκρασίες που επικραττούσαν στην περιοχή κυμαίνονταν από 0 έως 5 ο C. Το πλοίο ήταν φορτωμένο στα αμπάρια 1, 3 και 5 με σιδηρομετάλλευμα, ενώ κατά τη διάρκεια της φόρτωσής του είχε πραγματοποιηθεί ταυτόχρονα και αφερματισμός, στο πλαίσιο πάντα του Loading Manual του πλοίου. [22]. (α) (β) Εικόνα (α) Το bulk carrier Lake Carling. (β) Η ρωγμή που υπέστη το πλοίο. Ύστερα από έρευνες, η ρωγμή αποδόθηκε στην πολύ μειωμένη αντοχή σε θραύση που εμφάνιζε ο χάλυβας τύπου Grade A, από τον οποίο ήταν κατασκευασμένο το πλοίο, σε θερμοκρασίες κοντά στους 0 o C. Το πλοίο επισκευάστηκε και επανήλθε στην κυκλοφορία. Αξιοσημείωτο είνα επίσης ότι ένα από τα αδελφά πλοία του Lake Carking, το Ziemia Gornoslaska (Εικόνα 3.12), εμφάνισε και αυτό ρωγμές στο έλασμα της γάστρας του, στην περιοχή του αμπαριού Νο 2, τον Δεκέμβριο του

64 Εικόνα Το bulk carrier Ziemia Gornoslaska. Εκτός από δεξαμενόπλοια και φορτηγά πλοία, μεγάλες ρωγμές εμφανίστηκαν και σε επιβατηγά πλοία. Χαρακτηριστικά παραδείγματα αποτελούν τα υπερωκεάνεια RMS Majestic και SS Leviathan (Εικόνες 3.13 (α) και (β)), στα οποία παρατηρήθηκαν μεγάλες ρωγμές, οι οποίες ξεκινούσαν από το κατάστρωμα, από τετράγωνα στόμια, και φτάνανε μέχρι τις πλευρές της γάστρας, και μάλιστα κάποιες από αυτές διέσχυσαν όλη την πλευρά της γάστρας [20]. Σε τουλάχιστον μία περίπτωση, η ρωγμή συνοδεύτηκε από δυνατό θόρυβο, κάτι που υποδεικνύει ότι ήταν περίπτωση θραύσης κατ` αποχωρισμό. (α) (β) Εικόνα α) Το RMS Majestic. β) Το SS Leviathan. Άλλο ένα παράδειγμα επιβατηγού πλοίου που παρουσίασε ρωγμές αποτελεί το SS Europa (Εικόνα 3.14). Στο πλοίο αυτό παρουσιάστηκαν ρωγμές στο κατάστρωμα, οι οποίες ξεκίνησαν από τετράγωνα στόμια, και στο έλασμα του ζωστήρα, οι οποίες ξεκίνησαν από ανοίγματα αεραγωγών [20]. 63

65 Εικόνα Το SS Europa. Όσον αφορά στις αλουμινένιες κατασκευές στη ναυπηγική, δεν έχουν παρατηρηθεί περιστατικά θραύσης τόσα έντονα όσο αυτά που παρατηρήθηκαν σε χαλύβδινες κατασκευές, κυρίως λόγω του γεγονότος ότι την εποχή που άρχισαν να χρησιμοποιούνται εκτενώς τα κράματα αλουμινίου στη ναυπηγική, είχαν αντιμετωπιστεί πολλά από τα προβλήματα που αφορούσαν το σχεδιασμό των κατασκευών και τις συγκολήσεις. Ωστόσο, η θραύση στις αλουμινένιες ναυπηγικές κατσκευές έχει αποτελέσει αντικείμενο εκτενούς μελέτης. Αντιπροσωπευτικά παραδείγματα αποτελούν η Διπλωματική Εργασία της Δήμητρας Ρήγου [6], όπως επίσης και η Διδακτορική Διατριβή του Κωνσταντίνου Π. Γαλάνη [7] και η Διπλωματική Εργασία του Στέφανου Μιχαλόπουλου [8]. Επίσης, έχουν παρατηρηθεί ορισμένες ενδιαφέρουσες περιπτώσεις ρωγμών σε αλουμινένεις ναυπηγικές κατασκευές. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελούν οι φρεγάτες τύπου FFG-7 Oliver Hazzard Perry (Εικόνα 3.15), με τις οποίες εξοπλίζεται το αμερικάνικο πολεμικό ναυτικό. Τα πλοία αυτά, στην αρχή της υπηρεσιακής τους ζωής, είχαν χαλύβδινη γάστρα και αλουμινένιες υπερκατασκευές, προκειμένου με αυτόν το τρόπο να παρέχεται επαρκής χώρος για την εγκατάσταση των απαραίτητων ηλεκτρονικών συστημάτων, χωρίς παράλληλα να αυξάνεται υπερβολικά το βάρος. 64

66 Εικόνα Φρεγάτα τύπου FFG-7 Oliver Hazzard Perry. Κάποια από πλοία αυτά παρουσίασαν σοβαρά προβλήματα ρωγμών στις υπερκατασκευές τους, ρωγμές οι οποίες εκτείνονταν από άκρη σε άκρη των υπερκατασκευών και περίπου στο 70% του μήκους. Οι ρωγμές αυτές ήταν πολύ επικίνδυνες, καθώς μπορούσαν να επεκταθούν και στη γάστρα του πλοίου, επιτρέποντας στο νερό να εισχωρήσει και να κατακλύσει χώρους όπου βρίσκονταν σημαντικά οπλικά συστήματα. Ωστόσο, έγιναν οι απαραίτητες ενέργεις και το πρόβλημα αντιμετωπίστηκε [45]. Σύμφωνα με στέλεχος της εταιρείας αλουμινίου Alcoa, η επιδιόρθωση των ζημιών αυτών ήταν ιδιαίτερα δαπανηρή, ωστόσο οι ρωγμές δεν οφείλονταν σε ανεπάρκεια του υλικού αλλά σε σχεδιαστικά σφάλματα [23]. Άλλη μία σχετική περίπτωση είναι αυτή του καταμαράν Jet Cat Express (Εικόνα 3.16), στο οποίο παρουσιάστηκαν ρωγμές και το οποίο χρειάστηκε να αποσυρθεί για να επισκευαστεί. Το πλοίο ήταν κατασκευασμένο από ελάσματα κράματος αλουμινιού 5083-Η312 και ναυπηγήθηκε από την εταιρεία Nichols Bros. Εικόνα Το καταμαράν Jet Cat Express. 65

67 Οι ρωγμές παρατηρήθηκαν στο μέσο των ελασμάτων, κυρίως στην περιοχή του μηχανοστασίου και του αντλιοστασίου των water-jets. Σύμφωνα με τον Πρόεδρο της κατασκευάστριας εταιρείας, χρειάστηκε να αφαιρεθεί η υπερκατασκευή και να αντικατασταθούν κάποιες διαμήκεις σταθμίδες, ελάσματα και οποιοδήποτε άλλο κατασκευαστικό στοιχείο συνόρευε με την περιοχή όπου παρουσιάστηκαν οι ρωγμές [24]. Η ύπαρξη των ρωγμών αποδόθηκε στο γεγονός ότι τα συγκεκριμένα ελάσματα δεν ήταν ανθεκτικά σε διάβρωση, αν και το κράμα αλουμινίου 5083-Η321 είναι το κατεξοχήν χρησιμοποιούμενο κράμα αλουμινίου στη ναυπηγική βιομηχανία. Αυτό που είναι αξιοσημείωτο είναι ότι παρόμοιο πρόβλημα ρωγμών εμφανίστηκε και στο καταμαράν Hula Kai (Εικόνα 3.17) της εταιρείας Kvichak Marine. Και σε αυτό το πλοίο είχαν χρησιμοποιηθεί ελάσματα από κράμα αλουμινίου 5083-Η321, τα οποία μάλιστα είχαν προμηθευτεί από την ίδια εταιρεία από την οποία είχαν παραχθεί και τα ελάσματα του Jet Cat Express [25]. Το γεγονός αυτό οδήγησε στο συμπέρασμα ότι ίσως τα συγκεκριμένα ελάσματα που παρήχθησαν δεν ήταν ανθεκτικά σε διάβρωση, λόγω ακατάλληλης κατεργασίας, και ότι δεν υπήρχε πρόβλημα για το κράμα γενικότερα. Εικόνα Το καταμαράν Hula Kai. Μία ιδιαίτερη περίπτωση ρωγμής σε αλουμινένια κατασκευή, που δε συνέβη σε πλοίο αυτό καθεαυτό, αλλά σε εξάρτημά του, είναι η περίπτωση ρωγμής που εμφανίστηκε στο σώμα συγκολλητής δεξαμενής, κατασκευασμένης από αλουμίνιο, η οποία χρησίμευε για την αποθήκευση υγροποιημένου αερίου (LP-gas). Το αέριο αυτό ήταν αποθηκευμένο σε πλοίο και το χρησιμοποιούσαν στο μαγειρείο. Από έρευνα που πραγματοποιήθηκε από την κατασκευάστρια εταιρεία Chugoku Kogyo Co. Ltd. διαπιστώθηκε ότι η ρωγμή ήταν περίπτωση θραύσης λόγω διάβρωσης με μηχανική καταπόνηση (stress corrosion cracking). Προκλήθηκε από τις παραμένουσες τάσεις, λόγω της χύτευσης του υλικού της δεξαμενής, σε συνδυασμό με το διαβρωτική δράση του θαλασσινού νερού και την έκθεση σε υψηλές θερμοκρασίες [46] Διατάξεις Ενισχύσεων στα Ελάσματα των Πλοίων Τα ελάσματα των πλοίων συνήθως ενισχύονται με την τοποθέτηση ενισχυτικών κατά τον διαμήκη άξονα και με την τοποθέτηση κατασκευαστικών νομέων κατά τον εγκάρσιο άξονα, σε σχετικά μεγάλη απόσταση μεταξύ τους. Η διάταξη αυτή είναι ιδιαίτερα αποτελεσματική στο να ενισχύει την ικανότητα της 66

68 μεταλλικής κατασκευής του πλοίου να παραλαμβάνει θλιπτικά φορτία. Οι πηγές φορτίων που προκαλούν καταπόνηση στα ελάσματα των πλοίων είναι οι καμπτικές ροπές που προκαλούνται απο το ήρεμο νερό, οι εσωτερικές και εξωτερικές πιέσεις, οι καμπτικές ροπές οι οποίες προκαλούνται από τα κύματα, οι θερμικές φορτίσεις και τα ταχύτατα εναλλασσόμενα φορτία εξαιτίας σφυρόκρουσης [26]. Όταν η γάστρα ενός πλοίου βρίσκεται υπό κάθετη κάμψη, για παράδειγμα εξαιτίας κυματισμού, τα ελάσματα του καταστρώματος υπόκεινται κυρίως σε διαμήκη θλίψη, όταν το πλοίο βρίσκεται στο κοίλο του κύματος (κατάσταση sagging), και κυρίως σε διαμήκη εφελκυσμό, όταν το πλοίο βρίσκεται στην κορυφή του κύματος (κατάσταση hogging), ενώ τα ελάσματα του πυθμένα υπόκεινται κυρίως σε διαμήκη εφελκυσμό και θλίψη, αντίστοιχα, και σε πλευρικές πιέσεις. Τα ανώτερα πλευρικά ελάσματα της γάστρας υπόκεινται συνήθως σε συνδυασμένες διαμήκεις θλιπτικές και εφελκυστικές φορτίσεις και σε διαμήκη κάμψη, ενώ τα κατώτερα πλευρικά ελάσματα της γάστρας υπόκεινται σε συνδυασμένες διαμήκεις θλιπτικές και εφελκυστικές φορτίσεις, διαμήκη κάμψη, και σε πλευρικές πιέσεις [27]. Σχήμα Τυπική διάταξη ενίσχυσης πλοίου τύπου Bulk Carrier. Στο Σχήμα 3.12 φαίνεται μια τυπική διάταξη ενίσχυσης ενός ελάσματος πλοίου. Παρατηρούμε ότι το συγκεκριμένο έλασμα είναι ενισχυμένο στον διαμήκη άξονα με ενισχυτικά (stiffened panels) και σταθμίδες (girders) και στον εγκάρσιο άξονα με κατασκευαστικούς νομείς (frames). 67

69 Σχήμα Τυπική διάταξη ενίσχυσης ενός ελάσματος πλοίου. Τόσο τα διαμήκη ενισχυτικά όσα και οι εγκάρσιοι κατασκευαστικοί νομείς είναι συνήθως συγκολλητοί. Γενικά, συναντούμε τέσσερις κυρίως τύπους ενισχυτικών, ανάλογα με τη μορφή που έχει η διατομή τους. Οι τύποι αυτοί είναι οι εξής: Βολβολάμα (Bulb Flat), Γωνία (Angle Bar), Επίπεδο Ενισχυτικό (Flat Bar) και Ενισχυτικό Τύπου Τ (Tee Bar). Οι τύποι αυτοί των ενισχυτικών φαίνονται και στα Σχήματα 3.14 και Σχήμα Τύποι ενισχυτικών. Flat Bar Angle Bar Tee Bar Σχήμα Τύποι ενισχυτικών με τις χαρακτηριστικές τους διαστάσεις. Μελέτες έχουν δείξει ότι τα ενισχυτικά παίζουν ευεργετικό ρόλο στην αντιμετώπιση των ρωγμών που αναπτύσσονται στα ελάσματα, καθώς αφενός περιορίζουν την επέκταση της ρωγμής και αφετέρου παραλαμβάνουν το φορτίο που αναπτύσσεται καθώς η ρωγμή διασχίζει το έλασμα [28]. Γενικά, ανάλογα με την 68

70 κατασκευή τους, τα ενισχυτικά διακρίνονται σε Ηλωτά, Συγκολλητά και Εξελασμένα (Εικόνα 3.18). (α) (β) (γ) Εικόνα α) Εξελασμένα ενισχυτικά. β) Συγκολλητό ενισχυτικό. γ) Ηλωτά ενισχυτικά. Όσον αφορά στα ηλωτά ενισχυτικά, αυτά μπορούν να εμποδίσουν τη διάδοση των ρωγμών ιδιαίτερα αποτελεσματικά. Λόγω της κατασκευής τους, δεν αποτελούν ένα σώμα με το έλασμα, οπότε η ρωγμή δεν μπορεί να αναπτυχθεί και διαμέσου του ενισχυτικού, αλλά απλά το προσπερνάει. Εξαιτίας, όμως, αυτού του γεγονότος, η διάδοσή της δεν μπορεί να συνεχιστεί για μεγάλο διάστημα αφού προσπεράσει το ενισχυτικό καθώς αυτό, παραμένοντας απρόσβλητο από τη ρωγμή, περιορίζει την ένταση, και κατ` επέκταση, τη διάδοση της ρωγμής [28]. Ωστόσο, αυτό δε συμβαίνει με τα συγκολλητά ή τα εξελασμένα ενισχυτικά, καθώς σε αυτήν την περίπτωση υπάρχει κίνδυνος η ρωγμή να μεταφερθεί από το έλασμα στο ενισχυτικό και να το διαπεράσει πλήρως, καταστρέφοντάς το (Σχήμα 3.16). Τα συγκολλητά ενισχυτικά, ιδιαίτερα, επηρεάζουν με ιδιόμορφο τρόπο τη διάδοση των ρωγμών, εξαιτίας των παραμενουσών τάσεων που δημιουργούνται από τη διαδικασία της συγκόλλησης. Συγκεκριμένα, εξαιτίας της συγκόλλησης δημιουργούνται εφελκυστικές παραμένουσες τάσεις, της τάξης μεγέθους του ορίου διαρροής του χάλυβα στην περιοχή κοντά στο ενισχυτικό, και μικρότερου μεγέθους θλιπτικές παραμένουσες τάσεις στην περιοχή του ελάσματος ανάμεσα στα ενισχυτικά. Αυτές οι παραμένουσες τάσεις έχουν ως αποτέλεσμα να αυξάνεται ο ρυθμός διάδοσης της ρωγμής κοντά στα ενισχυτικά και να μειώνεται ανάμεσα στα ενισχυτικά [29]. Οι R. J. Dexter και P. J. Pilarski [29] πραγματοποίησαν δοκιμές σε ελάσματα ενισχυμένα με διάφορους τύπους ενισχυτικών προκειμένου να μελετήσουν τη διάδοση μεγάλων κοπωτικών ρωγμών. Διαπίστωσαν, μεταξύ άλλων, ότι τα συγκολλητά ενισχυτικά μειώνουν ουσιαστικά τη διάδοση ρωμών στα ελάσματα σε σχέση με ελάσματα όπου δεν υπάρχουν ενισχυτικά (χρειάζονται σχεδόν οι διπλάσιες επαναλήψεις του φορτίου για να διαδοθεί μία ρωγμή ανάμεσα σε δύο ενισχυτικά σε σχέση με τις επαναλήψεις που χρειάζονται για να καλύψει μία ρωγμή την ίδια απόσταση σε ένα μη ενισχυμένο έλασμα). Τα παραπάνω δεν ισχύουν μόνο στην περίπτωση όπου η ρωγμή διαδίδεται κατά μήκος της συγκόλλησης του ενισχυτικού (Σχήμα 3.16), καθώς τότε η ικανότητα του ενισχυτικού να περιορίζει τη διάδοση της 69

71 ρωγμής εξαλείφεται και δεν υπάρχουν ουσιαστικές διαφορές με τα μη ενισχυμένα ελάσματα. Επίσης, διαπιστώθηκε ότι ο ρυθμός διάδοσης της ρωγμής στο ίδιο το ενισχυτικό είναι περίπου ο ίδιος με τον ρυθμό διάδοσής της μακριά από το ενισχυτικό, πάνω στο έλασμα. Ακόμα, δεν υπάρχει διαφορά, σχετικά με τον ρυθμό διάδοσης της ρωγμής, ανάμεσα σε ενισχυτικά που έχουν κατεργασίες, όπως οπές για αποστράγγιση, και σε συμπαγή ενισχυτικά. Τέλος, παρατηρήθηκε ότι ο τύπος του χάλυβα (για παράδειγμα κοινός κατασκευαστικός και ναυπηγικός) και μικρές διαφορές στη γεωμετρία του ενισχυτικού (για παράδειγμα ενισχυτικά τύπου angle bar και tee bar) δεν παίζουν σημαντικό ρόλο στον ρυθμό διάδοσης των ρωγμών. (α) (β) (γ) Σχήμα Πιθανές αλληλεπιδράσεις μίας ρωγμής με το ενισχυτικό: α) Η ρωγμή σταματάει στο ενισχυτικό. β) Η ρωγμή αλλάζει κατεύθυνση και διαδίδεται κατά μήκος της βάσης του ενισχυτικού. γ) Η ρωγμή διαπερνά το ενισχυτικό. Όπως έχει αναφερθεί και προηγουμένως, τα κράματα αλουμινίου υψηλής αντοχής παρουσιάζουν σημαντικά πλεονεκτήματα σε σχέση με τους ναυπηγικούς χάλυβες, όπως μειωμένο βάρος, εξαιρετικές αντιδιαβρωτικές ιδιότητες και χαμηλό κόστος συντήρησης. Τα πλεονεκτήματα αυτά έχουν εκτιμηθεί από τη ναυπηγική βιομηχανία, με αποτέλεσμα τον σχεδιασμό και την κατασκευή πολεμικών πλοίων, ακταιωρών και επιβατηγών πλοίων υψηλών ταχυτήτων. Ωστόσο, υστερούν απένατι στους χάλυβες σε σχέση με την αντοχή σε πλαστική παραμόρφωση, στην αντοχή σε λυγισμό και σε θέματα που έχουν να κάνουν με τις συγκολλήσεις. Η αντιμετώπιση των μειονεκτημάτων αυτών γίνεται πιο επιτακτική, καθώς οι διαστάσεις των αλουμινένιων πλοίων, λόγω των αυξημένων αναγκών και των νέων τάσεων, αυξάνονται διαρκώς [30]. Συγκεκριμένα, τα χαρακτηριστικά των ατελειών που σχηματίζονται κατά τη διαδικασία της συγκόλλησης σε αλουμινένιες κατασκευές είναι πιο πολύπλοκα σε σχέση με τη διαδικασία της συγκόλλησης στους χάλυβες. Πέραν από τις αρχικές παραμορφώσεις και τις παραμένουσες τάσεις, που προκαλούνται εξαιτίας της συγκόλλησης, αυτή η πολυπλοκότητα έγκειται στο γεγονός ότι το κομμάτι του αλουμινίου που βρίσκεται εντός της θερμικώς επηρεαζόμενης ζώνης (ΘΕΖ) της συγκόλλησης μαλακώνει, με αποτέλεσμα να υποβαθμίζονται οι μηχανικές του ιδιότητες σε αυτήν την περιοχή. Κάτι τέτοιο δεν συμβαίνει με τις χαλύβδινες συγκολλητές κατασκευές [30]. 70

72 Η υποβάθμιση των μηχανικών ιδιοτήτων των ενισχυμένων αλουμινένιων ελασμάτων στη ΘΕΖ γίνεται φανερή και από την έρευνα των Yufeng Zha, Torgeir Moan [31], οι οποίοι πραγματοποίησαν πειράματα σε ελάσματα από κράμα αλουμινίου 5083-Η116 και 6082-Τ6, για διάφορα πάχη ελάσματος, τα οποία ήταν ενισχυμένα με ενισχυτικά τύπου flat-bar, για διάφορα ύψη ενισχυτικού. Διαπίστωσαν ότι η ΘΕΖ επηρεάζει σημαντικά την αντοχή των ενισχυμένων ελασμάτων σε κατεύθυνση κάθετη προς την κατεύθυνση του φορτίου. Συγκεκριμένα, παρατηρήθηκε ότι ο στρεπτικός λυγισμός που προκαλείται εξαιτίας της πλαστικής παραμόρφωσης στη ΘΕΖ μπορεί να μειώσει την ικανότητα του ελάσματος να παραλαμβάνει φορτία κατά 15%, ανάλογα με το ύψος του ενισχυτικού. Επίσης, παρατηρήθηκε ότι οι παραμένουσες τάσεις στη ΘΕΖ μπορούν να οδηγήσουν σε μείωση της αντοχής κατά 7% και 3%, για ενισχυμένα ελάσματα από κράμα αλουμινίου 5083-Η116 και Τ6, αντίστοιχα. Η μείωση αυτή μπορεί να είναι μεγαλύτερη σε περίπτωση που η συγκόλληση είναι διακοπτόμενη και όχι συνεχής. Οι διατάξεις των ενισχύσεων για τις αλουμινένιες κατασκευές είναι παρόμοιες με αυτές που χρησιμοποιούνται και στις χαλύβδινες κατασκευές (Σχήμα 3.13). Εξαιτίας της σχετικά χαμηλής συσκαμψίας που παρουσιάζει το αλουμίνιο, και προκειμένου να ανταποκρίνονται σε γενικευμένα καμπτικά φορτία, τα περισσότερα αλουμινένια σκάφη χρησιμοποιούν διάμηκες σύστημα ενίσχυσης, δηλαδή, το έλασμα ανάμεσα στις διαμήκεις σταθμίδες και τους κάθετους κατασκευαστικούς νομείς ενισχύεται με ενισχυτικά τοποθετημένα κατά το διάμηκες [31]. Σε αντίθεση με τα χαλύβδινα ενισχυτικά, τα οποία κατασκευάζονται συνήθως από ορθογωνικούς τομείς, τα αλουμινένια ενισχυτικά εξελάσσονται σε βελτιστοποιημένα σχήματα και στη συνέχεια συγκολλούνται στο έλασμα με αυχενική συγκόλληση (Σχήμα 3.17). Επίσης, μπορούν να χρησιμοποιηθούν και διατάξεις όπου το έλασμα και το ενισχυτικό έχουν εξελασθεί μαζί, σε ένα σώμα, όπως έχει φανεί προηγουμένως και στην Εικόνα 3.18 (α) [31]. Σχήμα Εξελασμένο αλουμινένιο ενισχυτικό, συγκολλημένο σε έλασμα. Συχνά, στις ενισχυμένες αλουμινένιες κατασκευές, το έλασμα και το ενισχυτικό είναι κατασκευασμένα από διαφορετικά κράματα αλουμινίου. Τα ελάσματα κατασκευάζονται κυρίως από κράματα αλουμινίου της σειράς 5ΧΧΧ, ενώ τα ενιχυτικά κατασκευάζονται από κράματα αλουμινίου της σειράς 6ΧΧΧ (και ενίοτε 71

73 της σειράς 5ΧΧΧ και 7ΧΧΧ). Τυπικό υλικό για τα ελάσματα είναι το κράμα αλουμινίου 5083-Η116, ενώ για τα ενισχυτικά το κράμα αλουμινίου 6082-Τ6 [31]. 72

74 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ 4.1. Παρουσίαση του Πειραματικού Προγράμματος Το πειραματικό πρόγραμμα, το οποίο θα αναλυθεί εκτενέστερα στη συνέχεια, αποτελείται από μια σειρά δοκιμών μονοαξονικού εφελκυσμού, στις οποίες μεταβάλλονται παράμετροι που έχουν σχέση με το επιβαλλόμενο φορτίο και τον ρυθμό μετατόπισης. Χρησιμοποιήθηκαν κατάλληλα διαμορφωμένα δοκίμια, προκειμένου να πραγματοποιηθούν οι εν λόγω δοκιμές, και παράλληλα, χρησιμοποιήθηκαν και τα αποτελέσματα δοκιμών από παρόμοιες πειραματικές διαδικασίες. Σκοπός είναι να αποκτηθεί ένα σύνολο αποτελεσμάτων, στο οποίο θα μεταβάλλονται παράγοντες που θα έχουν σχέση με το είδος της ενίσχυσης, το υλικό στο οποίο επιλέγεται να κατασκευαστεί η αρχική τεχνητή ρωγμή σε ένα υβριδικό έλασμα, και τη γενική μορφολογία ενός ενισχυμένου ελάσματος, έτσι ώστε να προσομοιαστούν με τον καλύτερο δυνατό τρόπο οι πραγματικές συνθήκες που μπορούμε να συναντήσουμε σε μία αλουμινένια ναυπηγική κατασκευή. Απώτερος δε στόχος θα είναι αφενός να προσδιοριστούν οι μηχανικές ιδιότητες μιας υβριδικής διάταξης, όπως προαναφέρθηκε, και αφετέρου να εξεταστεί η επίδραση που έχουν οι διάφορες μορφολογικές ιδιαιτερότητες ενός αλουμινένιου ναυπηγικού ελάσματος στη διάδοση μιας προϋπάρχουσας ρωγμής. Η δοκιμή του μονοαξονικού εφελκυσμού επιλέχθηκε ως μεθοδολογία της πειραματικής διαδικασίας, γιατί μπορεί να παρέχει χρήσιμες πληροφορίες για τον καθορισμό της συμπεριφοράς των εξεταζόμενων δοκιμίων, όταν αυτά καταπονούνται σε εφελκυστικά φορτία, και γιατί μέσω αυτής, μπορούμε να προσδιορίσουμε διάφορες μηχανικές ιδιότητες των εξεταζόμενων υλικών, όπως το μέτρο ελαστικότητας ή μέτρο Young του υλικού, τον λόγο του Poisson, το όριο διαρροής και η μέγιστη αντοχή σε εφελκυσμό, η επιμήκυνση θραύσεως και την ελάττωση του εμβαδού της διατομής κατά τη στιγμή της θραύσεως και διάφορα χαρακτηριστικά που αφορούν την παραμόρφωση, την πλαστικοποίηση και τη σκλήρυνση του υλικού. Επίσης, οι μονοαξονικές δοκιμές υποβάλλουν τα δοκίμια σε συνθήκες οι οποίες είναι αντιπροσωπευτικές της κατάστασης στην οποία λειτουργεί μια πραγματική ναυπηγική κατασκευή. Όπως αναφέρθηκε και στο Κεφάλαιο 3, τόσο τα ελάσματα του καταστρώματος και του πυθμένα, όσο και τα πλευρικά ελάσματα, πέραν της κάμψης και των πλευρικών πιέσεων (οι οποίες ασκούνται στα κατώτερα πλευρικά ελάσματα) που υφίστανται, υπόκεινται κυρίως σε ένα συνδυασμό εφελκυστικών και θλιπτικών φορτίων, ανάλογα με τις συνθήκες που επικρατούν κατά τη λειτουργία της ναυπηγικής κατασκευής Ανάλυση και Περιγραφή της Πειραματικής Διαδικασίας Περιληπτική περιγραφή της πειραματικής διαδικασίας Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως, η πειραματική διαδικασία αποτελείται από μια σειρά δοκιμών μονοαξονικού εφελκυσμού. Χωρίζεται σε τρεις ομάδες, οι οποίες περιγράφονται στη συνέχεια. 73

75 1 η Ομάδα Πειραμάτων: Παρατήρηση της διάδοσης της ρωγμής σε ενισχυμένα συμπαγή δοκίμια εφελκυσμού τύπου CT (Compact Tension), με την επιβολή εφελκυστικών φορτίων. Τα δοκίμια αυτά, όπως και όλα τα δοκίμια τύπου CT που χρησιμοποιούνται στην παρούσα πειραματική διαδικασία, έχουν κατασκευαστεί σύμφωνα με το διεθνές πρότυπο ISO [38]. Aποτελούνται από το κράμα αλουμινίου 1561 και διαθέτουν διάταξη ενίσχυσης «τύπου Τ» (Tee Bar). Τα δοκίμια αυτά χωρίζονται σε δύο κατηγορίες, σε αυτά στα οποία υπάρχει τμήμα του ελάσματος του δοκιμίου πίσω από το ενισχυτικό, το οποίο τμήμα από εδώ και στο εξής θα ονομάζεται "Rear Plate", και σε αυτά στα οποία δεν υπάρχει "rear plate" και το ενισχυτικό βρίσκεται στην άκρη του ελάσματος. Σε όλα τα δοκίμια υπάρχει αρχική, τεχνητή διαμπερής ρωγμή, διαφορετικού μήκους κατά περίπτωση, η οποία έχει ημικυκλικό άκρο και η οποία έχει διεύθυνση κάθετη προς το ενισχυτικό και προς τη διεύθυνση επιβολής του φορτίου. Ένας παράγοντας ο οποίος μεταβάλλεται επίσης είναι το μήκος του "rear plate". Συνολικά, χρησιμοποιούνται δεκαπέντε δοκίμια με ενισχυτικό «τύπου Τ», από τα οποία τα οχτώ έχουν "rear plate", ενώ τα υπόλοιπα εφτά δεν έχουν. 2 η Ομάδα Πειραμάτων: Πειραματικός προσδιορισμός των μηχανικών ιδιοτήτων υβριδικού ελάσματος αλουμινίου, που αποτελείται από δύο διαφορετικά κράματα αλουμινίου. Σε αυτή την ομάδα, εκτελούνται δοκιμές μονοαξονικού εφελκυσμού με τη χρήση δοκιμίων εφελκυσμού τύπου "Dogbone", τα οποία έχουν σχεδιαστεί σύμφωνα με διεθνή πρότυπα [39, 40], και τα οποία αποτελούνται από δύο τμήματα, ίδιου μήκους, συγκολλημένα μεταξύ τους, με χρήση της μεθόδου συγκόλλησης GMAW. Το ένα τμήμα αποτελείται από το κράμα αλουμινίου 1561 και το άλλο από τα κράματα αλουμινίου 5083-Η111 και 5083-Η321 κατά περίπτωση. Στόχος αυτής της ομάδας των πειραμάτων είναι να προσδιοριστούν οι βασικές μηχανικές ιδιότητες του υβριδικού ελάσματος και να συγκριθούν με αυτές των επιμέρους κραμάτων που το αποτελούν προκειμένου να εξαχθούν συμπεράσματα σχετικά με το πώς επηρεάζονται οι μηχανικές ιδιότητες των επιμέρους κραμάτων που αποτελούν το υβριδικό έλασμα. 3 η Ομάδα Πειραμάτων: Παρατήρηση της διάδοσης της ρωγμής σε μη ενισχυμένα, υβριδικά συμπαγή δοκίμια εφελκυσμού τύπου CT με την επιβολή εφελκυστικών φορτίων. Τα δοκίμια αυτά αποτελούνται από δύο τμήματα, συγκολλημένα μεταξύ τους με τη μέθοδο συγκόλλησης GMAW. To ένα τμήμα αποτελείται από κράμα αλουμινίου 1561 και το άλλο τμήμα αποτελείται από κράμα αλουμινίου 5083-Η111 και 5083-Η321, κατά περίπτωση. Σε όλα τα δοκίμια υπάρχει αρχική, τεχνητή διαμπερής ρωγμή, με ημικυκλικό άκρο, στο τμήμα του δοκιμίου που είναι κατασκευασμένο από κράμα αλουμινίου 1561, η οποία έχει διεύθυνση κάθετη προς τη διεύθυνση επιβολής του φορτίου. Συνολικά, χρησιμοποιούνται έξι δοκίμια, από τα οποία, στα τρία χρησιμοποιείται το κράμα αλουμινίου 5083-Η111, ενώ στα υπόλοιπα τρία χρησιμοποιείται το κράμα αλουμινίου 5083-Η Κατασκευή και προετοιμασία των δοκιμίων Ιδιότητες των κραμάτων αλουμινίου που χρησιμοποιούνται στα δοκίμια Όπως έχει ήδη αναφερθεί και στο Κεφάλαιο 2, τα κράματα αλουμινίου που χρησιμοποιήθηκαν στην πειραματική διαδικασία είναι το κράμα αλουμινίου 1561 και το κράμα αλουμινίου

76 Το κράμα αλουμινίου 1561 τυγχάνει ευρείας χρήσης στη ναυπηγική βιομηχανία τα τελευταία τριάντα χρόνια, ιδιαίτερα στην κατασκευή υδροπτέρυγων και αερόστρομνων σκαφών. Παρουσιάζει πολύ καλές αντιδιαβρωτικές ιδιότητες και επίσης, έχει και πολύ καλές μηχανικές ιδιότητες. Συγκεκριμένα, οι μηχανικές ιδιότητες εφελκυσμού των προς συγκόλληση κατασκευαστικών στοιχείων του κράματος 1561, δηλαδή ελάσματα, ελάσματα με ενισχυτικά, βολβολάμες, Τ-δοκοί και κοιλοδοκοί είναι οι εξής: α) Ελάχιστο όριο θραύσης: σ TS = 333,2 MPa β) Ελάχιστο όριο διαρροής: σ y = 166 ΜPa - 205,8 MPa, ανάλογα με με το κατασκευαστικό στοιχείο, τη μέθοδο παραγωγής και τις διαστάσεις του. Οι παραπάνω τιμές αντιστοιχούν στη διεύθυνση διέλασης για τα ελάσματα με ενισχυτικά, τις βολβολάμες, τις Τ-δοκούς και τις κοιλοδοκούς. Η χημική σύσταση του κράματος 1561 παρατίθεται στον Πίνακα 4.1. Πίνακας 4.1. Χημική σύσταση του κράματος αλουμινίου Πρωτεύοντα Χημικά Στοιχεία Al Mg Mn Be Zr υπόλοιπο 5,5-6,5 0,7-1,1 0,0001-0,003 0,02-0,12 Προσμίξεις Fe Si Zn Cu Άλλα στοιχεία Σύνολο άλλων στοιχείων 0,4 0,4 0,2 0,1 0,05 0,1 [Χημική Σύσταση (%κ. β.): Απλές τιμές δηλώνουν μέγιστη περιεκτικότητα] Το κράμα αλουμινίου 5083 είναι ένα από τα ισχυρότερα κράματα, χωρίς θερμική κατεργασία, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ναυπηγικές κατασκευές. Έχει καλές ιδιότητες συγκόλλησης και καλή αντοχή στη διάβρωση θαλασσίου περιβάλλοντος και για τους λόγους αυτούς, αποτελεί ένα από τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα κράματα αλουμινίου στη ναυπηγική βιομηχανία. Η χημική σύσταση του κράματος παρατίθεται στον Πίνακα 4.2. Πίνακας 4.2. Χημική σύσταση του κράματος αλουμινίου 5083 (% κ. β.) Πρωτεύοντα Χημικά Στοιχεία Al Mg Mn Cr Si Fe Cu Λοιπά (ατομικά) υπόλ οιπο 4-4,9 0,4-1,0 0,05-0,25 0,4 max 0,4 max 0,1 max 0,05 max Λοιπά (σύνολο) 0,15 Max 75

77 Το κράμα αλουμινίου 5083 που χρησιμοποιείται στη συγκεκριμένη πειραματική διαδικασία είναι δύο τύπων, ανάλογα με την κατεργασία που έχει υποστεί ο κάθε τύπος. Έτσι λοιπόν χρησιμοποιείται το κράμα 5083-Η111 και το κράμα 5083-Η321. Το κράμα 5083-Η111 έχει υποστεί μόνον ενδοτράχυνση και χαρακτηρίζεται ως κράμα ελάχιστης σκληρότητας. Το κράμα 5083-Η321 έχει υποστεί ενδοτράχυνση ακολουθούμενη από θερμική κατεργασία σταθεροποίησης σε χαμηλή θερμοκρασία, προκειμένου να αποφευχθεί σκλήρυνση λόγω γήρανσης. Το συγκεκριμένο κράμα έχει υποστεί σκλήρυνση πριν από τη σταθεροποίηση βαθμού 2. Οι μηχανικές ιδιότητες των δύο αυτών κραμάτων παρατίθενται στους Πίνακες 4.3 και 4.4. Πίνακας 4.3. Μηχανικές ιδιότητες του κράματος 5083-Η111. Κατεργασία H111 Καθορισμένο Πάχος (mm) σ TS (MPa) σ y0,2 (MPa) Επιμήκυνση min % Σκληρότητα HBW over up to min max min max A 50min A 0,2 0, ,5 1, ,5 3, ,0 6, ,0 12, ,5 50, ,0 80, ,0 120, ,0 200, ,0 250, ,0 300, Πίνακας 4.4. Μηχανικές ιδιότητες του κράματος 5083-Η321. Κατεργασία Εύρος επιμήκυνσης/ mm Μέγιστη αντοχή σ TS (MPa) Όριο διαρροής σ y0,2 (MPa) Επιμήκυνση % min max min max min H321 4,5-50, A Κατασκευή δοκιμίων της 1 ης Ομάδας Πειραμάτων H ομάδα αυτή περιλαμβάνει ενισχυμένα συμπαγή δοκίμια εφελκυσμού μικρής κλίμακας τύπου CT, τα οποία έχουν ενισχυθεί με διάταξη ενίσχυσης «Τύπου Τ». Τα δοκίμια αυτά χωρίζονται σε δύο κατηγορίες, σε αυτά τα οποία έχουν rear plate και σε αυτά τα οποία δεν έχουν rear plate. Τα δοκίμια που ανήκουν στην πρώτη κατηγορία έχουν μεταβλητό μήκος, μιας και το μήκος του rear plate μεταβάλλεται, 120 mm πλάτος και περίπου 4 mm πάχος ενώ αυτά που ανήκουν στη δεύτερη κατηγορία έχουν μήκος 100 mm, πλάτος 120 mm και πάχος περίπου 4 mm. Σε όλα τα δοκίμια, σε διεύθυνση κάθετα στο ενισχυτικό, έχει κατασκευαστεί διαμπερής ρωγμή με 76

78 κατεύθυνση προς το ενισχυτικό, με ημικυκλικό άκρο ακτίνας 2,5 mm. Η ρωγμή αυτή έχει μήκος 61 mm στα δοκίμια που ανήκουν στην πρώτη κατηγορία και 51 mm στα δοκίμια που ανήκουν στη δεύτερη κατηγορία. Τα δοκίμια αυτά κόπηκαν από μεγάλα, ενισχυμένα με εξελασμένα ενισχυτικά «τύπου Τ» πλαίσια από κράμα αλουμινίου 1561, τα οποία είχαν μήκος 700 mm, πλάτος 700 mm και πάχος περίπου 4 mm. Η απόσταση ανάμεσα στις βάσεις των ενισχυτικών ήταν ίση περίπου με 200 mm. Τα δοκίμια κόπηκαν πάνω στα ενισχυτικά. Επίσης, σε όλα τα δοκίμια ανοίχτηκαν δύο διαμπερείς οπές, διαμέτρου 25 mm, εκατέρωθεν της τεχνητής ρωγμής, σε ίση απόσταση η καθεμία από τον άξονα συμμετρίας της ρωγμής. Οι οπές αυτές, όπως θα αναφερθεί και στην περιγραφή του πειραματικού εξοπλισμού, χρησιμεύουν για τη συγκράτηση των δοκιμίων από τις αρπάγες της μηχανής εφελκυσμού κατά την επιβολή των εφελκυστικών φορτίων. Στην Εικόνα 4.1, παρατίθενται δοκίμια και των δύο κατηγοριών. Επίσης, στην ενότητα της ανάλυσης των πειραμάτων της συγκεκριμένης ομάδας παρατίθενται πληροφορίες για τη γεωμετρία των δοκιμίων και σχετικό σκαρίφημα. (α) (β) Εικόνα 4.1. Μορφή δύο εκ των δοκιμίων της πρώτης ομάδας πειραμάτων: (α) Δοκίμιο με rear plate. (β) Δοκίμιο χωρίς rear plate Κατασκευή των δοκιμίων της 2 ης και της 3 ης Ομάδας Πειραμάτων Όπως προαναφέρθηκε, τόσο τα δοκίμια της 2 ης Ομάδας Πειραμάτων, όσο και αυτά της 3 ης Ομάδας πειραμάτων είναι υβριδικά, δηλαδή αποτελούνται από δύο τμήματα συγκολλημένα μεταξύ τους, τα οποία έχουν κατασκευαστεί από δύο διαφορετικά κράματα αλουμινίου, το κράμα 1561 και το κράμα 5083-Η111 και Η321, κατά περίπτωση. Για τον σκοπό αυτό, χρησιμοποιήθηκε μία πλάκα από κράμα αλουμινίου 1561, μήκους 800 mm, πλάτους 800 mm και πάχους 4 mm περίπου. Η πλάκα αυτή κόπηκε σε τέσσερα τμήματα. Τα δύο από αυτά συγκολλήθηκαν με ιδίων διαστάσεων πλάκες από κράμα αλουμινίου 5083-Η111 και τα άλλα δύο συγκολλήθηκαν με ιδίων διαστάσεων πλάκες από κράμα αλουμινίου 5083-Η321. Η μέθοδος συγκόλλησης που χρησιμοποιήθηκε ήταν η μέθοδος Συγκόλλησης με Τηκόμενο Ηλεκτρόδιο και Προστατευτικό Αέριο (Gas Metal Arc Welding - GMAW). Στην εικόνα Εικόνα 4.2, παρουσιάζονται οι συγκολλημένες πλάκες. 77

79 (α) (β) Εικόνα 4.2. (α) Οι δύο πλάκες διαφορετικού κράματος αλουμινίου μετά τη συγκόλληση. (β) Μορφή της ραφής της συγκόλησης πάνω στην οποία κόπηκαν τα δοκίμια. Η GMAW είναι μέθοδος συγκόλλησης που χρησιμοποιεί προστασία αερίου και όπου η απαιτούμενη θερμότητα παρέχεται από το ηλεκτρικό τόξο που σχηματίζεται μεταξύ ενός τηκόμενου ηλεκτροδίου και των προς συγκόλληση τεμαχίων. Η απαιτούμενη πυκνότητα έντασης ρεύματος, καθώς επίσης και η συνεχής τροφοδοσία με ηλεκτρόδιο, εξασφαλίστηκε από ειδική μηχανή συγκόλλησης, η οποία παρουσιάζεται στην Εικόνα 4.3. Εικόνα 4.3. Η μηχανή συγκόλλησης που χρησιμοποιήθηκε. Στα δεξιά φαίνεται ειδικό εξάρτημα που φέρει τυλιγμένο το ηλεκτρόδιο και στα αριστερά ο μηχανισμός που τροφοδοτεί το ηλεκτρόδιο στο πιστόλι συγκόλλησης. Το τηκόμενο ηλεκτρόδιο ήταν κατασκευασμένο από κράμα αλουμινίου 5183, το οποίο, κατά DIN 1732, έχει την κωδική ονομασία SGAlMg4,5Mn, ενώ, κατά AWS A.510, έχει την κωδική ονομασία ER5183. Η χημική σύσταση του συγκεκριμένου κράματος και οι μηχανικές του ιδιότητες παρατίθενται στους Πίνακες 4.5 και

80 Πίνακας 4.5. Χημική σύσταση του κράματος Πρωτεύοντα Χημικά Στοιχεία Αl Mg Mn Cr Ti υπόλοιπο 4,3-5,2 0,6-1,0 0,05-0,25 <0,15 Πίνακας 4.6. Μηχανικές ιδιότητες του κράματος Όριο διαρροής 0,2% (N/mm 2 ) 5183 Μηχανικές Ιδιότητες Μέγιστη αντοχή (N/mm 2 ) Επιμήκυνση (%) Ηλεκτρική αγωγιμότητα (Sm/mm 2 ) Ως προστατευτικό αέριο χρησιμοποιήθηκε καθαρό Αργό, κατά EN4391. Ο τύπος συγκόλλησης που πραγματοποιήθηκε ήταν Συγκόλληση Τύπου V, δηλαδή οι πλευρές των δύο τμημάτων που επρόκειτο να συγκολληθούν διαμορφώθηκαν με τέτοιο τρόπο ώστε να σχηματίζουν μεταξύ τους γωνία φ και να απέχουν μεταξύ τους απόσταση g. Λεπτομέρειες σχετικά με τη διαμόρφωση των ελασμάτων και γενικά, για τη διαδικασία της συγκόλλησης παρατίθενται στο Σχήμα 4.1 και τον Πίνακα 4.7. Σχήμα 4.1. Διαμόρφωση των προς συγκόλληση ελασμάτων και αλληλουχία συγκολλήσεων. Παρατηρούμε ότι φ = 60 ο και g = 0,0-1,0. Πίνακας 4.7. Λεπτομέρειες σχετικές με τη διαδικασία της συγκόλλησης. Run Process Size of Filler Metal (mm) Current (A) Voltage (V) Type of Current/ Polarity Wire Feed Speed (cm/min) Travel Speed (cm/min) Heat input (J/cm) F1 GMAW 1, Dc+ve R2 GMAW 1, Dc+ve

81 Πέραν της διαμόρφωσης που έλαβε χώρα στα προς συγκόλληση ελάσματα προκειμένου να αποκτήσουν την κατάλληλη γεωμετρία στην πλευρά που επρόκειτο να συγκολληθεί, αυτά υπέστησαν και άλλου είδους επεξεργασία προκειμένου να είναι έτοιμα για τη διαδικασία της συγκόλλησης. Συγκεκριμένα, καθαρίστηκαν οι προς συγκόλληση πλευρές στο άκρο τους με τη χρήση ειδικής μεταλλικής βούρτσας και στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκε ακετόνη προκειμένου, πέραν των άλλων, να απομακρυνθούν τα λίπη που περιέχουν υδρογόνο, καθώς το υδρογόνο μπορεί να προκαλέσει πόρους στη ραφή της συγκόλλησης. Μετά το τέλος της διαδικασίας της συγκόλλησης, χρησιμοποιήθηκε πάλι μεταλλική βούρτσα και τροχός προκειμένου να εξαλειφθούν τα όποια σφάλματα δημιουργήθηκαν κατά τη διάρκεια της συγκόλλησης. Τα δοκίμια που ήταν απαραίτητα για την πειραματική διαδικασία κόπηκαν πάνω στη ραφή της συγκόλλησης του υβριδικού ελάσματος που προέκυψε. Έτσι, προέκυψαν πέντε δοκίμια εφελκυσμού τύπου "Dogbone", με μήκος 150 mm και πλάτος 40 mm και έξι συμπαγή δοκίμια εφελκυσμού τύπου "CT", με μήκος 125 mm και πλάτος 120 mm. Στα τελευταία, διαμορφώθηκε μία τεχνητή, διαμπερής ρωγμή, μήκους 61 mm και ανοίγματος περίπου 5 mm, με κατεύθυνση προς τη συγκόλληση, στο τμήμα των υβριδικών δοκιμίων που είχε κατασκευαστεί από κράμα αλουμινίου Χαρακτηριστικό της ρωγμής αυτής είναι ότι καταλήγει σε ημικυκλικό άκρο διαμέτρου 2,5 mm. Επίσης, στα δοκίμια αυτά, όπως και στα ενισχυμένα δοκίμια που περιγράφησαν προηγουμένως, ανοίχτηκαν διαμπερείς οπές, διαμέτρου 25 mm, εκατέρωθεν της τεχνητής ρωγμής και σε ίση απόσταση η κάθε μία από τον άξονα συμμετρίας της ρωγμής. Όπως εξηγήθηκε και προηγουμένως, σκοπός αυτών των οπών είναι να διευκολύνουν τη συγκράτηση των δοκιμίων από τις αρπάγες της μηχανής εφελκυσμού που θα χρησιμοποιηθεί στα πειράματα. Τέλος, από τα έξι, τα τρία από αυτά περιείχαν το κράμα αλουμινίου 5083-Η111 και τα υπόλοιπα τρία το κράμα αλουμινίου 5083-Η321. Στην Εικόνα 4.4 παρουσιάζονται δείγματα των δοκιμίων και των δύο ομάδων πειραμάτων. Επίσης, στις ενότητες ανάλυσης των πειραμάτων των συγκεκριμένων δοκιμίων παρατίθενται πληροφορίες για τη γεωμετρία των δοκιμίων και σχετικά σκαριφήματα. (α) (β) Εικόνα 4.4. Μορφή των δοκιμίων της δεύτερης και τρίτης ομάδας πειραμάτων. (α) Υβριδικό δοκίμιο τύπου CT. (β) Συγκολλητό δοκίμιο τύπου "Dogbone". 80

82 Περιγραφή της Πειραματικής Διάταξης Όλες οι απαραίτητες δοκιμές εφελκυσμού πραγματοποιήθηκαν στην πειραματική μηχανή εφελκυσμού MTS του Εργαστηρίου Ναυπηγικής Τεχνολογίας. Η συγκεκριμένη μηχανή παρέχει μέγιστη δυνατότητα επιβαλλόμενης δύναμης ± 250 kn. Αποτελείται κυρίως από δύο στελέχη, ένα σταθερό και ένα κινητό, στα οποία είναι προσαρμοσμένα ειδικά εξαρτήματα για τη συγκράτηση των δοκιμίων. Επίσης, με τη μηχανή εφελκυσμού είναι κατάλληλα συνδεδεμένος ένας ηλεκτρονικός υπολογιστής, ο οποίος καταγράφει διαρκώς τις μετρήσεις που αποδίδει η μηχανή εφελκυσμού. Παράλληλα, χρησιμοποιείται και μία ψηφιακή φωτογραφική μηχανή, κατάλληλα τοποθετημένη ως προς το εξεταζόμενο κάθε φορά δοκίμιο, η οποία είναι προγραμματισμένη να λαμβάνει φωτογραφίες ανά τακτά χρονικά διαστήματα. Οι φωτογραφίες αυτές αποθηκεύονται σε έναν άλλο ηλεκτρονικό υπολογιστή, ο οποίος είναι συνδεδεμένος με τη φωτογραφική μηχανή. Μια γενική άποψη της πειραματικής διάταξης παρατίθεται στις Εικόνες 4.5 και 4.6. Εικόνα 4.5. Η πειραματική διάταξη των δοκιμών. Στο κέντρο φαίνεται η μηχανή εφελκυσμού με προσδεδεμένο επάνω της ένα δοκίμιο εφελκυσμού. Στα αριστερά βρίσκεται η φωτογραφική μηχανή και δίπλα ο ηλεκτρονικός υπολογιστής στον οποίο αποθηκεύονταν οι φωτογραφίες. 81

83 Εικόνα 4.6. Ο υπολογιστής ο οποίος κατέγραφε τα δεδομένα της μηχανής εφελκυσμού. Όσον αφορά στα δοκίμια της 1 ης και της 3 ης Ομάδας Πειραμάτων, οι παράμετροι που ρυθμίστηκαν ήταν το μέγιστο επιβαλλόμενο φορτίο, η ταχύτητα απομάκρυσνης των στελεχών της μηχανής εφελκυσμού, και η ταχύτητα δειγματοληψίας των μετρήσεων της μηχανής. Ο υπολογιστής που ήταν συνδεδεμένος με τη μηχανή εφελκυσμού κατέγραφε τιμές επιβαλλόμενου φορτίου, μετατόπισης και χρόνου που είχε παρέλθει από την έναρξη της δοκιμής, ενώ η φωτογραφική μηχανή λάμβανε φωτογραφίες ανά τακτά χρονικά διαστήματα. Επίσης, για τη συγκράτηση των δοκιμίων κατά τη διάρκεια των δοκιμών, χρησιμοποιήθηκαν ειδικά εξαρτήματα (Εικόνα 4.7), τα οποία προσαρμόζονταν επάνω στα στελέχη της μηχανής εφελκυσμού. Η στερέωση των δοκιμίων επάνω σε αυτά τα εξαρτήματα έπρεπε να γίνει με κυλινδρικούς πίρους, διαμέτρου 25 mm ο καθένας, και για το λόγο αυτό έγινε η διάνοιξη δύο κυκλικών διαμπερών οπών, εκατέρωθεν της τεχνητής ρωγμής, όπως ακριβώς έχει περιγραφεί στις προηγούμενες παραγράφους. Μία άποψη ενός δοκιμίου στερεωμένου επάνω σε αυτά τα εξαρτήματα παρατίθεται στην εικόνα που ακολουθεί (Εικόνα 4.8). 82

84 (α) (β) Εικόνα 4.7. (α) Τα εξαρτήματα τα οποία χρησιμοποιήθηκαν για τη συγκράτηση των δοκιμίων CT από τα στελέχη της μηχανής εφελκυσμού. (β) Ένα δοκίμιο τύπου "CT", στερεωμένο σε αυτά τα εξαρτήματα. Εικόνα 4.8. Ένα δοκίμιο τύπου CT, στερεωμένο στα στελέχη της μηχανής εφελκυσμού. 83

85 Όσον αφορά στα δοκίμια της 2 ης Ομάδας Πειραμάτων, οι παράμετροι που ορίστηκαν και σε αυτήν την περίπτωση ήταν το μέγιστο επιβαλλόμενο φορτίο, η ταχύτητα απομάκρυνσης των στελεχών της μηχανής εφελκυσμού και η ταχύτητα δειγματοληψίας των μετρήσεων της μηχανής. Επίσης, επάνω σε κάθε δοκίμιο εφελκυσμού στερεωνόταν κάθε φορά ένα επιμηκυνσιόμετρο, στο μέσο περίπου του ελεύθερου τμήματος του δοκιμίου. Ο υπολογιστής που ήταν συνδεδεμένος με τη μηχανή εφελκυσμού κατέγραφε κάθε φορά τιμές επιβαλλόμενου φορτίου, μετατόπισης, χρόνου που είχε παρέλεθει από την έναρξη της κάθε δοκιμής καθώς επίσης και τιμές παραμόρφωσης του δοκιμίου, έτσι ώστε να υπάρχει ένα μέτρο της παραμόρφωσης είχε υποστεί το κάθε δοκίμιο μέχρι τη θραύση. Σε αυτήν την περίπτωση, τα δοκίμια στερεώνονταν απευθείας στα στελέχη της μηχανής εφελκυσμού, χωρίς τη χρήση άλλων εξαρτημάτων, ενώ επίσης δε χρησιμοποιήθηκε φωτογραφική μηχανή για την καταγραφή της θραύσης των δοκιμίων. Ένα δοκίμιο τύπου "Dogbone", στερεωμένο στα στελέχη της μηχανής εφελκυσμού παρατίθεται στην Εικόνα 4.9. Εικόνα 4.9. Ένα δοκίμιο τύπου "Dogbone", στερεωμένο στη μηχανή εφελκυσμού. Διακρίνεται επίσης και το επιμηκυνσιόμετρο. 84

86 4.3 Μεταλλογραφική Παρατήρηση της Συγκόλλησης Πέραν των δοκιμίων που κόπηκαν από τις συγκολλημένες πλάκες για την εκτέλεση των δοκιμών εφελκυσμού, κόπηκαν επίσης και άλλα τμήματα, προκειμένου να παραχθούν από αυτά κατάλληλα δείγματα για να γίνει μεταλλογραφική παρατήρηση της συγκόλλησης, καθώς επίσης και των βασικών μετάλλων. Η διαδικασία που ακολουθήθηκε περιγράφεται στις επόμενες παραγράφους Χαρακτηρισμός της Μικροδομής Προετοιμασία των δειγμάτων Κοπή Πραγματοποιήθηκε κοπή της εκάστοτε συγκόλλησης κάθετα σε αυτήν. Η κοπή έγινε σε δύο σημεία της συγκόλλησης. Πρώτα σε σημείο που εμφανίζει επιφανειακή ατέλεια και στη συνέχεια σε σημείο όπου δεν υπάρχει επιφανειακή ατέλεια, ώστε να παρατηρηθεί η μικροδομή. Η κοπή πραγματοποιήθηκε σε δισκοτόμο Struers Discotom 50 (Εικόνα 4.10). Εικόνα Διάταξη δισκοτόμου Εγκιβωτισμός Πραγματοποιήθηκε ψυχρός εγκιβωτισμός, ο οποίος έγινε σε ειδικά καλούπια με ρητίνη ταχείας πήξεως. Λείανση (grinding) Η λείανση έγινε για την παρατήρηση της επιφάνειας των δοκιμίων. Πραγματοποιήθηκε με μηχανική μέθοδο (Εικόνα 4.11), όπου χρησιμοποιήθηκαν 85

87 λειαντικά χαρτιά με σκληρούς κόκκους SiC, των οποίων η αποξεστική δράση εξαλείφει τις επιφανειακές ανωμαλίες που έχουν μέγεθος μεγαλύτερο του μέσου μεγέθους των λειαντικών κόκκων. Επίσης, έγινε χρήση νερού ως ψυκτικό μέσο, αλλά και για λίπανση. Χρησιμοποιήθηκαν χαρτιά με ολοένα μικρότερους κόκκους, ώστε η λείανση να γίνεται πιο λεπτομερής. Το τελικό στάδιο περιλαμβάνει τη στίλβωση, όπου έγινε λείανση σε ειδικά βελούδα με τη βοήθεια κολλοειδούς διαλύματος. Αναλυτικά, τα στάδια λείανσης και στίλβωσης έχουν ως εξής: 1) 120 Grit (περίπου 125 μm) Λιπαντικό/Ψυκτικό: Νερό 2) 220 Grit Λιπαντικό/Ψυκτικό: Νερό 3) 320 Grit Λιπαντικό/Ψυκτικό: Νερό 4) 800 Grit Λιπαντικό/Ψυκτικό: Νερό 5) 1000 Grit Λιπαντικό/Ψυκτικό: Νερό 6) 1200 Grit (περίπου 14 μm) Λιπαντικό/Ψυκτικό: Νερό Τα δείγματα ξεπλύθηκαν με νερό. Στίλβωση 1 0 Στάδιο. α) Στιλβωτικό μέσω: Αιώρημα αλούμινας κοκκομετρίας 1μm. β) Λειαντικός δίσκος: Βελούδο DPNA 2 0 Στάδιο. α) Στιλβωτικό μέσω: Αιώρημα αλούμινας κοκκομετρίας 0,1 μm. β) Λειαντικός δίσκος: Βελούδο DPNA Μετά από κάθε στάδιο της στίλβωσης, τα δοκίμια ξεπλύθηκαν με νερό, αιθανόλη, για να αποφευχθεί η οξείδωση, και στεγνώθηκαν με ζεστό αέρα. 86

88 Εικόνα Διάταξη λείανσης τύπου Struers LABOPOL-5. Χημική προσβολή Για την προσβολή τους, τα δοκίμια εμβαπτίστηκαν για 3 δευτερόλεπτα στο εξής διάλυμα: α) 20 ml αντιδραστήριο Poulton s, β) 10 ml HNO 3, γ) 16 ml διαλύματος 3gr Cr 2 O 3 /10ml H 2 O. (αντί των 3gr HCr /10ml H 2 O σύμφωνα με το ASM handbook) δ) Τα 20 ml αντιδραστηρίου Poulton s αποτελούνται από 12 ml HCl, 6 ml HNO 3, 1 ml HF και 1ml H 2 O. Με τον τρόπο αυτό ήταν δυνατή η παρατήρηση των κόκκων, αφού το συγκεκριμένο αντιδραστήριο προσβάλει επιλεκτικά τους κόκκους ανάλογα με τον προσανατολισμό τους Οπτική Μικροσκοπία Η οπτική μικροσκοπία είναι μέθοδος παρατήρησης και ερμηνείας μικροδομής των υλικών. Χρησιμοποιείται μεταλλογραφικό μικροσκόπιο που έχει για πηγή ακτινοβολίας λευκό φως, η διακριτική ικανότητα είναι περίπου 200 nm και το βάθος του πεδίου της ίδιας περίπου τάξης μεγέθους. Χρησιμοποιείται πολωμένο φως με παρεμβολή κατάλληλων πολωτών, μεταξύ του συμπυκνωτή φακού και του ημιανακλαστού κατόπτρου του οπτικού μικροσκοπίου και μεταξύ του αντικειμενικού και του προσοφθάλμιου φακού. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία επίπεδα 87

89 πολωμένου φωτός με κάποια διαφορά φάσης που αποκτά έπειτα από την ανάκλασή του στην επιφάνεια του υλικού.. Η αλληλεπίδραση της πολωμένης δέσμης φωτός με μια κρυσταλλογραφικά πολυφασική ή ανισότροπη μεταλλική επιφάνεια, προκαλεί τη διαφορική ανάκλαση και απεικόνιση των περιοχών που ανήκουν σε διαφορετικό κρυσταλλικό πλέγμα ή έχουν διαφορετικό κρυσταλλογραφικό προσανατολισμό. Χρησιμοποιήθηκε ανάστροφο μεταλλογραφικό μικροσκόπιο (inverted metallographic microscope) Leica DMICM μεγεθυντικής ικανότητας 100 και ψηφιακή βιντεοκάμερα Leica (Εικόνα 4.12). Εικόνα Οπτικό μικροσκόπιο τύπου Leica DMICM Στερεοσκοπία Το στερεοσκόπιο βρίσκει εφαρμογές εκεί που χρειάζεται να παρατηρηθεί σε μεγέθυνση η εξωτερική μορφολογία ενός αντικείμενου ή ιστού, όταν χρησιμοποιείται προσπίπτων ή πλάγιος φωτισμός οργανισμού, ή η εσωτερική μορφολογία διαφανών ή διαφανοποιημένων παρασκευασμάτων, όταν αυτά φωτίζονται από κάτω. Με αυτό το όργανο επιτυγχάνεται στερεοσκοπική σε τμήμα του δείγματος από διαφορετική γωνία. Τα στερεοσκόπια είτε έχουν αντικειμενικούς φακούς σταθερής εστιακής απόστασης (μεγέθυνσης) είτε μεταβαλλόμενης (zoom). Συνήθως τα όργανα αυτά μπορούν να μεγεθύνουν μέχρι περίπου x80, γιατί μεγαλύτερες μεγεθύνσεις έχουν πολύ μικρό βάθος εστίασης και επομένως οι εικόνες δε μπορούν πλέον να θεωρηθούν στερεοσκοπικές. Το παρασκεύασμα, συνήθως, δε χρειάζεται καμία προετοιμασία και μπορεί να παρατηρηθεί, αρκεί να μπορεί να τοποθετηθεί στο οπτικό πεδίο του μικροσκοπίου. Στην περίπτωση αυτή, έγινε χρήση στερεοσκοπίου τύπου Leica MZ6 για την παρατήρηση της επιφάνειας της συγκόλλησης, καθώς και για την παρατήρηση της επιφάνειας των λειασμένων δοκιμίων, όπου γίνεται εμφανής η ζώνη ανάδευσης (Εικόνα 4.13). 88

90 Εικόνα Στεροσκόπιο τύπου Leica MZ Μεταλλογραφικές Παρατηρήσεις Όπως φαίνεται και από τις Εικόνες 4.14 έως 4.18, η μικροδομή του βασικού μετάλλου αποτελείται από μερικώς επιμηκυμένους κόκκους εξαιτίας της κατεργασίας ενδοτράχυνσης που έχει υποστεί το υλικό. Ευδιάκριτες είναι γενικά και οι γραμμές πλαστικής παραμόρφωσης λόγω ακριβώς της κατεργασίας αυτής. Μάλιστα, στην περίπτωση του κράματος 1561, οι γραμμές αυτές είναι πιο έντονες, όπως άλλωστε και ο προσανατολισμός των κόκκων, γεγονός που υποδεικνύει μεγαλύτερο βαθμό ενδοτράχυνσης για το κράμα αυτό σε σύγκριση με τα κράματα 5083-Η111 και Η

91 Εικόνα Κράμα 1561 (περιοχή με βέλος: γραμμη πλαστικής παραμόρφωσης), μεγέθυνση x100. Εικόνα Κράμα 1561(περιοχή με βέλος: γραμμή πλαστικής παραμόρφωσης), μεγέθυνση x

92 Εικόνα Κράμα 1561 (περιοχή με βέλος: γραμμη πλαστικής παραμόρφωσης), μεγέθυνση x500. Εικόνα Κράμα 5083-Η321, μεγέθυνση x

93 Εικόνα Κράμα 5083-Η111, μεγέθυνση x100. Όπως παρατηρούμε στις Εικόνες 4.19 έως 4.23, καθώς η απόσταση από τον άξονα συγκόλλησης μειώνεται, παρατηρείται ανακρυστάλλωση των κόκκων. Στην αρχική μικροδομή του βασικού μετάλλου εμφανίζεται ελάχιστος αριθμός ισοαξονικών κόκκων. Καθώς όμως η απόσταση από τον άξονα συγκόλλησης συνεχίζει να μειώνεται, το ποσοστό αυτό σταδιακά αυξάνει ορίζοντας τη θερμικά επηρεασμένη ζώνη Θ.Ε.Ζ.. Στην περιοχή της Θ.Ε.Ζ., πολύ κοντά στη ζώνη σύνδεσης με το μέταλλο συγκόλλησης (Μ.Σ.), οι κόκκοι εμφανίζονται ισοαξονικοί, υποδηλώνοντας πλήρη ανακρυστάλλωση. Σε ότι αφορά στο Μ.Σ., στην περιοχή της ζώνης σύνδεσης με τη Θ.Ε.Ζ. παρατηρούνται κολονοειδούς μορφής κόκκοι, επιμήκεις, κυψελοειδούς δενδριτικής ανάπτυξης. Η ανάπτυξη τους εμφανίζεται κάθετη στα όρια της ζώνης στερεοποίησης, ακολουθώντας προφανώς την κατεύθυνση της μέγιστης θερμοκρασιακής μεταβολής. Στο κέντρο του Μ.Σ., οι κόκκοι εμφανίζονται ευμεγέθεις και ισοαξονικοί κυτταροειδούς μορφής και δενδριτικής ανάπτυξης. Κατά την παρατήρηση της μικροδομής, δεν παρατηρήθηκαν σε καμιά περιοχή μικρορωγμές, ενώ στο μέταλλο συγκόλλησης δεν παρατηρήθηκε ουσιαστική συγκέντρωση μικροπόρων, καθώς όπου αυτοί παρατηρήθηκαν ήταν μεμονωμένοι και διασκορπισμένοι σε τυχαίες περιοχές. 92

94 Μ.Σ. Θ.Ε. Εικόνα Μέταλλο συγκόλλησης, στην περιοχή της ζώνης σύνδεσης (λευκή έντονη γραμμή) με τη θερμικά επηρεασμένη ζώνη, μεγέθυνση x100 (αντιπροσωπευτικό για όλες τις συγκολλήσεις και για τα δύο υλικά). Μ.Σ. Θ.Ε. Εικόνα Μέταλλο συγκόλλησης. Στην περιοχή της ζώνης τα μαύρα βέλη υποδηλώνουν την κατεύθυνση της μέγιστης θερμοκρασιακής μεταβολής κατά τη στερεοποίηση, μεγέθυνση x200 (αντιπροσωπευτικό για όλες τις συγκολλήσεις και για τα δύο υλικά) 93

95 Εικόνα Κέντρο μετάλλου συγκόλλησης, μεγέθυνση x100 (αντιπροσωπευτικό για όλες τις συγκολλήσεις). Εικόνα Κέντρο μετάλλου συγκόλλησης, μεγέθυνση x200 (αντιπροσωπευτικό για όλες τις συγκολλήσεις). 94

96 Εικόνα Πόροι, μεγέθυνση x200 (αντιπροσωπευτικό για όλες τις συγκολλήσεις) Περιγραφή των Δοκιμών της Πειραματικής Διαδικασίας και Ανάλυση των Πειραματικών Αποτελεσμάτων Στις ενότητες που ακολουθούν γίνεται η περιγραφή των δοκιμών που έλαβαν χώρα κατά τη διάρκεια της πειραματικής διαδικασίας και γίνεται παράθεση και ανάλυση των αποτελεσμάτων που συγκεντρώθηκαν από τις δοκιμές αυτές. Η πειραματική διαδικασία, όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως, είναι χωρισμένη σε τρεις ομάδες πειραμάτων, οι οποίες παρουσιάζονται αναλυτικά στη συνέχεια. 95

97 η Ομάδα Πειραμάτων: Δοκιμές εφελκυσμού σε συμπαγή, ενισχυμένα δοκίμια εφελκυσμού «τύπου CT» (Compact Tension) Σκοπός των πειραμάτων και γενικές πληροφορίες για τα δοκίμια Σκοπός αυτής της ομάδας πειραμάτων είναι η παρατήρηση της διάδοσης της ρωγμής σε συμπαγή, ενισχυμένα δοκίμια εφελκυσμού μικρής κλίμακας «τύπου CT» (Compact Tension), στα οποία έχει προκατασκευαστεί μία τεχνητή, διαμπερής ρωγμή. Η ρωγμή αυτή έχει διεύθυνση κάθετη προς το ενισχυτικό του ελάσματος και το χαρακτηριστικό της είναι ότι καταλήγει σε ημικυκλικό άκρο. Αυτή η ομάδα πειραμάτων περιλαμβάνει δοκιμές μονοαξονικού εφελκυσμού σε συμπαγή, ενισχυμένα δοκίμια εφελκυσμού τύπου CT, τα οποία αποτελούνται από το κράμα αλουμινίου 1561 και τα οποία έχουν ενισχυθεί με εξελασμένο ενισχυτικό «τύπου Τ». Τα δοκίμια αυτά είναι χωρισμένα σε δύο κατηγορίες, ανάλογα με το εάν έχουν rear plate (έλασμα πίσω από το ενισχυτικό) ή όχι. Στα δοκίμια που έχουν rear plate και τα οποία ανήκουν στην Kατηγορία A, το μήκος της αρχικής ρωγμής κατασκευάστηκε στα 61 mm, ενώ σε αυτά που δεν έχουν rear plate και τα οποία ανήκουν στην Κατηγορία Β, το μήκος της αρχικής ρωγμής κατασκευάστηκε στα 51 mm. Επίσης, στα δοκίμια και των δύο κατηγοριών, το ημικυκλικό άκρο της ρωγμής έχει ακτίνα 2,5 mm. Ακόμα, το μήκος του rear plate για τα δοκίμια της Κατηγορίας Α είναι διαφορετικού μήκους. Να σημειωθεί, επίσης, ότι στα δοκίμια και των δύο κατηγοριών ανοίχθηκαν διαμπερείς οπές, διαμέτρου 25 mm, εκατέρωθεν της αρχικής ρωγμής σε ίση απόσταση η κάθε μία από τον άξονα συμμετρίας της ρωγμής. Όπως έχει εξηγηθεί και παραπάνω, οι οπές αυτές χρησιμεύουν για τη συγκράτηση των δοκιμίων από τα στελέχη της μηχανής εφελκυσμού. Συνολικά, χρησιμοποιήθηκαν 15 δοκίμια σε αυτήν την ομάδα πειραμάτων, από τα οποία, τα 8 είχαν rear plate, ενώ τα υπόλοιπα 7 δεν είχαν rear plate. Ένα γενικό μοντέλο των δοκιμίων και των δύο κατηγοριών, μαζί με τις διαστάσεις του, παρατίθεται στα Σχήματα 4.2 και 4.3 που ακολουθούν. 96

98 Σχήμα 4.2. Γενική μορφή των ενισχυμένων δοκιμίων της Κατηγορίας Α. Σχήμα 4.3. Γενική μορφή των ενισχυμένων δοκιμίων CT της Κατηγορίας Β. 97

99 Η μορφή επιλεγμένων δοκιμίων και των δύο κατηγοριών παρατίθεται στις Εικόνες 4.24 και Εικόνα Μορφή επιλεγμένων ενισχυμένων δοκιμίων τύπου CT της Κατηγορίας Α, με διαφορετικό μήκος rear plate. Εικόνα Μορφή επιλεγμένων ενισχυμένων δοκιμίων τύπου CT της Κατηγορίας Β, χωρίς rear plate. 98

100 Ονοματολογία Δοκιμίων Η γενική ονομασία των δοκιμίων της πρώτης ομάδας πειραμάτων, που ανήκουν στην Κατηγορία Α, είναι της μορφής CTtiRP. Ο συμβολισμός CT αναφέρεται στον τύπο των δοκιμίων, δηλαδή συμπαγή δοκίμια εφελκυσμού. Το γράμμα t αναφέρεται στο ενισχυτικό, το οποίο είναι «τύπου Τ», ενώ το γράμμα i αναφέρεται στον αύξοντα αριθμό του κάθε δοκιμίου. Τέλος, ο συμβολισμός RP αναφέρεται στο γεγονός ότι τα δοκίμια αυτά έχουν rear plate πίσω από το ενισχυτικό. Η γενική ονομασία των δοκιμίων αυτής της ομάδας πειραμάτων, που ανήκουν στην Κατηγορία Β, είναι της μορφής CTtiR. Ο συμβολισμός CT αναφέρεται και εδώ στον τύπο των δοκιμίων (συμπαγή δοκίμια εφελκυσμού). Το γράμμα t αναφέρεται και εδώ στο ενισχυτικό, το οποίο είναι «τύπου Τ», και, επίσης, το γράμμα i αναφέρεται στον αύξοντα αριθμό του κάθε δοκιμίου. Τέλος, το γράμμα R αναφέρεται στο γεγονός ότι τα δοκίμια αυτά δεν έχουν rear plate πίσω από το ενισχυτικό. Τα ονόματα, καθώς επίσης και οι βασικές διαστάσεις των δοκιμίων που χρησιμοποιήθηκαν στην πειραματική διαδικασία, βρίσκονται συγκεντρωμένα στον Πίνακα 4.8. Πίνακας 4.8. Γεωμετρικά χαρακτηριστικά των δοκιμίων τύπου CTtiRP και CTtiR. Όνομα Μήκος (mm) Πλάτος (mm) Πάχος (mm) Rear Plate (mm) Μήκος Ρωγμής (mm) Άνοιγμα Ρωγμής (mm) CTt1RP , ,35 CTt2RP , ,25 CTt3RP , ,20 CTt4RP , ,25 CTt5RP , ,10 CTt6RP , ,25 CTt7RP , ,15 CTt8RP , ,30 CTt1R , ,45 CTt2R , ,40 CTt3R , ,25 CTt4R ,60 CTt5R ,30 CTt6R ,10 CTt7R , , Περιγραφή των δοκιμών Οι δοκιμές μοναξονικού εφελκυσμού σε αυτή την ομάδα πειραμάτων πραγματοποιήθηκαν για μέγιστη τιμή επιβαλλόμενου φορτίου ίση με 95 kn. Η ταχύτητα απομάκρυνσης των στελεχών της μηχανής ορίστηκε ίση με 1 mm/min, ενώ ο υπολογιστής κατέγραφε τις τιμές της μηχανής εφελκυσμού με ταχύτητα 99

101 δειγματοληψίας ίσης με 1 τιμή/sec. Η παραπάνω τιμή για την ταχύτητα απομάκρυνσης των στελεχών της μηχανής επιλέχθηκε προκειμένου να προσομοιαστεί μια κατάσταση ημι-στατικής φόρτισης. Επίσης, σύμφωνα με παρόμοιες μελέτες που πραγματοποιήθηκαν σε συμπαγή δοκίμια εφελκυσμού τύπου CT στο παρελθόν [5], [6] παρατηρήθηκε ότι, για ένα εύρος τιμών ταχύτητας απομάκρυνσης των στελεχών της μηχανής εφελκυσμού που κυμαίνεται από 0,5 έως 2,0 mm/min, δεν υπάρχει ισχυρή σχέση που να συνδέει τη μέγιστη επιβαλλόμενη δύναμη και την ταχύτητα απομάκρυνσης σε σύγκριση με λοιπές παραμέτρους. Για κάθε δειγματοληψία, τα μεγέθη που κατέγραφε ο υπολογιστής ήταν η επιβαλλόμενη δύναμη (σε kn), η μετατόπιση (σε mm) και το χρονικό διάστημα που είχε περάσει από την αρχή κάθε δοκιμής (σε sec). Η φωτογραφική μηχανή λάμβανε φωτογραφίες ανά 5 sec. Τέλος, σε όλα τα δοκίμια χαράχτηκε μία ομάδα από παράλληλες γραμμές και στις δύο πλευρές των δοκιμίων. Οι γραμμές αυτές, ξεκινώντας από τη γραμμή Ν ο 0, άρχισαν να χαράσσονται από το άκρο της αρχικής ρωγμής, σε απόσταση μεταξύ τους ίση με 5 mm, μέχρι τη γραμμή Ν ο 5, στα δοκίμια της πρώτης κατηγορίας, και μέχρι τη γραμμή Ν ο 7, στα δοκίμια της δεύτερης κατηγορίας. Επίσης, στην πίσω πλευρά των δοκιμίων χαράχτηκε μία διακοπτόμενη γραμμή, στο μέσο περίπου του ενιχυτικού, προκειμένου να υπάρχει μία ένδειξη για τη θέση του. Σκοπός αυτών των γραμμών ήταν να διευκολυνθεί η παρατήρηση και η καταγραφή της διάδοσης της ρωγμής. Να σημειωθεί σε αυτό το σημείο πως οι δοκιμές πραγματοποιούνταν εκ περιτροπής σε δοκίμια με και χωρίς rear plate, προκειμένου να υπάρχει η δυνατότητα να συγκριθεί ποιοτικά η συμπεριφορά των δύο αυτών κατηγοριών δοκιμίων στη διάδοση της ρωγμής Δοκίμιο CTt1RP Η έναρξη της ρωγμής σε αυτό το δοκίμιο παρατηρήθηκε πλησίον του μέσου του ημικυκλικού άκρου, για τιμή επιβαλλόμενου φορτίου ίση 11,87 kn και για μετατόπιση ίση με 4,78 mm, 287 sec μετά την έναρξη της δοκιμής. Η ρωγμή, αρχικά, διαδόθηκε σε διεύθυνση κάθετη ως προς τη διεύθυνση της επιβαλλόμενης φόρτισης, ωστόσο, λίγο μετά απέκτησε κλίση προς τα κάτω. Στα μέσα της απόστασης ανάμεσα στη γραμμή Ν ο 0 και Ν ο 1, σε απόσταση 2,5 mm από το ημικυκλικό άκρο, η κλίση της μειώθηκε. Η ρωγμή συνέχισε να διαδίδεται με συνεχώς μειούμενη κλίση μέχρι και τη γραμμή Ν ο 3. Από τη γραμμή αυτή μέχρι και τη γραμμή Ν ο 4, για απόσταση 5 mm, η ρωγμή διαδόθηκε σε διεύθυνση κάθετη προς τη διεύθυνση της επιβαλλόμενης φόρτισης. Στο σημείο αυτό η ρωγμή απέκτησε κλίση, αντίθετη σε σχέση με προηγουμένως. Η ρωγμή διατήρησε αυτή την πορεία μέχρι και μετά τη γραμμή Ν ο 5, σε απόσταση 30 mm από το ημικυκλικό άκρο. Στο σημείο άλλαξε απότομα διεύθυνση και συνέχισε να διαδίδεται προς τα πάνω, παράλληλα με το ενισχυτικό. Η πορεία αυτή διατηρήθηκε μέχρι το τέλος της δοκιμής. Στις Εικόνες 4.26 και 4.27, αντίστοιχα, παρατίθεται τμηματικά η πορεία της διάδοσης της ρωγμής και η μορφή του δοκιμίου μετά το τέλος της δοκιμής. Το διάγραμμα δύναμης μετατόπισης του δοκιμίου παρουσιάζεται στο Σχήμα 4.4. Η κορυφή του διαγράμματος αντιστοιχεί στο ζεύγος δύναμης-μετατόπισης στο οποίο παρατηρείται η έναρξη της θραύσης του δοκιμίου. 100

102 (0) (1) (2) (3) (4) (5) Εικόνα Πορεία διάδοσης της ρωγμής του ενισχυμένου δοκιμίου CTt1RP (ξεκινώντας από την επάνω σειρά, από αριστερά προς τα δεξιά): (1) Έναρξη της ρωγμής, διάδοση αρχικά κάθετα στη φόρτιση, συνέχιση έπειτα υπό κλίση. (2) Η ρωγμή διαδίδεται με διαρκώς μειούμενη κλίση μέχρι τη γραμμή Ν ο 3. (3) Ανάμεσα στις γραμμές Ν ο 3 και Ν ο 4, διαδίδεται κάθετα στη φόρτιση και από εκεί και έπειτα με κλίση αντίθετη με προηγουμένως. (4) Η ρωγμή μετά τη γραμμή Ν ο 5 διαδίδεται παράλληλα με το ενισχυτικό. (5) Η ρωγμή διατηρεί την ίδια πορεία μέχρι την ολοκλήρωση της δοκιμής. Εικόνα Μορφή του ενισχυμένου δοκιμίου CTt1RP μετά το τέλος της δοκιμής μοναξονικού εφελκυσμού. 101

103 Δοκίμιο CTt1RP Δύναμη [kn] Μετατόπιση [mm] Σχήμα 4.4. Διάγραμμα δύναμης-μετατόπισης του ενισχυμένου δοκιμίου CTt1RP, μετά το τέλος την ολοκλήρωση της δοκιμής μονοαξονικού εφελκυσμού Δοκίμιο CTt1R Η έναρξη της ρωγμής στο δοκίμιο αυτό παρατηρήθηκε στο μέσο του ημικυκλικού άκρου, για τιμή επιβαλλόμενου φορτίου ίση με 13,6 kn και για μετατόπιση ίση με 3,73 mm, 226 sec μετά την έναρξη της δοκιμής. Η ρωγμή αρχικά διαδόθηκε σε διεύθυνση κάθετη προς αυτή της επιβαλλόμενης δύναμης μέχρι τη γραμμή Ν ο 1, σε απόσταση 5 mm από το ημικυκλικό άκρο. Από το σημείο αυτό και έπειτα συνέχισε να διαδίδεται υπό κλίση προς τα πάνω. Η διεύθυνση αυτή διατηρήθηκε μέχρι και τη γραμμή Ν ο 5, 25 mm από ημικυκλικό άκρο. Στο σημείο αυτό παρατηρήθηκε μιά μικρή μεταβολή στην πορεία τη ρωγμής, ωστόσο αυτή συνέχισε να διαδίδεται υπό την ίδια κλίση μέχρι τη μέση της απόστασης ανάμεσα στη γραμμή Ν ο 5 και Ν ο 6, σε απόσταση 27,5 mm από ημικυκλικό άκρο. Στο σημείο αυτό η κλίση της ρωγμής αυξήθηκε και συνέχισε αυξανόμενη μέχρι και τη γραμμή Ν ο 6, σε απόσταση 30 mm από το ημικυκλικό άκρο. Από εκεί και έπειτα, η ρωγμή διατήρησε την ίδια κλίση και συνέχισε να διαδίδεται, σχεδόν παράλληλα με το ενισχυτικό, μέχρι το τέλος της δοκιμής. Στις Εικόνες 4.28 και 4.29, αντίστοιχα, παρατίθεται τμηματικά η πορεία της διάδοσης της ρωγμής και η μορφή του δοκιμίου μετά το τέλος της δοκιμής. Το διάγραμμα δύναμης-μετατόπισης του δοκιμίου παρουσιάζεται στο Σχήμα 4.5. Η κορυφή του διαγράμματος αντιστοιχεί στο ζεύγος δύναμης-μετατόπισης, στο οποίο παρατηρείται η έναρξη της θραύσης του δοκιμίου. 102

104 (0) (1) (2) (3) (4) (5) Εικόνα Πορεία διάδοσης της ρωγμής του ενισχυμένου δοκιμίου CTt1R (ξεκινώντας από την επάνω σειρά, από αριστερά προς τα δεξιά): (1) Έναρξη της ρωγμής και διάδοσή της κάθετα στη φόρτιση μέχρι τη γραμμή Ν ο 1. (2) Από τη γραμμή Ν ο 1 και μετά η ρωγμή διαδίδεται με κλίση προς τα πάνω. (3) Μικρή αλλαγή της πορείας της ρωγμής στη γραμμή Ν ο 5. (4) Η κλίση της ρωγμής αυξάνεται διαρκώς μέχρι τη γραμμή Ν ο 6. (5) Από τη γραμμή Ν ο 6 και μετά η ρωγμή διαδίδεται σχεδόν παράλληλα με το ενισχυτικό. Εικόνα Μορφή του ενισχυμένου δοκιμίου CTt1R μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής μοναξονικού εφελκυσμού. 103

105 Δοκίμιο CTt1R Δύναμη [kn] Μετατόπιση [mm] Σχήμα 4.5. Διάγραμμα δύναμης-μετατόπισης του ενισχυμένου δοκιμίου CTt1R, μετά το τέλος της δοκιμής μονοαξονικού εφελκυσμού Δοκίμιο CTt2RP Στο δοκίμιο αυτό η έναρξη της ρωγμής παρατηρήθηκε στην περιοχή του μέσου του ημικυκυκλικού άκρου, για τιμή επιβαλλόμενου φορτίου ίση με 12,18 kn και για μετατόπιση ίση με 4,02 mm, 244 sec μετά την έναρξη της δοκιμής. Η ρωγμή άρχισε να διαδίδεται αρχικά κάθετα προς τη διεύθυνση του επιβαλλόμενου φορτίου και αμέσως μετά υπό κλίση προς τα επάνω. Η διεύθυνση αυτή διατηρήθηκε μέχρι και λίγο πιο μετά από τη γραμμή Ν ο 5, σε απόσταση 27,5 mm από ημικυκλικό άκρο της ρωγμής. Στο σημείο αυτό η ρωγμή άλλαξε απότομα διεύθυνση και συνέχισε να διαδίδεται προς τα επάνω αλλά αυτή φορά παράλληλα με το ενισχυτικό και συνεπώς, παράλληλα με τη διεύθυνση της επιβαλλόμενης φόρτισης. Η διεύθυνση αυτή διατηρήθηκε μέχρι και το τέλος της δοκιμής. Στις Εικόνες 4.30 και 4.31, αντίστοιχα, παρατίθεται τμηματικά η πορεία της διάδοσης της ρωγμής και η μορφή του δοκιμίου μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής. Το διάγραμμα δύναμης- μετατόπισης του δοκιμίου παρουσιάζεται στο Σχήμα 4.6. Η κορυφή του διαγράμματος αντιστοιχεί στο ζεύγος δύναμης-μετατόπισης, στο οποίο παρατηρείται η έναρξη της θραύσης του δοκιμίου. 104

106 (0) (1) (2) (3) (4) (5) Εικόνα Πορεία διάδοσης της ρωγμής του ενισχυμένου δοκιμίου CTt2RP (ξεκινώντας από την επάνω σειρά, από αριστερά προς τα δεξιά): (1) Έναρξη της ρωγμής κάθετα στη φόρτιση και στη συνέχεια διάδοση υπό κλίση προς τα επάνω. (2) Συνέχιση της διάδοσης υπό την ίδια κλίση. (3) Η γωνία αυτή διατηρείται μέχρι και λίγο πιο μετά από τη γραμμή Ν ο 5. (4) Στο σημείο αυτό η ρωγμή αλλάζει διεύθυνση και διαδίδεται παράλληλα με το ενισχυτικό. (5) Η διεύθυνση αυτή διατηρείται μέχρι την ολοκλήρωση της δοκιμής. Εικόνα Μορφή του ενισχυμένου δοκιμίου CTt2RP μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής μοναξονικού εφελκυσμού. 105

107 Δοκίμιο CTt2RP Δύναμη [kn] Μετατόπιση [mm] Σχήμα 4.6. Διάγραμμα δύναμης-μετατόπισης του ενισχυμένου δοκιμίου CTt2RP, μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής μονοαξονικού εφελκυσμού Δοκίμιο CTt2R Η έναρξη της ρωγμής στο δοκίμιο αυτό παρατηρήθηκε στο μέσο του ημικυκλικού άκρου, για τιμή επιβαλλόμενου φορτίου ίση με 13,41 kn και για μετατόπιση ίση με 3,5 mm, 212 sec μετά την έναρξη της δοκιμής. Η ρωγμή άρχισε να διαδίδεται σε διεύθυνση κάθετη προς τη διεύθυνση της επιβαλλόμενης φόρτισης μέχρι τα μέσα της απόστασης ανάμεσα στη γραμμή Ν ο 0 και Ν ο 1, σε απόσταση 2,5 mm περίπου από το ημικυκλικό άκρο. Στο σημείο αυτό, η ρωγμή απέκτησε κλίση προς τα κάτω, την οποία και διατήρησε μέχρι τα μέσα της απόστασης ανάμεσα στις γραμμές Ν ο 4 και Ν ο 5, σε απόσταση 22,5 mm από το ημικυκλικό άκρο. Στο σημείο αυτό, η ρωγμή άλλαξε διεύθυσνη και συνέχισε να διαδίδεται προς τα κάτω, παράλληλα με τη διεύθυνση της επιβαλλόμενης φόρτισης, για μικρό χρονικό διάστημα. Στη συνέχεια, απέκτησε πάλι κλίση, ίδιας φοράς άλλα μεγαλύτερη σε σχέση με προηγουμένως μέχρι τη γραμμή Ν ο 5, σε απόσταση 25 mm από το ημικυκλικό άκρο. Στο σημείο αυτό, η κλίση ελαττώθηκε και διατηρήθηκε σε αυτό το μέτρο μέχρι τη γραμμή Ν ο 6, σε απόσταση 30 mm από το ημικυκλικό άκρο. Στο σημείο αυτό η κλίση αυξήθηκε εκ νέου και διατηρήθηκε μέχρι τη γραμμή Ν ο 7, σε απόσταση 35 mm από το ημικυκλικό άκρο. Στο σημείο αυτό, η ρωγμή άλλαξε πάλι κλίση και αυτή τη φορά συνέχισε να διαδίδεται προς τα κάτω, παράλληλα με το ενισχυτικό. Τη διεύθυνση αυτή τη διατήρησε μέχρι το τέλος της δοκιμής. Στις Εικόνες 4.32 και 4.33, αντίστοιχα, παρατίθεται τμηματικά η πορεία της διάδοσης της ρωγμής και η μορφή του δοκιμίου μετά το τέλος της δοκιμής. Το διάγραμμα δύναμης- μετατόπισης του δοκιμίου παρουσιάζεται στο Σχήμα 4.7. Η κορυφή του διαγράμματος αντιστοιχεί στο ζεύγος δύναμης-μετατόπισης, στο οποίο παρατηρείται η έναρξη της θραύσης του δοκιμίου. Επίσης, η δεύτερη κορυφή που παρατηρείται στο διάγραμμα, στην περιοχή ανάμεσα στα 2 και 4 kn, αντιστοιχεί στην αλλαγή πορείας που έλαβε χώρα ανάμεσα στις γραμμές Ν ο 4 και Ν ο 5, όπως περιγράφεται στην Εικ

108 (0) (1) (2) (3) (4) (5) Εικόνα Πορεία διάδοσης της ρωγμής του ενισχυμένου δοκιμίου CTt2R (ξεκινώντας από την επάνω σειρά, από αριστερά προς τα δεξιά): (1) Έναρξη της ρωγμής και διάδοσή κάθετα στη φόρτιση μέχρι το μέσο της απόσταση ανάμεσα στις γραμμές Ν ο 0 και Ν ο 1 και στη συνέχεια διάδοση υπό κλίση. (2) Διατήρηση της πορείας μέχρι το μέσο της απόστασης ανάμεσα στις γραμμές Ν ο 4 και Ν ο 5 και στη συνέχεια διάδοση προς τα κάτω παράλληλα με τη φόρτιση. (3) Συνέχιση υπο κλίση μέχρι τη γραμμή Ν ο 5. Ελάττωση της κλίσης από τη γραμμή Ν ο 5 μέχρι τη γραμμή Ν ο 6. (4) Νέα αύξηση της κλίσης ανάμεσα στη γραμμή Ν ο 6 και Ν ο 7. (5) Διάδοση της ρωγμής προς τα κάτω, παράλληλα με το ενισχυτικό, μέχρι την ολοκλήρωση της δοκιμής. Εικόνα Μορφή του ενισχυμένου δοκιμίου CTt2R μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής μοναξονικού εφελκυσμού. 107

109 Δοκίμιο CTt2R Δύναμη [kn] Μετατόπιση [mm] Σχήμα 4.7. Διάγραμμα δύναμης-μετατόπισης του ενισχυμένου δοκιμίου CTt2R, μετά το τέλος της δοκιμής μονοαξονικού εφελκυσμού Δοκίμιο CTt3RP Στο δοκίμιο αυτό, η έναρξη της ρωγμής παρατηρήθηκε στο μέσο του ημικυκλικού άκρου, για τιμή επιβαλλόμενου φορτίου ίση με 12,13 kn και μετατόπιση ίση με 4,22 mm, 255 sec μετά την έναρξη της δοκιμής. Η ρωγμή διαδόθηκε σε διεύθυνση κάθετη προς τη διεύθυνση της επιβαλλόμενης φόρτισης, μέχρι το μέσο της απόσταση ανάμεσα στις γραμμές Ν ο 0 και Ν ο 1, σε απόσταση 2,5 mm από το ημικυκλικό άκρο. Από το σημείο αυτό, η ρωγμή συνέχισε να διαδίδεται προς τα κάτω υπό κλίση. Λίγο πριν τη γραμμή Ν ο 1, η ρωγμή απέκτησε απότομα αντίθετη σε σχέση με προηγουμένως κλίση, την οποία και διατήρησε μέχρι και λίγο πιο μετά από τη γραμμή Ν ο 1. Στο σημείο αυτό, η ρωγμή απέκτησε νέα κλίση, αυτή τη φορά αντίθετη με προηγουμένως, την οποία και διατήρησε μέχρι τη γραμμή Ν ο 4, σε απόσταση 20 mm από το ημικυκλικό άκρο. Στο σημείο αυτό, η κλίση της ρωγμής αυξήθηκε απότομα και συνέχισε να διαδίδεται παράλληλα προς τη διεύθυνση της επιβαλλόμενης φόρτισης. Η κλίση αυτή ελαττώθηκε, με αποτέλεσμα η ρωγμή να ξεπεράσει τη γραμμή Ν ο 4, ωστόσο λίγο αργότερα αυξήθηκε εκ νέου με αποτέλεσμα η ρωγμή να διαδοθεί παράλληλα με το ενισχυτικό μέχρι το τέλος της δοκιμής. Στις Εικόνες 4.34 και 4.35, αντίστοιχα, παρατίθεται τμηματικά η πορεία της διάδοσης της ρωγμής και η μορφή του δοκιμίου μετά το τέλος της δοκιμής. Το διάγραμμα δύναμης-μετατόπισης του δοκιμίου παρουσιάζεται στο Σχήμα 4.8. Η κορυφή του διαγράμματος αντιστοιχεί στο ζεύγος δύναμης-μετατόπισης, στο οποίο παρατηρείται η έναρξη της θραύσης του δοκιμίου. 108

110 (0) (1) (2) (3) (4) (5) Εικόνα Πορεία διάδοσης της ρωγμής του ενισχυμένου δοκιμίου CTt3RP (ξεκινώντας από την επάνω σειρά, από τα αριστερά προς τα δεξιά): (1) Έναρξη της ρωγμής και διάδοσή της κάθετα προς τη φόρτιση μέχρι το μέσο της απόστασης ανάμεσα στις γραμμές Ν ο 0 και Ν ο 1. Συνέχιση από αυτό το σημείο υπό κλίση. (2) Αλλαγή διεύθυνσης και συνέχιση υπό αντίθετη κλίση μέχρι τη γραμμή Ν ο 1. Νέα αλλαγή διεύθυνσης και συνέχιση με κλίση ίδια με την αρχική. (3) Διατήρηση της διεύθυνσης αυτής μέχρι τη γραμμή Ν ο 4. (4) Αύξηση της κλίσης της ρωγμής και συνέχιση παράλληλα με τη φόρτιση. Η κλίση της ρωγμής ελαττώνεται και η ρωγμή ξεπερνά τη γραμμή Ν ο 4. (5) Η κλίση της ρωγμής αυξάνεται εκ νέου και η ρωγμή διαδίδεται προς κάτω, παράλληλα με το ενισχυτικό, μέχρι την ολοκλήρωση της δοκιμής. Εικόνα Μορφή του ενισχυμένου δοκιμίου CTt3RP μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής μοναξονικού εφελκυσμού. 109

111 Δοκίμιο CTt3RP Δύναμη [kn] Μετατόπιση [mm] Εικόνα 4.8. Διάγραμμα δύναμης-μετατόπισης του ενισχυμένου δοκιμίου CTt3RP μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής μονοαξονικού εφελκυσμού Δοκίμιο CTt3R Στο δοκίμιο αυτό, η έναρξη της ρωγμής παρατηρήθηκε στο μέσο του ημικυκλικού άκρου, για τιμή επιβαλλόμενου φορτίου ίση με 13,84 kn και για μετατόπιση ίση με 3,83 mm, 232 sec μετά την έναρξη της δοκιμής. Η ρωγμή άρχισε να διαδίδεται προς τα πάνω υπό κλίση, την οποία και διατήρησε μέχρι τη γραμμή Ν ο 5, σε απόσταση 25 mm από το ημικυκλικό άκρο. Στο σημείο αυτό, η κλίση της ρωγμής αυξήθηκε απότομα και η ρωγμή συνέχισε να διαδίδεται σχεδόν παράλληλα με το ενισχυτικό. Η διεύθυνση αυτή διατηρήθηκε μέχρι την ολοκλήρωση της δοκιμής. Στις Εικόνες 4.36 και 4.37, αντίστοιχα, παρατίθεται τμηματικά η πορεία της διάδοσης της ρωγμής και η μορφή του δοκιμίου μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής. Το διάγραμμα δύναμης-μετατόπισης του δοκιμίου παρουσιάζεται στο Σχήμα 4.9. Η κορυφή του διαγράμματος αντιστοιχεί στο ζεύγος δύναμης-μετατόπισης, στο οποίο παρατηρείται η έναρξη της θραύσης του δοκιμίου. 110

112 (0) (1) (2) (3) (4) (5) Εικόνα Πορεία διάδοσης της ρωγμής του δοκιμίου CTt3R (ξεκινώντας από την επάνω σειρά, από αριστερά προς τα δεξιά): (1) Έναρξη της ρωγμής υπό κλίση. (2) Η ρωγμή διατηρεί την ίδια διεύθυνση. (3) Η ρωγμή συνεχίζει να διαδίδεται με την ίδια κλίση μέχρι τη γραμμή Ν ο 5, όπου και αλλάζει διεύθυνση. (4) Η κλίση της ρωγμής αυξάνεται σημαντικά και η ρωγμή συνεχίζει να διαδίδεται σχεδόν παράλληλα με το ενισχυτικό. (5) Η ρωγμή διατηρεί την ίδια διεύθυνση μέχρι την ολοκλήρωση της δοκιμής. Εικόνα Μορφή του ενισχυμένου δοκιμίου CTt3R μετά την ολοκλήρωσητης δοκιμής μοναξονικού εφελκυσμού 111

113 Δοκίμιο CTt3R Δύναμη [kn] Μετατόπιση [mm] Εικόνα 4.9. Διάγραμμα δύναμης-μετατόπισης του ενισχυμένου δοκιμίου CTt3R μετά το τέλος της δοκιμής μονοαξονικού εφελκυσμού Δοκίμιο CTt4RP Στο δοκίμιο αυτό η θραύση παρατηρείται στην περιοχή κοντά στο ημικυκλικό άκρο, για τιμή επιβαλλόμενου φορτίου ίση με 11,91 kn και για μετατόπιση ίση με 4,63 mm, 280 sec μετά την έναρξη της δοκιμής. Η ρωγμή αρχικά διαδόθηκε σε διεύθυνση κάθετη προς αυτήν της επιβαλλόμενης δύναμης μέχρι το μέσο της απόστασης ανάμεσα στις γραμμές Ν ο 0 και Ν ο 1, 2,5 mm από το ημικυκλικό άκρο. Στο σημείο αυτό, η ρωγμή απέκτησε κλίση προς τα επάνω, η οποία αυξήθηκε μετά τη γραμμή Ν ο 1, σε απόσταση 5 mm από το ημικυκλικό άκρο. Η κλίση αυτή διατηρήθηκε μέχρι το μέσο της απόστασης ανάμεσα στις γραμμές Ν ο 3 και Ν ο 4, σε απόσταση 17,5 mm περίπου από το ημικυκλικό άκρο. Στο σημείο αυτό, η ρωγμή άλλαξε απότομα διεύθυνση και συνέχισε να διαδίδεται παράλληλα με τη διεύθυνση της επιβαλλόμενης φόρτισης. Λίγο αργότερα, η ρωγμή απέκτησε εκ νέου κλίση προς τα πάνω, την οποία και διατήρησε αυτή τη φορά μεχρι τα μέσα της απόστασης ανάμεσα στις γραμμές Ν ο 4 και Ν ο 5, 22,5 mm από το ημικυκλικό άκρο. Στο σημείο αυτό, η ρωγμή άλλαξε πάλι απότομα διεύθυνση και συνέχισε να διαδίδεται παράλληλα με το ενισχυτικό. Η διεύθυνση αυτή της ρωγμής διατηρήθηκε μέχρι την ολοκλήρωση της δοκιμής. Στις Εικόνες 4.38 και 4.39, αντίστοιχα, παρατίθεται τμηματικά η πορεία της διάδοσης της ρωγμής και η μορφή του δοκιμίου μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής. Το διάγραμμα δύναμης-μετατόπισης του δοκιμίου παρουσιάζεται στο Σχήμα Η κορυφή του διαγράμματος αντιστοιχεί στο ζεύγος δύναμης-μετατόπισης, στο οποίο παρατηρείται η έναρξη της θραύσης του δοκιμίου. Επίσης, η κορυφή που παρατηρείται στο διάγραμμα ανάμεσα στα 4 και 6 kn αντιστοιχεί στην αλλαγή πορείας που έλαβε χώρα ανάμεσα στις γραμμές Ν ο 3 και Ν ο 4, όπως περιγράφεται στην Εικόνα

114 (0) (1) (2) (3) (4) (5) Εικόνα Πορεία διάδοσης της ρωγμής του ενισχυμένου δοκιμίου CTt4RP (ξεκινώντας από την επάνω σειρά, από αριστερά προς τα δεξιά): (1) Έναρξη της ρωγμής κάθετα προς τη φόρτιση. Συνέχιση από το μέσο της απόστασης ανάμεσα στις γραμμές Ν ο 0 και Ν ο 1 με κλίση προς τα επάνω. (2) Αύξηση της κλίσης από τη γραμμή Ν ο 1. Διατήρηση της κλίσης αυτής μέχρι το μέσο της απόστασης ανάμεσα στις γραμμές Ν ο 3 και Ν ο 4, όπου η ρωγμή αλλάζει απότομα διεύθυνση και διαδίδεται παράλληλα με τη φόρτιση. (3) Από το σημείο αυτό, η ρωγμή αποκτά εκ νέου κλίση, την οποία και διατηρεί μέχρι το μέσο της απόστασης ανάμεσα στις γραμμές Ν ο 4 και Ν ο 5. (4) Στο σημείο αυτό, η ρωγμή συνεχίζει να διαδίδεται παράλληλα με το ενισχυτικό. (5) Η ρωγμή διατηρεί την πορεία αυτή μέχρι την ολοκλήρωση της δοκιμής. Εικόνα Μορφή του ενισχυμένου δοκιμίου CTt4RP μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής μοναξονικού εφελκυσμού. 113

115 Δοκίμιο CTt4RP Δύναμη [kn] Μετατόπιση [mm] Σχήμα Διάγραμμα δύναμης-μετατόπισης του ενισχυμένου δοκιμίου CTt4RP, μετά το τέλος της δοκιμής μονοαξονικού εφελκυσμού Δοκίμιο CTt4R Η έναρξη της ρωγμής στο δοκίμιο αυτό παρατηρήθηκε κοντά στο ημικυκλικό άκρο, για τιμή επιβαλλόμενου φορτίου ίση με 13,5 kn και για μετατόπιση ίση με 3,39 mm, 284 sec μετά την έναρξη της δοκιμής. Η ρωγμή άρχισε να διαδίδεται υπο μικρή κλίση προς τα επάνω, μέχρι τη γραμμή Ν ο 1, σε απόσταση 5 mm από το ημικυκλικό άκρο. Από το σημείο αυτό μέχρι και τη γραμμή Ν ο 2, σε απόσταση 10 mm από το ημικυκλικό άκρο, η ρωγμή διαδόθηκε σε διεύθυνση κάθετη προς τη διεύθυνση της επιβαλλόμενης φόρτισης. Από τη γραμμή Ν ο 2, η ρωγμή απέκτησε κλίση προς τα κάτω, η οποία αυξήθηκε από τη γραμμή Ν ο 3 και έπειτα, σε απόσταση 15 mm από το ημικυκλικό άκρο. Η διεύθυνση αυτή διατηρήθηκε μέχρι το μέσο της απόστασης ανάμεσα στις γραμμές Ν ο 5 και Ν ο 6, σε απόσταση 27,5 mm από το ημικυκλικό άκρο. Στο σημείο αυτό, η κλίση της ρωγμής αυξήθηκε απότομα και αυτή συνέχισε να διαδίδεται σχεδόν παράλληλα με τη διεύθυνση της επιβαλλόμενης φόρτισης. Πάνω στη γραμμή Ν ο 6, σε απόσταση 30 mm από το ημικυκλικό άκρο, η κλίση της ρωγμής ελατώθηκε και διατηρήθηκε μέχρι και λίγο πριν τη γραμμή Ν ο 7, σε απόσταση 35 mm από το ημικυκλικό άκρο. Στο σημείο αυτό, η κλίση της ρωγμής αυξήθηκε εκ νέου και αυτή συνέχισε να διαδίδεται προς τα κάτω, παράλληλα με το ενισχυτικό. Η πορεία αυτή της ρωγμής διατηρήθηκε μέχρι την ολοκλήρωσητης δοκιμής. Στις Εικόνες 4.40 και 4.41, αντίστοιχα, παρατίθεται τμηματικά η πορεία της διάδοσης της ρωγμής και η μορφή του δοκιμίου μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής. Το διάγραμμα δύναμης-μετατόπισης του δοκιμίου παρουσιάζεται στο Σχήμα Η κορυφή του διαγράμματος αντιστοιχεί στο ζεύγος δύναμης-μετατόπισης, στο οποίο παρατηρείται η έναρξη της θραύσης του δοκιμίου. Επίσης, η κορυφή του διαγράμματος που παρατηρείται ανάμεσα στα 2 και 4 kn αντιστοιχεί στην αλλαγή πορείας της ρωγμής που παρατηρήθηκε ανάμεσα στις γραμμές Ν ο 5 και Ν ο 6, όπως περιγράφεται στην Εικόνα

116 (0) (1) (2) (3) (4) (5) Εικόνα Πορεία διάδοσης της ρωγμής του δοκιμίου CTt4R (ξεκινώντας από την επάνω σειρά, από αριστερά προς τα δεξιά): (1) Έναρξη της ρωγμής υπό μικρή κλίση προς τα επάνω. (2) Συνέχιση κάθετα προς τη φόρτιση ανάμεσα στις γραμμές Ν ο 1 και Ν ο 2. Κλίση προς τα κάτω από τη γραμμή Ν ο 2 και έπειτα. (3) Διατήρηση αυτής της διεύθυνσης μέχρι το μέσο της απόστασης ανάμεσα στις γραμμές Ν ο 5 και Ν ο 6, όπου η κλίση της ρωγμής αυξάνεται απότομα και συνεχίζει να διαδίδεται σχεδόν παράληλα με τη φόρτιση. (4) Ελάττωση της κλίσης της ρωγμής από τη γραμμή Ν ο 6 μέχρι και λίγο πριν από τη γραμμή Ν ο 7, όπου η ρωγμή αλλάζει διεύθυνση και διαδίδεται σχεδόν παράλληλα με το ενισχυτικό. (5) Η διεύθυνση αυτή διατηρείται μέχρι την ολοκλήρωση της δοκιμής. Εικόνα Μορφή του ενισχυμένου δοκιμίου CTt4R μετά την ολοκλήρωσητης δοκιμής μοναξονικού εφελκυσμού. 115

117 Δοκίμιο CTt4R Δύναμη [kn] Μετατόπιση [mm] Σχήμα Διάγραμμα δύναμης-μετατόπισης του ενισχυμένου δοκιμίου CTt4R, μετά το τέλος της δοκιμής μονοαξονικού εφελκυσμού Δοκίμιο CTt5RP Η έναρξη της ρωγμής στο δοκίμιο αυτό παρατηρήθηκε πλησίον του μέσου του ημικυκλικού άκρου, για τιμή επιβαλλόμενου φορτίου ίση με 16,08 kn και για μετατόπιση ίση με 4,59 mm, 578 sec μετά την έναρξη της δοκιμής. Η ρωγμή διαδόθηκε σε διεύθυνση κάθετη προς τη διεύθυνση της επιβαλλόμενης φόρτισης για πολύ μικρό χρονικό διάστημα και αμέσως μετά απέκτησε κλίση προς τα κάτω. Από τη γραμμή Ν ο 1 και μετά, σε απόσταση 5 mm από το ημικυκλκό άκρο, η κλίση της ρωγμής άρχισε να αυξάνεται διαρκώς, με αποτέλεσμα, στο μέσο της απόστασης ανάμεσα στις γραμμές Ν ο 2 και Ν ο 3, σε απόσταση 12,5 mm από το ημικυκλικό άκρο, η ρωγμή να αποκτήσει διεύθυνση παράλληλη με τη διεύθυνση της επιβαλλόμενης φόρτισης. Η πορεία αυτή διατηρήθηκε μέχρι την ολοκλήρωση της δοκιμής. Στις Εικόνες 4.42 και 4.43, αντίστοιχα, παρατίθεται τμηματικά η πορεία της διάδοσης της ρωγμής και η μορφή του δοκιμίου μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής. Το διάγραμμα δύναμης-μετατόπισης του δοκιμίου παρουσιάζεται στο Σχήμα Η κορυφή του διαγράμματος αντιστοιχεί στο ζεύγος δύναμης-μετατόπισης, στο οποίο παρατηρείται η έναρξη της θραύσης του δοκιμίου. 116

118 (0) (1) (2) (3) (4) Εικόνα Πορεία διάδοσης της ρωγμής του δοκιμίου CTt5RP (ξεκινώντας από την επάνω σειρά, από αριστερά προς δεξιά): (1) Έναρξη της ρωγμής κάθετα προς τη φόρτιση για μικρό χρονικό διάστημα και στη συνέχεια, διάδοσή της υπό κλίση προς τα κάτω. (2) Από τη γραμμή Ν ο 1 και μετά, διαρκής αύξηση της κλίσης της ρωγμής. (3) Στο μέσο της απόστασης ανάμεσα στις γραμμές Ν ο 2 και Ν ο 3, η ρωγμή αποκτά διεύθυνση παράλληλη με τη φόρτιση. (4) Η ρωγμή διατηρεί τη διεύθυνση αυτή μέχρι την ολοκλήρωση της δοκιμής. Εικόνα Μορφή του ενισχυμένου δοκιμίου CTt5RP μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής μοναξονικού εφελκυσμού. 117

119 Δοκίμιο CTt5RP Δύναμη [kn] Μετατόπιση [mm] Σχήμα Διάγραμμα δύναμης-μετατόπισης του ενισχυμένου δοκιμίου CTt5RP, μετά την ολοκλήρωσητης δοκιμής μονοαξονικού εφελκυσμού Δοκίμιο CTt5R Η έναρξη της ρωγμής στο δοκίμιο αυτό παρατηρήθηκε πλησίον του μέσου τυο ημικυκλικού άκρου, για τιμή επιβαλλόμενου φορτίου ίση με 17,18 kn και για μετατόπιση ίση με 4,26 mm, 428 sec μετά την έναρξη της δοκιμής. Η ρωγμή άρχισε να διαδίδεται υπό κλίση προς τα κάτω. Η διεύθυνση αυτή διατηρήθηκε μέχρι και λίγο μετά τη γραμμή Ν ο 7, σε απόσταση 35 mm από το ημικυκλικό άκρο. Στο σημείο αυτό η ρωγμή άρχισε να διαδίδεται προς τα κάτω παράλληλα με το ενισχυτικό. Η διεύθυνση αυτή διατηρήθηκε μέχρι την ολοκλήρωση της δοκιμής. Στις Εικόνες 4.44 και 4.45, αντίστοιχα, παρατίθεται τμηματικά η πορεία της διάδοσης της ρωγμής και η μορφή του δοκιμίου μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής. Το διάγραμμα δύναμης-μετατόπισης του δοκιμίου παρουσιάζεται στο Σχήμα Η κορυφή του διαγράμματος αντιστοιχεί στο ζεύγος δύναμης-μετατόπισης, στο οποίο παρατηρείται η έναρξη της θραύσης του δοκιμίου. 118

120 (0) (1) (2) (3) (4) Εικόνα Πορεία διάδοσης της ρωγμής του δοκιμίου CTt5R (ξεκινώντας από την επάνω σειρά, από αριστερά προς τα δεξιά): (1) Έναρξη της ρωγμής υπό κλίση προς τα κάτω. (2) Η κλίση της ρωγμής δε μεταβάλλεται. (3) Η ρωγμή συνεχίζει με την ίδια διεύθυνση μέχρι και λίγο πιο μετά από τη γραμμή Ν ο 7, όπου αλλάζει διεύθυνση και συνεχίζει να διαδίδεται προς τα κάτω, παράλληλα με το ενισχυτικό. (4) Η ρωγμή διατηρεί τη διεύθυνση αυτή μέχρι την ολοκλήρωση της δοκιμής. Εικόνα Μορφή του ενισχυμένου δοκιμίου CTt5R μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής μοναξονικού εφελκυσμού. 119

121 Δοκίμιο CTt5R Δύναμη [kn] Μετατόπιση [mm] Σχήμα Διάγραμμα δύναμης-μετατόπισης του ενισχυμένου δοκιμίου CTt5R μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής μονοαξονικού εφελκυσμού Δοκίμιο CTt6RP Η έναρξη της ρωγμής στο δοκίμιο αυτό παρατηρήθηκε στην περιοχή του ημικυκλικού άκρου, για τιμή επιβαλλόμενου φορτίου ίση με 13,51 kn και για μετατόπιση ίση με 4,8 mm, 290 sec μετά την έναρξη της δοκιμής. Η ρωγμή άχισε να διαδίδεται σε διεύθυνση κάθετη προς τη διεύθυνση της επιβαλλόμενης φόρτισης μέχρι λίγο πριν τη γραμμή Ν ο 1, σε απόσταση 5 mm από το ημικυκλικό άκρο. Στο σημείο αυτό, η ρωγμή απέκτησε κλίση προς τα επάνω, την οποία και διατήρησε μέχρι το μέσο της απόστασης ανάμεσα στις γραμμές Ν ο 2 και Ν ο 3, σε απόσταση 12,5 mm από το ημικυκλικό άκρο. Στο σημείο αυτό, η ρωγμή άλλαξε πάλι διεύθυνση και αυτή τη φορά συνέχισε να διαδίδεται προς τα επάνω, παράλληλα με τη διεύθυνση της επιβαλλόμενης φόρτισης. Η ρωγμή διατήρησε την πορέια αυτή για μικρό χρονικό διάστημα και στη συνέχεια, απέκτησε πάλι κλίση προς τα επάνω. Από τη γραμμή Ν ο 3 και μετά, σε απόσταση 15 mm από το ημικυκλικό άκρο, η κλίση της ρωγμής άρχισε να αυξάνεται και στα μέσα της απόστασης ανάμεσα στις γραμμές Ν ο 3 και Ν ο 4, 17,5 mm από το ημικυκλικό άκρο, συνέχισε να διαδίδεται προς τα επάνω, παράλληλα με το ενισχυτικό. Η ρωγμή διατήρησε την πορεία αυτή μέχρι την ολοκλήρωση της δοκιμής. Στις Εικόνες 4.46 και 4.47, αντίστοιχα, παρατίθεται τμηματικά η πορεία της διάδοσης της ρωγμής και η μορφή του δοκιμίου μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής. Το διάγραμμα δύναμης- μετατόπισης του δοκιμίου παρουσιάζεται στο Σχήμα Η κορυφή του διαγράμματος αντιστοιχεί στο ζεύγος δύναμης-μετατόπισης, στο οποίο παρατηρείται η έναρξη της θραύσης του δοκιμίου. Επίσης, η κορυφή του διαγράμματος που παρατηρείται ανάμεσα στα 8 και στα 10 kn αντιστοιχεί στην αλλαγή της πορείας της ρωγμής που έλαβε χώρα ανάμεσα στις γραμμές Ν ο 2 και Ν ο 3, όπως περιγράφεται στην Εικόνα

122 (0) (1) (2) (3) (4) (5) Εικόνα Πορεία διάδοσης της ρωγμής του δοκιμίου CTt6RP (ξεκινώντας από την επάνω σειρά, από αριστερά προς δεξιά): (1) Έναρξη της ρωγμής κάθετα προς τη φόρτιση. Λίγο πριν από τη γραμμή Ν ο 1, συνέχιση υπό κλίση προς τα επάνω. (2) Στα μέσα της απόστασης ανάμεσα στις γραμμές Ν ο 2 και Ν ο 3, η ρωγμή διαδίδεται προς τα επάνω, παράλληλα με τη φόρτιση. (3) Λίγο αργότερα, η ρωγμή αποκτά εκ νέου κλίση προς τα επάνω. Από τη γραμμή Ν ο 3 και έπειτα, η κλίση αυξάνεται. (4) Στα μέσα της απόστασης ανάμεσα στις γραμμές Ν ο 3 και Ν ο 4, η ρωγμή διαδίδεται προς τα επάνω, παράλληλα με το ενισχυτικό. (5) Η πορεία αυτή διατηρείται μέχρι την ολοκλήρωση της δοκιμής. Εικόνα Μορφή του ενισχυμένου δοκιμίου CTt6RP μετά το τέλος της δοκιμής μοναξονικού εφελκυσμού. 121

123 Δοκίμιο CTt6RP Δύναμη [kn] Μετατόπιση [mm] Σχήμα Διάγραμμα δύναμης-μετατόπισης του ενισχυμένου δοκιμίου CTt6RP, μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής μονοαξονικού εφελκυσμού Δοκίμιο CTt6R Η έναρξη της ρωγμής στο δοκίμιο αυτό παρατηρήθηκε στο μέσο του ημικυκλικού άκρου, για τιμή επιβαλλόμενου φορτίου ίση με 12,06 kn και για μετατόπιση ίση με 3,26 mm, 375 sec μετά την έναρξη της δοκιμής. Η ρωγμή άρχισε να διαδίδεται υπο κλίση προς τα κάτω, την οποία και διατήρησε μέχρι τη γραμμή Ν ο 5, σε απόσταση 25 mm από το ημικυκλικό άκρο. Στο σημείο αυτό, η ρωγμή απέκτησε νέα διεύθυνση και συνέχισε να διαδίδεται προς τα κάτω, παράλληλα με τη διεύθυνση της φόρτισης. Μετά από μικρό χρονικό διάστημα, η ρωγμή απέκτησε εκ νέου κλίση προς τα κάτω, την οποία και διατήρησε μέχρι τη γραμμή Ν ο 6, σε απόσταση 30 mm από το ημικυκλικό άκρο. Από το σημείο αυτό και έπειτα, η κλίση της ρωγμής άρχισε να αυξάνεται και στα μέσα της απόστασης ανάμεσα στις γραμμές Ν ο 6 και Ν ο 7, σε απόσταση 32,5 mm από το ημικυκλικό άκρο, συνέχισε να διαδίδεται προς τα κάτω, σχεδόν παράλληλα με το ενισχυτικό. Η πορεία αυτή διατηρήθηκε μέχρι την ολοκλήρωση της δοκιμής. Στις Εικόνες 4.48 και 4.49, αντίστοιχα, παρατίθεται τμηματικά η πορεία της διάδοσης της ρωγμής και η μορφή του δοκιμίου μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής. Το διάγραμμα δύναμης- μετατόπισης του δοκιμίου παρουσιάζεται στο Σχήμα Η κορυφή του διαγράμματος αντιστοιχεί στο ζεύγος δύναμης-μετατόπισης, στο οποίο παρατηρείται η έναρξη της θραύσης του δοκιμίου. Επίσης, η κορυφή του διαγράμματος που παρατηρείται ανάμεσα στα 2 και τα 4 kn αντιστοιχεί στην αλλαγή πορείας της ρωγμής που έλαβε χώρα στη γραμμή Ν ο 5, όπως έχει περιγραφεί προηγουμένως στην Εικόνα

124 (0) (1) (2) (3) (4) (5) Εικόνα Πορεία διάδοσης της ρωγμής του ενισχυμένου δοκιμίου CTt6R (ξεκινώντας από την επάνω σειρά, από αριστερά προς δεξιά): (1) Έναρξη της ρωγμής υπό κλίση προς τα κάτω. (2) Διατήρηση της κλίσης μέχρι τη γραμμή Ν ο 5. Στο σημείο αυτό, η ρωγμή συνεχίζει να διαδίδεται προς τα κάτω, παράλληλα με τη φόρτιση. (3) Λίγο αργότερα, η ρωγμή αποκτά εκ νέου κλίση προς τα κάτω μέχρι το μέσο της απόστασης ανάμεσα στις γραμμές Ν ο 6 και Ν ο 7. (4) Στο σημείο αυτό, η ρωγμή συνεχίζει να διαδίδεται προς τα κάτω, παράληλα με το ενισχυτικό. (5) Η ρωγμή διατηρεί τη διεύθυνση αυτή μέχρι την ολοκλήρωση της δοκιμής. Εικόνα Μορφή του ενισχυμένου δοκιμίου CTt6R μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής μοναξονικού εφελκυσμού. 123

125 Δοκίμιο CTt6R Δύναμη [kn] Μετατόπιση [mm] Σχήμα Διάγραμμα δύναμης-μετατόπισης του ενισχυμένου δοκιμίου CTt6R, μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής μονοαξονικού εφελκυσμού Δοκίμιο CTt7RP Η έναρξη της ρωγμής στο δοκίμιο αυτό παρατηρείται πλησίον του μέσου του ημικυκλικού άκρου, για τιμή επιβαλλόμενου φορτίου ίση με 15,09 kn και για μετατόπιση ίση με 4,73 mm, 320 sec μετά την έναρξη της δοκιμής. Η ρωγμή αρχικά διαδόθηκε υπό μικρή κλίση προς τα επάνω, μέχρι το μέσο περίπου της απόστασης ανάμεσα στις γραμμές Ν ο 0 και Ν ο 1, 2,5 mm από το ημικυκλικό άκρο. Από το σημειό αυτό μέχρι και τη γραμμή Ν ο 1, σε απόσταση 5 mm από το ημικυκλικό άκρο, η ρωγμή διαδόθηκε σε διεύθυνση κάθετη προς τη διεύθυνση της επιβαλλόμενης φόρτισης και στη συνέχεια, απέκτησε κλίση προς τα κάτω, η οποία διατηρήθηκε μέχρι τη γραμμή Ν ο 2, σε απόσταση 10 mm από το ημικυκλικό άκρο. Από το σημείο αυτό και έπειτα, η κλίση της ρωγμής άρχισε να αυξάνεται με αποτέλεσμα, λίγο μετά τη γραμμή Ν ο 3, σε απόσταση 15 mm από το ημικυκλικό άκρο, η ρωγμή να συνεχίσει να διαδίδεται προς τα κάτω, σχεδόν παράλληλα με τη διεύθυνση της φόρτισης. Η ρωγμή διατήρησε τη διεύθυνση αυτή μέχρι την ολοκλήρωσητης δοκιμής. Στις Εικόνες 4.50 και 4.51, αντίστοιχα, παρατίθεται τμηματικά η πορεία της διάδοσης της ρωγμής και η μορφή του δοκιμίου μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής. Το διάγραμμα δύναμης-μετατόπισης του δοκιμίου παρουσιάζεται στο Σχήμα Η κορυφή του διαγράμματος αντιστοιχεί στο ζεύγος δύναμης-μετατόπισης, στο οποίο παρατηρείται η έναρξη της θραύσης του δοκιμίου. 124

126 (0) (1) (2) (3) (4) (5) Εικόνα Πορεία διάδοσης της ρωγμής του δοκιμίου CTt7RP (ξεκινώντας από την επάνω σειρά, από αριστερά προς δεξιά): (1) Έναρξη της ρωγμής υπό κλίση προς τα επάνω μέχρι το μέσο της απόστασης ανάμεσα στις γραμμές Ν ο 0 και Ν ο 1 και συνέχιση από εκεί κάθετα στη φόρτιση μέχρι τη γραμμή Ν ο 1. (2) Η ρωγμή αποκτά κλίση προς τα κάτω, την οποία και διατηρεί μέχρι τη γραμμή Ν ο 2. (3) Από εκεί και έπειτα, η κλίση της ρωγμής αυξάνεται διαρκώς. (4) Λίγο μετά τη γραμμή Ν ο 3, η ρωγμή διαδίδεται σχεδόν παράλληλα με τη φόρτιση. (5) Η πορεία αυτή διατηρείται μέχρι την ολοκλήρωση της δοκιμής. Εικόνα Μορφή του ενισχυμένου δοκιμίου CTt7RP μετά το τέλος της δοκιμής μοναξονικού εφελκυσμού. 125

127 Δοκίμιο CTt7RP Δύναμη [mm] Μετατόπιση [mm] Σχήμα Διάγραμμα δύναμης-μετατόπισης του ενισχυμένου δοκιμίου CTt7RP, μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής μονοαξονικού εφελκυσμού Δοκίμιο CTt7R Στο δοκίμιο αυτό, η έναρξη της ρωγμής παρατηρήθηκε στο ημικυκλικό άκρο, για τιμή επιβαλλόμενο φορτίου ίση με 17,14 kn και για μετατόπιση ίση με 4,23 mm, 256 sec μετά την έναρξη της δοκιμής. Η ρωγμή άρχισε να διαδίδεται υπό κλίση προς τα κάτω και διατήρησε την κλίση αυτή μέχρι και τη γραμμή Ν ο 7, σε απόσταση 35 mm από το ημικυκλικό άκρο. Στο σημείο αυτό η ρωγμή άλλαξε διεύθυνση και συνέχισε να διαδίδεται προς τα κάτω, σχεδόν παράλληλα με το ενισχυτικό, διατηρώντας τη διεύθυνση αυτή μέχρι την ολοκλήρωση της δοκιμής. Στις Εικόνες 4.52 και 4.53, αντίστοιχα, παρατίθεται τμηματικά η πορεία της διάδοσης της ρωγμής και η μορφή του δοκιμίου μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής. Το διάγραμμα δύναμης-μετατόπισης του δοκιμίου παρουσιάζεται στο Σχήμα Η κορυφή του διαγράμματος αντιστοιχεί στο ζεύγος δύναμης-μετατόπισης, στο οποίο παρατηρείται η έναρξη της θραύσης του δοκιμίου. 126

128 (0) (1) (2) (3) (4) Εικόνα Πορεία διάδοσης της ρωγμής του ενισχυμένου δοκιμίου CTt7R (ξεκινώντας από την επάνω σειρά, από αριστερά προς δεξιά): (1) Έναρξη της ρωγμής υπό κλίση προς τα κάτω. (2) Διάδοση της ρωγμής με την ίδια κλίση. (3) Συνέχιση της διάδοσης της ρωγμής υπό την ίδια κλίση μέχρι τη γραμμή Ν ο 7, όπου και αλλάζει διεύθυνση η ρωγμή και συνεχίζει να διαδίδεται προς τα κάτω, παράλληλα με το ενισχυτικό. (4) Η πορεία αυτη διατηρείται μέχρι την ολοκλήρωση της δοκιμής. Εικόνα Μορφή του ενισχυμένου δοκιμίου CTt7R μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής μοναξονικού εφελκυσμού. 127

129 Δύναμη [kn] Δοκίμιο CTt7R Μετατόπιση [mm] Εικόνα Διάγραμμα δύναμης-μετατόπισης του ενισχυμένου δοκιμίου CTt7R, μετά το τέλος της δοκιμής μονοαξονικού εφελκυσμού Δοκίμιο CTt8RP Η έναρξη της ρωγμής στο δοκίμιο αυτό παρατηρήθηκε στο μέσο του ημικυκλικού άκρου, για τιμή επιβαλλόμενης δύναμης ίση με 14,14 kn και για μετατόπιση ίση με 4,34 mm, 341 sec μετά την έναρξη της δοκιμής. Η ρωγμή αρχικά διαδόθηκε σε διεύθυνση κάθετη προς αυτήν της επιβαλλόμενης φόρτισης μέχρι το μέσο της απόστασης ανάμεσα στις γραμμές Ν ο 0 και Ν ο 1, σε απόσταση 2,5 mm από το ημικυκλικό άκρο. Από το σημείο αυτό και έπειτα, η ρωγμή συνέχισε να διαδίδεται προς τα κάτω, υπό κλίση, μέχρι λίγο πριν τη γραμμή Ν ο 3, σε απόσταση 15 mm από το ημικυκλικό άκρο. Έπειτα, η ρωγμή γύρισε προς τα πίσω και στο μέσο περίπου της απόστασης ανάμεσα στις γραμμές Ν ο 2 και Ν ο 3, σε απόσταση 12,5 mm, συνέχισε να διαδίδεται προς τα κάτω, σε διεύθυνση παράλληλη με αυτήν της επιβαλλόμενης φόρτισης. Η πορεία αυτή διατηρήθηκε μέχρι την ολοκλήρωση της δοκιμής. Στις Εικόνες 4.54 και 4.55, αντίστοιχα, παρατίθεται τμηματικά η πορεία της διάδοσης της ρωγμής και η μορφή του δοκιμίου μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής. Το διάγραμμα δύναμης-μετατόπισης του δοκιμίου παρουσιάζεται στο Σχήμα Η κορυφή του διαγράμματος αντιστοιχεί στο ζεύγος δύναμης-μετατόπισης, στο οποίο παρατηρείται η έναρξη της θραύσης του δοκιμίου. 128

130 (0) (1) (2) (3) (4) Εικόνα Πορεία διάδοσης της ρωγμής του ενισχυμένου δοκιμίου CTt8RP (ξεκινώντας από την επάνω σειρά, από αριστερά προς δεξιά): (1) Έναρξη της ρωγμής κάθετα προς τη φόρτιση μέχρι το μέσο της απόστασης ανάμεσα στις γραμμές Ν ο 0 και Ν ο 1. Έπειτα, συνέχιση υπό κλίση. (2) Η κλίση αυτή διατηρείται μέχρι λίγο πριν από τη γραμμή Ν ο 3. Στο σημείο αυτό, η ρωγμή γυρνάει ελαφρά προς τα πίσω. (3) Η ρωγμή συνεχίζει να διαδίδεται προς τα κάτω, παράλληλα με τη φόρτιση. (4) Η πορεία αυτή διατηρείται μέχρι την ολοκλήρωση της δοκιμής. Εικόνα Μορφή του ενισχυμένου δοκιμίου CTt8RP μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής μοναξονικού εφελκυσμού. 129

131 Δοκίμιο CTt8RP Δύναμη [kn] Μετατόπιση [mm] Σχήμα Διάγραμμα δύναμης-μετατόπισης του ενισχυμένου δοκιμίου CTt8RP, μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής μονοαξονικού εφελκυσμού Συγκεντρωτικά αποτελέσματα των δοκιμίων CTtiRP και CTtiR Στον Πίνακα 4.9 βρίσκονται συγκεντρωμένα τα βασικά αποτελέσματα των δοκιμών που διεξήχθησαν στα δεκαπέντε δοκίμια που εξετάστηκαν προηγουμένως. Επίσης, στα Σχήματα 4.19 έως 4.24 παρατίθενται τα διαγράμματα δύναμηςμετατόπισης των δοκιμίων CTtiRP, των δοκιμίων CTtiR, καθώς επίσης, και όλων των δοκιμίων μαζί. Στο Σχήμα 4.20, παρατηρείται ο διαχωρισμός που υπάρχει ανάμεσα στις ομάδες δοκιμίων CTt1RP, CTt2RP, CTt3RP και CTt4RP, τα οποία έχουν μήκος "rear plate" ίσο με 5 mm, CTt8RP και CTt6RP, τα οποία έχουν μήκος "rear plate" ίσο με 20 mm και CTt5RP και CTt7RP, τα οποία έχουν μήκος "rear plate" ίσο με με 25 mm. Παρατηρείται ότι όσο μεγαλύτερο είναι το μήκος του "rear plate", τόσο μεγαλύτερη είναι η δύναμη στην οποία παρατηρείται η θραύση. Ακόμα, στο Σχήμα 4.24, παρατηρούμε ότι είναι σαφής ο διαχωρισμός που υπάρχει ανάμεσα στα δοκίμια CTtiRP, τα οποία έχουν μεταβλητό μήκος "rear plate" και μήκος αρχικής ρωγμής ίσο με 61 mm, και τα δοκίμια CTtiR, τα οποία δεν έχουν "rear plate" και στα οποία η αρχική ρωγμή έχει μήκος ίσο με 51 mm. Συγκεκριμένα, παρατηρούμε ότι στα δοκίμια CTtiR, όπου το μήκος της αρχικής ρωγμής είναι μικρότερο, η έναρξη της θραύσης παρατηρείται για μεγαλύτερες τιμές επιβαλλόμενης δύναμης και για μικρότερες τιμές μετατόπισης, σε σχέση με τα δοκίμια CTtiRP, όπου το μήκος της αρχικής ρωγμής είναι μεγαλύτερο. 130

132 Πίνακας 4.9. Συγκεντρωτικά στοιχεία δοκιμών εφελκυσμού ενισχυμένων δοκιμίων CTtiRP και CTtiR. Όνομα Δοκιμίου Μέγιστη Δύναμη (kn) Μετατόπιση έως τη Θραύση (mm) CTt1RP 11,87 4,78 CTt2RP 12,18 4,02 CTt3RP 12,13 4,22 CTt4RP 11,91 4,63 CTt5RP 16,08 4,59 CTt6RP 13,51 4,80 CTt7RP 15,09 4,73 CTt8RP 14,14 4,34 CTt1R 13,60 3,73 CTt2R 13,41 3,50 CTt3R 13,84 3,83 CTt4R 13,50 3,40 CTt5R 17,18 4,26 CTt6R 12,06 3,26 CTt7R 17,14 4,23 Δοκίμια CTtiRP Δύναμη [kn] Έναρξη της θραύσης Μετατόπιση [mm] CTt1RP CTt2RP CTt3RP CTt4RP CTt5RP CTt6RP CTt7RP CTt8RP Σχήμα Διάγραμμα δύναμης-μετατόπισης των ενισχυμένων δοκιμίων CTtiRP μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής μονοαξονικού εφελκυσμού. Στο διάγραμμα είναι σημειωμένα τα σημεία τα οποία αντιστοιχούν στα ζεύγη δύναμης-μετατόπισης στα οποία παρατηρείται η έναρξη της θραύσης των δοκιμίων. 131

133 Δοκίμια CTtiRP Δύναμη [kn] Μετατόπιση [mm] CTt1RP CTt2RP CTt3RP CTt4RP CTt5RP CTt6RP CTt7RP CTt8RP Σχήμα Σημεία έναρξης της θραύσης των ενισχυμένων δοκιμίων CTtiRP μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής μονοαξονικού εφελκυσμού. Δοκίμια CTtiR Force [kn] Έναρξη της θραύσης CTt1R CTt2R CTt3R CTt4R CTt5R CTt6R CTt7R Displacement [mm] Σχήμα Διάγραμμα δύναμης-μετατόπισης των ενισχυμένων δοκιμίων CTtiR, μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής μονοαξονικού εφελκυσμού. Στο διάγραμμα είναι σημειωμένα τα σημεία τα οποία αντιστοιχούν στα ζεύγη δύναμης-μετατόπισης στα οποία παρατηρείται η έναρξη της θραύσης των δοκιμίων. 132

134 Δοκίμια CTtiR Δύναμη [kn] CTt1R CTt2R CTt3R CTt4R CTt5R CTt6R CTt7R Μετατόπιση [mm] Σχήμα Σημεία έναρξης της θραύσης των ενισχυμένων δοκιμίων CTtiR μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής μονοαξονικού εφελκυσμού. Παρατηρείται ότι παρά το γεγονός ότι τα δοκίμια είναι ίδιων διαστάσεων, τα σημεία έναρξης της θραύσης κυμαίνονται σε μία περιοχή από 12 έως 18 kn για την επιβαλλόμενη δύναμη και 3 έως 5 mm για τη μετατόπιση. Force [kn] Δοκίμια CTtiRP και CTtiR Displacement [mm] CTt1RP CT1R CT2RP CTt2R CTt3RP CT3R CTt4RP CTt4R CTt5RP CTt5R CTt6RP CTt6R CTt7RP CTt7R CTt8RP Σχήμα Διάγραμμα δύναμης-μετατόπισης των ενισχυμένων δοκιμίων CΤtiRP και CTtiR, μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής μονοαξονικού εφελκυσμού. 133

135 Δύναμη [kn] Δοκίμια CTtiR Δοκίμια CTtiRP και CTtiR Δοκίμια CTtiRP Μετατόπιση [mm] CTt1RP CT1R CT2RP CTt2R CTt3RP CT3R CTt4RP CTt4R CTt5RP CTt5R CTt6RP CTt6R CTt7RP CTt7R CTt8RP Σχήμα Σημεία έναρξης της θραύσης των ενισχυμένων δοκιμίων CΤtiRP και CTtiR, μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής μονοαξονικού εφελκυσμού. 134

136 η Ομάδα Πειραμάτων: Πειραματικός προσδιορισμός των μηχανικών ιδιοτήτων υβριδικού ελάσματος αλουμινίου με τη χρήση δοκιμίων εφελκυσμού τύπου "Dogbone" Προσδιορισμός των μηχανικών ιδιοτήτων και τη συμπεριφοράς του υβριδικού ελάσματος αλουμινίου Όπως έχει αναφερθεί και προηγουμένως, ένας από τους πρωταρχικούς στόχους της παρούσης μελέτης είναι η μελέτη της διάδοσης μιας προϋπάρχουσας τεχνητής ρωγμής σε ένα υβριδικό έλασμα αλουμινίου, το οποίο αποτελείται από δύο τμήματα, διαφορετικού κράματος αλουμινίου το καθένα, τα οποία έχουν συγκολληθεί μεταξύ τους. Προτού, όμως, προχωρήσουμε περαιτέρω σε αυτό το στάδιο της μελέτης, είναι απαραίτητο πρώτα να προσδιορίσουμε τις μηχανικές ιδιότητες και να παρατηρήσουμε τη συμπεριφορά αυτού του νέου υλικού που προκύπτει από τη συγκόλληση των δύο διαφορετικών κραμάτων. Τόσο το κράμα αλουμινίου 5083 όσο και το κράμα αλουμινίου τα οποία είναι τα δύο κράματα που συνθέτουν το υβριδικό έλασμα- είναι δύο από τα ευρέως διαδεδομένα κράματα αλουμινίου στη ναυπηγική βιομηχανία (ειδικότερα το πρώτο). Ως εκ τούτου, οι ιδιότητές τους και η συμπεριφορά τους έχουν αποτελέσει αντικείμενο πολλών μελετών και υπάχει μια αρκετά ολοκληρωμένη εικόνα σχετικά με αυτά τα θέματα. Ωστόσο, η συγκόλληση αυτών των δύο κραμάτων και η συνεργασία τους ως ένα ενιαίο έλασμα είναι κάτι το οποίο δεν έχει εξεταστεί στο παρελθόν και συνεπώς, δεν υπάρχουν σχετικά στοιχεία. Για το λόγο αυτό, μια σειρά δοκιμών, όπου θα γίνει προσπάθεια να προσδιοριστούν οι μηχανικές ιδιότητες ενός υβριδικού ελάσματος που έχει κατασκευαστεί από αυτά τα δύο κράματα, και από την οποία θα εξαχθούν συμπεράσματα σχετικά με τη συμπεριφορά του, κρίθηκε απαραίτητη. Με τον τρόπο αυτό, αφενός θα έχουμε μια άποψη για τις μηχανικές ιδιότητες και τη συμπεριφορά του υβριδικού ελάσματος, αφετέρου, θα μπορέσουμε να συγκρίνουμε τα αποτελέσματα αυτά με τα αντίστοιχα δεδομένα των δύο κραμάτων αλουμινίου που το αποτελούν. Γενικά, η μηχανική δοκιμή η οποία μπορεί να δώσει μια πλήρη εικόνα των μηχανικών ιδιοτήτων ενός υλικού είναι ο μονοαξονικός εφελκυσμός. Από τα αποτελέσματα της δοκιμής αυτής μπορούμε να εξάγουμε το διάγραμμα τάσεωνπαραμορφώσεων (σ-ε) του εξεταζόμενου υλικού. Συγκεκριμένα, οι παράμετροι που υπολογίζονται και που δίνουν μία εικόνα για την αντοχή του υλικού είναι οι εξής: α) Το μέτρο ελαστικότητας ή μέτρο Young (E) του υλικού, το οποίο αποτελεί το συντελεστή αναλογίας ανάμεσα στις τάσεις και τις παραμορφώσεις, δηλαδή, ισχύει ότι: σ = Ε ε. Το μέτρο ελαστικότητας αποτελεί ένα μέτρο της ακαμψίας του εξεταζόμενου υλικού. β) Το όριο διαρροής (σ y ) του υλικού, το οποίο είναι η τάση πάνω από την οποία εμφανίζεται πλαστική παραμόρφωση στο υλικό. γ) Η μέγιστη αντοχή σε εφελκυσμό (σ TS ) του υλικού, η οποία είναι η μέγιστη τάση στο διάγραμμα σ-ε. 135

137 Τα παραπάνω στοιχεία, μαζί επίσης και με άλλα χαρακτηριστικά σημεία ενός διαγράμματος τάσεων-παραμορφώσεων φαίνονται στο σχήμα που ακολουθεί (Εικόνα 4.80). Σχήμα (α) Διάγραμμα σ-ε δοκιμίου κατά τη δοκιμή εφελκυσμού. (β) Σχηματική παράσταση θραύσης δοκιμίου κατά τη δοκιμή εφελκυσμού. Παρατηρούμε ότι το μέτρο ελαστικότητας Ε ορίζεται ως η κλίση της ευθείας που οριοθετείται από την αρχή των αξόνων του διαγράμματος σ-ε και από το σημείο του διαγράμματος που αντιστοιχεί στο όριο διαρροής. Ουσιαστικά, το μέτρο ελαστικότητας ορίζεται πειραματικά από το πηλίκο σ/ε που αντιστοιχεί σε οποιοδήποτε σημείο αυτής της ευθείας. Στο παραπάνω διάγραμμα, παρατηρούμε επίσης τα εξής σημεία. 1) Το όριο διαρροής σ y, το οποίο έχει οριστεί προηγουμένως. Για τιμές μικρότερες του ορίου διαρροής, οι παραμορφώσεις του υλικού είναι ελαστικές. Για τιμές μεγαλύτερες, οι συνολικές παραμορφώσεις του υλικού προκύπτουν από το άθροισμα των ελαστικών και πλαστικών του παραμορφώσεων. Στην περίπτωση που είναι αδύνατο να μετρηθεί με ακρίβεια το σ y λόγω του ότι η μετάβαση από την ελαστική στην πλαστική περιοχή πραγματοποιείται προοδευτικά, έχει οριστεί, συμβατικά, το όριο διαρροής να αντιστοιχεί στην καταπόνηση που επιφέρει μόνιμη παραμόρφωση 0,2%. Η τιμή σ 0,2% λαμβάνεται σαν τομή μίας ευθείας παράλληλης προς την ευθεία της ελαστικής περιοχής ή της εφαπτόμενης στην αρχή της καμπύλης σ-ε για παραμόρφωση 0,2% και της καμπύλης εφελκυσμού σ = f(ε). Οι τιμές των παραμορφώσεων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον προσδιορισμό του συμβατικού ορίου διαρροής, βάσει των διεθνών προδιαγραφών, κυμαίνονται από 0,05% έως 0,5% και ανάλογα υποδηλώνονται ως δείκτες στο σύμβολο της τάσης. Από το όριο διαρροής και έπειτα, η περαιτέρω πλαστική παραμόρφωση απαιτεί την αύξηση της επιβαλλόμενης τάσης. Στη δεύτερη αυτή περιοχή συντελείται 136

138 το φαινόμενο της ενδοτράχυνσης, το οποίο περιγράφεται από καμπύλη παραβολικής μορφής. Πρόκειται για ένα φαινόμενο που οφείλεται στην παρεμποδιζόμενη, από άλλες διαταραχές, κίνηση των διαταραχών, η οποία έχει ως αποτέλεσμα τη σκλήρυνση του υλικού. Το στάδιο της ενδοτράχυνσης, το οποίο αντιστοιχεί στο τμήμα ΑΒ της παραπάνω καμπύλης, καλείται στάδιο ομοιόμορφης παραμόρφωσης. Τέλος, από το σημείο Β έως τη θραύση του υλικού, παρατηρείται το τελευταίο στάδιο της πλαστικής παραμόρφωσης, η οποία χαρακτηρίζεται ως ανομοιόμορφη παραμόρφωση ή πλαστική αστάθεια (τμήμα ΒΓ). 2) Η μέγιστη αντοχή σε εφελκυσμό σ TS, η οποία έχει οριστεί παραπάνω. Παρατηρούμε από το παραπάνω σχήμα ότι πάνω από την τάση αυτή, στο δοκίμιο σχηματίζεται λαιμός, μειώνεται δηλαδή αισθητά η διατομή του. 3) Η παραμόρφωση θραύσης ε f, η οποία ορίζεται ως η παραμόρφωση που παρουσιάζεται μετά τη θραύση του υλικού. Τα ονομαστικά μεγέθη τάσης και παραμόρφωσης υπολογίζονται ως προς τις αρχικές διαστάσεις (αρχική διατομή Α ο και αρχικό μήκος l ο ) του στερεού σώματος, δηλαδή: F σ n = και A o Δl ε n = (4.1) l o όπου F η επιβαλλόμενη δύναμη και Δl η επιμήκυνση και ο δείκτης n υποδηλώνει ότι τα μεγέθη είναι ονομαστικά. Η μορφή του συμβατικού διαγράμματος τάσης-παραμόρφωσης δεν αποδίδει σωστά το φαινόμενο της ενδοτράχυνσης, η οποία συμβαίνει στην πλαστική περιοχή και συνοδεύεται από μείωση της διατομής του εφελκυόμενου δοκιμίου. Άρα, η στιγμιαία τάση σ είναι διαφορετική (μεγαλύτερη) σε σύγκριση με την ονομαστική της τιμή. Η στιγμιαία αυτή τάση ονομάζεται πραγματική τάση και ορίζεται ως ακολούθως: F σ = (4.2) A όπου Α η εκάστοτε (στιγμιαία) διατομή του δοκιμίου. Η σχέση ανάμεσα στην ονομαστική και την πραγματική τάση είναι η εξής: ( + ) σ = σ n 1 ε n (4.3) Επίσης, η σχέση που συνδέει την ονομαστική και την πραγματική παραμόρφωση είναι η εξής: ( 1+ ε ) ε = ln (4.4) n 137

139 Σκοπός των πειραμάτων και γενικές πληροφορίες για τα δοκίμια Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως, σκοπός αυτής της ομάδας πειραμάτων είναι ο προσδιορισμός των μηχανικών ιδιοτήτων ενός υβριδικού ελάσματος αλουμινίου και η παρατήρηση της συμπεριφοράς του κατά τη θραύση. Για το σκοπό αυτό, πραγματοποιήθηκε μία σειρά από δοκιμές μονοαξονικού εφελκυσμού σε ειδικά διαμορφωμένα, σύμφωνα με διεθνή πρότυπα, δοκίμια εφελκυσμού τύπου "Dogbone". Τα δοκίμια αυτά αποτελούνται από δύο τμήματα, ίδιων διαστάσεων, τα οποία είναι κατασκευασμένα από κράμα αλουμινίου 5083 και από κράμα αλουμινίου 1561 αντίστοιχα. Τα δύο αυτά τμήματα είναι συγκολλημένα μεταξύ τους με τη μέθοδο συγκόλλησης GMAW. Συνολικά, χρησιμοποιήθηκαν πέντε δοκίμια, τα οποία ήταν χωρισμένα σε δύο κατηγορίες. Στην πρώτη κατηγορία ανήκουν τα τέσσερα από τα πέντε δοκίμια, τα οποιά περιέχουν το κράμα αλουμινίου 5083-Η111 και στη δεύτερη κατηγορία ανήκει το πέμπτο δοκίμιο,το οποίο περιέχει το κράμα αλουμινίου Η321. Δεν κατέστη δυνατό να προστεθούν και άλλα δοκίμια σε αυτήν την κατηγορία λόγω ελλείψεως υλικού. Ένα γενικό μοντέλο των δοκιμίων αυτών, μαζί με τις διαστάσεις του, παρατίθεται στο Σχήμα Σχήμα Γενική μορφή των υβριδικών δοκιμίων εφελκυσμού τύπου Dogbone. Η μορφή όλων των δοκιμίων αυτής της ομάδας πειραμάτων παρατίθεται στην Εικόνα

140 Εικόνα Μορφή όλων των δοκιμίων εφελκυσμού τύπου "Dogbone" Ονοματολογία δοκιμίων Η γενική ονομασία των δοκιμίων αυτής της ομάδας πειραμάτων, και των δύο κατηγοριών, είναι της μορφής kda. Το γράμμα k αναφέρεται στον αύξοντα αριθμό του κάθε δοκιμίου. Το γράμμα D αναφέρεται στον τύπο των δοκιμίων, τα οποία είναι τύπου Dogbone. Τέλος, το γράμμα a παίρνει τις τιμές x και y, όπου: α) Το x αναφέρεται στο κράμα αλουμινίου 5083-Η111. β) Το y αναφέρεται στο κράμα αλουμινίου 5083-Η321. Τα ονόματα, καθώς επίσης και οι βασικές διαστάσεις των δοκιμίων που χρησιμοποιήθηκαν στην πειραματική διαδικασία βρίσκονται συγκεντρωμένα στον Πίνακα Πρέπει να σημειωθεί, επίσης, ότι το πάχος των δοκιμίων αναφέρεται στη μέση τιμή από τις τιμές πάχους που μετρήθηκαν σε διάφορες θέσεις κατά μήκος του εκάστοτε δοκιμίου. 139

141 Πίνακας Γεωμετρικά χαρακτηριστικά των δοκιμίων kdx και kdy. Όνομα Μήκος (Ολικό) (mm) Μήκος (Πέλματος) (mm) Πλάτος (Κορμού) (mm) Πλάτος (Πέλματος) (mm) Πάχος (Μέσο) (mm) 1Dx , ,94 2Dx , ,98 3Dx , ,88 4Dx , ,90 1Dy , ,5 3, Περιγραφή των δοκιμών Σε αυτήν την ομάδα δοκιμών εφελκυσμού, η ταχύτητα απομάκρυνσης των στελεχών της μηχανής εφελκυσμού ορίστηκε ίση με 0,5 mm/min. O υπολογιστής κατέγραφε της τιμές της μηχανής εφελκυσμού με ταχύτητα δειγματοληψίας ίση με 2 τιμές/sec, για τα δοκίμια 1Dx και 2Dx, ενώ για τα υπόλοιπα δοκίμια, η ταχύτητα δειγματοληψίας ορίστηκε ίση με 5 τιμές/sec. Για κάθε δειγματοληψία, τα μεγέθη που κατέγραφε ο υπολογιστής ήταν η επιβαλλόμενη δύναμη (σε kn), η μετατόπιση (σε mm), το χρονικό διάστημα που είχε περάσει από την έναρξη της δοκιμής (σε sec), καθώς επίσης και τις τιμές της παραμόρφωσης που έδινε το επιμηκυνσιόμετρο που ήταν τοποθετημένο σε κάθε δοκίμιο. Πρέπει να σημειωθεί, επίσης, ότι σε κάθε δοκίμιο σημειώθηκε κατά προσέγγιση η περιοχή της συγκόλλησης προκειμένου να υπάρχει μία άποψη σχετικά με τη θέση της θραύσης ως προς τη συγκόλληση. Βάσει των τιμών της επιβαλλόμενης δύναμης και της παραμόρφωσης που παρείχαν η μηχανή εφελκυσμού και το επιμηκυνσιόμετρο που ήταν εγκατεστημένο πάνω σε κάθε δοκίμιο, και βάσει της διατομής του κάθε δοκιμίου, που υπολογίζεται από τις διαστάσεις του, όπως αυτές παρατίθενται στον Πίνακα 4.10, προκύπτουν οι τιμές της συμβατικής τάσης (σ eng ) και της συμβατικής παραμόρφωσης (ε eng ) για κάθε δοκίμιο, οι οποίες αντιστοιχούν στις ονομαστικές τιμές, όπως αυτές αναλύθηκαν παραπάνω. Με βάση τις τιμές της συμβατικής τάσης και της συμβατικής παραμόρφωσης, χρησιμοποιώντας τις σχέσεις (4.3) και (4.4), προκύπτουν οι τιμές της πραγματικής τάσης (σ tr ) και της πραγματικής παραμόρφωσης (ε tr ). Κατά τη διάρκεια εκτέλεσης των δοκιμών, διαπιστώθηκε ότι δεν είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθούν τα αποτελέσματα όλων των δοκιμίων που χρησιμοποιήθηκαν, καθώς η θραύση των δοκιμίων επηρεάστηκε σημαντικά από κατασκευαστικές ατέλειες που υπήρχαν, κυρίως στην περιοχή της συγκόλλησης, σε ορισμένα από αυτά. Μία άποψη όλων των δοκιμίων μετά το τέλος των δοκιμών παρατίθεται στην Εικόνα

142 Εικόνα Άποψη των δοκιμίων μετά την ολοκλήρωση των δοκιμών. Συγκεκριμένα, μόνο τα δοκίμια 3Dx και 1Dy, και λιγότερο το δοκίμιο 1Dx παρουσίασαν «ομαλή» συμπεριφορά κατά τη θραύση, κάτι το οποίο διαπιστώνεται και από την επιφάνεια θραύσης. Το δοκίμιο 3Dx και, σε μικρότερο βαθμό, το δοκίμιο 1Dx, παρουσίασαν ομαλή επιφάνεια θραύσης, η οποία θραύση επήλθε στην περιοχή της συγκόλλησης. Σημαντικό θεωρείται το γεγονός ότι τα δοκίμια αυτά παρουσίασαν ελάχιστο πορώδες. Ιδιαίτερα καλή συμπεριφορά στη θραύση επέδειξε και το δοκίμιο 1Dy, στο οποίο μάλιστα η θραύση παρουσιάστηκε λίγο πιο πάνω από την περιοχή της συγκόλλησης. Στο δοκίμιο αυτό η επιφάνεια της θραύσης ήταν αρκετά «ομαλή». Αντιθέτως, το δοκίμιο 4Dx, και ακόμα πιο έντονα το δοκίμιο 2Dx, παρουσίασαν ανώμαλη επιφάνεια θραύσης, η οποία, και στα δύο δοκίμια, επήλθε στην περιοχή της συγκόλλησης. Το γεγονός αυτό οφείλεται στην ύπαρξη ευδιάκριτου πορώδους στην περιοχή της συγκόλλησης, το οποίο ήταν πιο έντονο στο δοκίμιο 2Dx, στο οποίο και η θραύση επήλθε ιδιαίτερα γρήγορα εξαιτίας αυτής της ατέλειας. Όλα τα παραπάνω παρατίθενται στις Εικόνες 4.58 έως 4.62 που ακολουθούν. 141

143 Εικόνα Μορφή της επιφάνειας θράυσης του δοκιμίου 1Dx μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής μονοαξονικού εφελκυσμού. Εικόνα Άποψη της επιφάνειας θραύσης του δοκιμίου 3Dx μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής μονοαξονικού εφελκυσμού. 142

144 Εικόνα Μορφή της επιφάνειας θραύσης του δοκιμίου 1Dy μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής μονοαξονικού εφελκυσμού. Εικόνα Μορφή της επιφάνειας θραύσης του δοκιμίου 2Dx μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής μονοαξονικού εφελκυσμού. Είναι ευδιάκριτο το εκτεταμένο πορώδες που έχει αναπτυχθεί στην περιοχή της συγκόλλησης. 143

145 Εικόνα Μορφή της επιφάνειας θραύσης του δοκιμίου 4Dx μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής μονοαξονικού εφελκυσμού. Όσον αφορά στις μηχανικές ιδιότητες του υβριδικού ελάσματος, και των δύο κατηγοριών δοκιμίων, που έπρεπε να υπολογιστούν, αυτές αναφέρονται στο μέτρο ελαστικότητας Ε, στη μέγιστη αντοχή σε εφελκυσμό σ TS και την αντίστοιχη παραμόρφωση ε TS, και στο όριο διαροής σ y. Κρίθηκε σωστό, για τον προσδιορισμό των μεγεθών αυτών, να χρησιμοποιηθούν τα αποτελέσματα των δοκιμίων 1Dx και 3Dx, όσον αφορά στα δοκίμια της πρώτης κατηγορίας, και του δοκιμίου 1Dy, το οποίο είναι και το μοναδικό της δεύτερης κατηγορίας. Τα μεγέθη αυτά εξήχθησαν από τα διαγράμματα που παρατίθενται στα Σχήματα 4.27 έως Διάγραμμα Συμβατικών Τάσεων-Συμβατικών Παραμορφώσεων Δοκίμια kdx Συμβατική Τάση (σeng) [MPa] ,05 0,1 0,15 Συμβατική Παραμόρφωση (εeng) [Microstrain] 1Dx 3Dx Σχήμα Διάγραμμα συμβατικών τάσεων-συμβατικών παραμορφώσεων των δοκιμίων kdx. 144

146 Διάγραμμα Συμβατικών Τάσεων-Συμβατικών Παραμορφώσεων Δοκίμιo 1Dy Συμβατική Τάση (σeng) [MPa] ,05 0,1 0,15 0,2 Συμβατική Παραμόρφωση (εeng) [Microstrain] 1Dy Σχήμα Διάγραμμα συμβατικών τάσεων-συμβατικών παραμορφώσεων του δοκιμίου 1Dy. Διάγραμμα Συμβατικών Τάσεων-Συμβατικών Παραμορφώσεων Δοκίμια kdx και kdy Συμβατική Τάση (σeng) [MPa] ,05 0,1 0,15 0,2 Συμβατική Παραμόρφωση (εeng) [Microstrain] 1Dx 3Dx 1Dy Σχήμα Διάγραμμα συμβατικών τάσεων-συμβατικών παραμορφώσεων των δοκιμίων kdx και kdy. 145

147 Πραγματική Τάση (σtr) [MPa] Διάγραμμα Πραγματικών Τάσεων-Πραγματικών Παραμορφώσεων Δοκίμια kdx 1Dx 3Dx 0 0 0,05 0,1 0,15 Πραγματική Παραμόρφωση (εtr) [Microstrain] Σχήμα Διάγραμμα πραγματικών τάσεων-πραγματικών παραμορφώσεων των δοκιμίων kdx. Πραγματική Τάση (σtr) [MPa] Διάγραμμα Πραγματικών Τάσεων-Πραγματικών Παραμορφώσεων Δοκίμιο 1Dy 0 0 0,05 0,1 0,15 0,2 Πραγματική Παραμόρφωση (εtr) [Microstrain] 1Dy Σχήμα Διάγραμμα πραγματικών τάσεων-πραγματικών παραμορφώσεων του δοκιμίου 1Dy. 146

148 Πραγματική Τάση (σtr) [MPa] Διάγραμμα Πραγματικών Τάσεων-Πραγματικών Παραμορφώσεων Δοκίμια kdx και kdy 1Dx 3Dx 1Dy 0 0 0,05 0,1 0,15 0,2 Πραγματική Παραμόρφωση (εtr) [Microstrain] Σχήμα Διάγραμμα πραγματικών τάσεων-πραγματικών παραμορφώσεων των δοκιμίων kdx και kdy. Όσον αφορά στην πρώτη κατηγορία δοκιμίων, τα αποτελέσματα των δοκιμίων 1Dx και 3Dx χρησιμοποιήθηκαν για τον υπολογισμό του ορίου διαρροής και του μέτρου ελαστικότητας, ενώ για τον υπολογισμό της μέγιστης αντοχής σε εφελκυσμό, χρησιμοποιήθηκαν τα αποτελέσματα μόνο του δοκιμίου 3Dx, καθώς τα αποτελέσματα του δοκιμίου 1Dx κρίθηκαν πως δεν ήταν αξιόπιστα για τον προσδιορισμό του συγκεκριμένου μεγέθους. Όσον αφορά στη δεύτερη κατηγορία, τα αποτελέσματα του μοναδικού δοκιμίου της κατηγορίας, του 1Dy, ήταν αξιόπιστα και χρησιμοποιήθηκαν για τον προσδιορισμό όλων των παραπάνω μεγεθών. Τα μεγέθη αυτά βρίσκονται συγκεντρωμένα στους Πίνακες 4.11 και Να σημειωθεί ότι, επειδή το αλουμίνιο είναι υλικό στο οποίο το όριο διαρροής δεν είναι δυνατό να προσδιοριστεί με ακρίβεια, υπολογίστηκε το συμβατικό όριο διαρροής, για παραμόρφωση 0,2%. Πίνακας Αποτελέσματα συμβατικών και πραγματικών τάσεων και παραμορφώσεων για τη μέγιστη αντοχή σε εφελκυσμό των δοκιμίων και των δύο κατηγοριών. Όνομα Συμβατική Τάση [σ TS(eng) ] (MPa) Συμβατική Παραμόρφωση [ε TS(eng) ] (%) Πραγματική Τάση [σ TS(tr) ] (MPa) Πραγματική Παραμόρφωση [ε TS(tr) ] (%) 3Dx 332,17 12,5 373,69 11,78 1Dy 340,32 15,26 391,57 14,03 147

149 Πίνακας Αποτελέσματα για το όριο διαρροής και το μέτρο ελαστικότητας των δοκιμίων και των δύο κατηγοριών. Όνομα Όριο Διαρροής (0,2% ε) [σ y(0,2%) ] (MPa) Μέτρο Ελαστικότητας [Ε] (GPa) 1Dx 158,98 68,12 3Dx 159,51 68,35 1Dy 160,06 64,86 Μέσος Όρος Δοκιμίων kdx Μέσος Όρος Δοκιμίων kdy 159,25 68,24 160,06 64,86 Στον Πίνακα 4.13 βρίσκονται συγκεντρωμένα τα αποτελέσματα των δοκιμών σχετικά με το όριο διαρροής και τη μέγιστη τάση σε εφελκυσμό, καθώς επίσης και τεκμηριωμένα στοιχεία για τα μεγέθη αυτά για τα κράματα 1561, 5083-Η111, Η321, καθώς επίσης και του κράματος 5183, το οποίο είναι το μέταλλο συγκόλλησης. Πίνακας Σύγκριση των μηχανικών ιδιοτήτων του υβριδικού ελάσματος αλουμινίου με τεκμηριωμένα στοιχεία για τις μηχανικές ιδιότητες των κραμάτων που το αποτελούν. Ιδιότητα Όριο Διαρροής [σ y(0,2%) ] (MPa) Μέγιστη Αντοχή σε Εφελκυσμό (σ TS ) (MPa) Αποτελέσματα Υβριδικού Ελάσματος kdx 159,25 kdy 160,06 kdx 332,17 kdy 340,32 Kράμα Η111 Κράμα Η321 Κράμα 5183 Kράμα , ,2 Στο σημείο αυτό θα πρέπει να επισημάνουμε πως ο περιορισμένος αριθμός των διαθέσιμων δοκιμίων, καθώς επίσης και το γεγονός ότι παρουσιάστηκαν σημαντικές κακοτεχνίες, όπως το εκτεταμένο πορώδες, σε ορισμένα από αυτά, δεν μας επιτρέπουν να εξάγουμε ασφαλή συμπεράσματα και να σχηματίσουμε μία ολοκληρωμένη εικόνα σχετικά με τις μηχανικές ιδιότητες και τη συμπεριφορά του εξεταζόμενου υβριδικού ελάσματος. Η ανάλυση των αποτελεσμάτων μας δίνει τη δυνατότητα να αποκομίσουμε ορισμένες μόνον ενδείξεις σχετικά με αυτά τα θέματα που καλούμαστε να καλύψουμε και ως εκ τούτου, καθίσταται απαραίτητη η εκπόνηση, μελλοντικά, παρόμοιων μελετών, προκειμένου να συλλέξουμε περισσότερα, και πιο ολοκληρωμένα, αποτελέσματα. 148

150 η Ομάδα πειραμάτων: Δοκιμές εφελκυσμού σε υβριδικά, συμπαγή δοκίμια εφελκυσμού μικρής κλίμακας «τύπου CT» (Compact Tension) Σκοπός των πειραμάτων και γενικές πληροφορίες για τα δοκίμια Σκοπός των πειραμάτων αυτής της ομάδας είναι η παρατήρηση της διάδοσης μιας προϋπάρχουσας, τεχνητής διαμπερούς ρωγμής σε υβριδικά αλουμινένια δοκίμια μικρής κλίμακας «τύπου CT» (Compact Tension) που υποβάλλονται σε εφελκυστικό φορτίο. Αυτή η ομάδα πειραμάτων περιλαμβάνει δοκιμές μονοαξονικού εφελκυσμού σε υβριδικά, συμπαγή δοκίμια εφελκυσμού, τα οποία αποτελούνται από δύο τμήματα από διαφορετικά κράματα αλουμινίου το καθένα: το κράμα αλουμινίου 1561 και το κράμα αλουμινίου Τα τμήματα αυτά έχουν συγκολληθεί με τη μέθοδο συγκόλλησης GMAW. Επίσης, στα δοκίμια αυτά, όπως έχει αναφερθεί ήδη, έχει κατασκευαστεί μία αρχική ρωγμή, μήκους 61 mm, με κατεύθυνση προς την πλευρά της συγκόλλησης. και ακόμα, έχουν κατασκευαστεί δύο διαμπερείς οπές, διαμέτρου 25 mm, εκατέρωθεν της αρχικής ρωγμής, σε ίση απόσταση η κάθε μία από τον άξονα συμμετρίας της αρχικής ρωγμής. Οι οπές αυτές χρησιμεύουν για τη συγκράτηση των δοκιμίων από τις αρπάγες της μηχανής εφελκυσμού. Χαρακτηριστικό της ρωγμής αυτής είναι ότι το άκρο στο οποίο καταλήγει, έχει ημικυκλική μορφή, ακτίνας 2,5 mm. Συνολικά, χρησιμοποιήθηκαν έξι δοκίμια αυτού του τύπου, τα οποία χωρίζονται σε δύο κατηγορίες, ανάλογα με το είδος της κατεργασίας που έχει υποστεί το κράμα αλουμινίου Έτσι, υπάρχουν τρία δοκίμια τα οποία περιλαμβάνουν το κράμα αλουμινίου 5083-Η111 και τρία δοκίμια τα οποία περιλαμβάνουν το κράμα αλουμινίου 5083-Η321. Σε όλα τα δοκίμια, η αρχική τεχνητή ρωγμή που αναφέρθηκε προηγουμένως έχει κατασκευαστεί στο τμήμα των δοκιμίων που αποτελείται από κράμα αλουμινίου Ένα γενικό μοντέλο των δοκιμίων αυτών μαζί με τις διαστάσεις του παρατίθεται στο Σχήμα

151 Σχήμα Γενική μορφή των υβριδικών, συμπαγών δοκιμίων τύπου CT. Η μορφή των έξι δοκιμίων, πριν αυτά χρησιμοποιηθούν στην πειραματική διαδικασία, παρουσιάζεται στην Εικόνα Εικόνα Γενική μορφή των δοκιμίων πριν από την πειραματική διαδικασία. α) Πάνω σειρά, από αριστερά: wctzx1, wctzx2, wctzx3. β) Κάτω σειρά, από αριστερά : wctzy1, wctzy2, wctzy3. 150

152 Ονοματολογία δοκιμίων Η γενική ονομασία των δοκιμίων είναι της μορφής wctabi. Το γράμμα w συμβολίζει ότι τα δοκίμια είναι συγκολλητά. Τα γράμματα CT αναφέρονται στον τύπο των δοκιμίων, δηλαδή συμπαγή δοκίμια εφελκυσμού (Compact Specimens). Τα γράμματα a και b αναφέρονται στο κράμα αλουμινίου από το οποίο αποτελούνται τα τμήματα που απαρτίζουν το κάθε δοκίμιο. Συγκεκριμένα, το γράμμα a αναφέρεται στο τμήμα εκείνο το οποίο φέρει την τεχνητή ρωγμή και το γράμμα b αναφέρεται στο άλλο τμήμα. Τα γράμματα a και b παίρνουν τις τιμές x, y, z, όπου: 1) z: αναφέρεται στο κράμα αλουμινίου ) x: αναφέρεται στο κράμα αλουμινίου 5083-Η111. 3) y: αναφέρεται στο κράμα αλουμινίου 5083-Η321. Τέλος, το γράμμα i αναφέρεται στον αύξοντα αριθμό του δοκιμίου και παίρνει τιμές από 1 έως 3. Στον Πίνακα 4.14 είναι καταγεγραμμένα τα ονόματα και οι βασικές διαστάσεις των δοκιμίων αυτής της ομάδας που χρησιμοποιήθηκαν στην πειραματική διαδικασία. Πίνακας Γεωμετρικά χαρακτηριστικά των δοκιμίων. Ονομασία Δοκιμίου Μήκος (mm) Πλάτος (mm) Πάχος (mm) Μήκος Αρχικής Ρωγμής (mm) wctzx ,8 60,5 wctzx ,9 62 wctzx ,5 3,9 61,5 wctzy ,2 61 wctzy ,8 61,5 wctzy , Περιγραφή των δοκιμών Οι δοκιμές εφελκυσμού σε αυτήν την ομάδα δοκιμίων πραγματοποιήθηκαν για μέγιστη τιμή του επιβαλλόμενου φορτίου ίση με 95 kn. Η ταχύτητα απομάκρυνσης των στελεχών της μηχανής εφελκυσμού ήταν ίση με 1 mm/min. Ο λόγος για τον οποίο επιλέχτηκε η συγκεκριμένη ταχύτητα απομάκρυνσης έχει εξηγηθεί προηγουμένως στην ενότητα Ακόμα, ο υπολογιστής κατέγραφε τις τιμές της μηχανής με ταχύτητα δειγματοληψίας ίση με 1 τιμή/sec. Για κάθε δειγματοληψία, τα μεγέθη που κατέγραφε ο υπολογιστής ήταν η επιβαλλόμενη δύναμη (σε kn), η μετατόπιση (σε mm) και το χρονικό διάστημα (σε sec) που είχε περάσει από την ώρα της έναρξης της κάθε δοκιμής. Η φωτογραφική μηχανή λάμβανε φωτογραφίες ανά 5 sec. Τέλος, ξεκινώντας από το δοκίμιο wctzx2 και συνεχίζοντας και στα υπόλοιπα, χαράχτηκε μία ομάδα από παράλληλες μεταξύ τους γραμμές, κάθετα προς τη διεύθυνση της αρχικής ρωγμής προκειμένου να μελετηθεί καλύτερα η διάδοση της ρηγμάτωσης με την ολοκλήρωση του πειράματος. Στο τμήμα του δοκιμίου, όπου βρισκόταν η αρχική 151

153 ρωγμή, οι γραμμές άρχισαν να χαράσσονται από το άκρο της ρωγμής, σε απόσταση 5 mm μεταξύ τους, ξεκινώντας από τη γραμμή Ν ο 0 και καταλήγοντας στη γραμμή Ν ο 4 ενώ, στο άλλο τμήμα, οι γραμμές άρχισαν να χαράσσονται από το άκρο του τμήματος, πάλι σε απόσταση 5 mm μεταξύ τους, ξεκινώντας από τη γραμμή Ν ο 5 και καταλήγοντας στη γραμμή Ν ο Δοκίμιο wctzx1 Η έναρξη της ρωγμής στο δοκίμιο αυτό παρατηρήθηκε για τιμή επιβαλλόμενου φορτίου ίση με 12,56 kn και για μετατόπιση ίση με 2,98 mm, 182 sec μετά την έναρξη της δοκιμής. Η ρωγμή ξεκίνησε πλησίον του μέσου του ημικυκλικού άκρου της τεχνητής ρωγμής και με την εμφάνισή της άρχισε να διαδίδεται υπό κλίση ως προς τη διεύθυνση της επιβαλλόμενης φόρτισης. Στη συνέχεια, η ρωγμή άλλαξε διεύθυνση και συνέχισε να διαδίδεται κάθετα προς τη διεύθυνση της επιβαλλόμενης φόρτισης για μικρό χρονικό διάστημα και έπειτα, απέκτησε πάλι κλίση, αυτή τη φορά μικρότερη και αντίθετης φοράς σε σχέση με προηγουμένως. Με αυτή τη διεύθυνση η ρωγμή συνέχισε μέχρι τη ραφή της συγκόλλησης, στην οποία και έφτασε για τιμή επιβαλλόμενου φορτίου κοντά στα 3,5 kn. Σε αυτό το σημείο η ρωγμή συνάντησε εμπόδιο, πράγμα και το οποίο καταδεικνύεται από το γεγονός ότι πέρασαν αρκετά δευτερόλεπτα σε σχέση με προηγούμενα στάδια του πειράματος μέχρι να παρατηρηθεί κάποια αλλαγή στην πορεία της ρωγμής. Τελικά, η ρωμή διαδόθηκε στη ραφή της συγκόλλησης σε διεύθυνση κάθετη προς τη διεύθυνση της επιβαλλόμενης φόρτισης και τη διαπέρασε, για τιμή επιβαλλόμενου φορτίου περίπου ίση με 2 kn. Η ρωγμή συνέχισε να διαδίδεται στο άλλο τμήμα του δοκιμίου, με την ίδια διεύθυνση μέχρι την ολοκλήρωση της δοκιμής. Στις Εικόνες 4.64 και 4.65, αντίστοιχα, παρατίθεται τμηματικά η διάδοση της ρωγμής και η μορφή του δοκιμίου μετά το τέλος της δοκιμής. Να σημειωθεί ότι κατά την προσπάθεια απασφάλισης του δοκιμίου από τα εξαρτήματα συγκράτησής του επήλθε η πλήρης θραύση του. Tο διάγραμμα δύναμης-μετατόπισης του δοκιμίου παρουσιάζεται στο Σχήμα Η κορυφή του διαγράμματος αντιστοιχεί το ζεύγος τιμών δύναμης-μετατόπισης στο οποίο παρατηρήθηκε η έναρξη της θραύσης του δοκιμίου. Η απότομη μεταβολή του διαγράμματος που παρατηρείται ανάμεσα στα 2 και 4 kn, για μετατόπιση μεταξύ 20 και 25 mm αντιστοιχεί στο σημείο όπου η ρωγμή διαπερνά τη ραφή της συγκόλλησης. 152

154 (0) (1) (2) (3) (4) (5) Εικόνα Πορεία διάδοσης της ρωγμής του υβρισικού δοκιμίου wctzx1 (ξεκινώντας από την επάνω σειρά, από αριστερά προς τα δεξιά): (1) Έναρξη της ρωγμής υπό κλίση. (2) Συνέχιση σε διεύθυνση κάθετη προς τη φόρτιση. (3) Αλλαγή διεύθυνσης και συνέχιση υπό αντίθετη κλίση. (4) Η ρωγμή φτάνει στη συγκόλληση.(5) Η ρωγμή διαπερνά τη συγκόλληση και συνεχίζει να διαδίδεται κάθετα προς τη φόρτιση. Εικόνα Μορφή του υβριδικού δοκιμίου wctzx1 μετά το τέλος της δοκιμής μονοαξονικού εφελκυσμού. Είναι εμφανής η πλήρης θραύση που επήλθε στο δοκίμιο κατά τη διαδικασία απασφάλισης από τα εξαρτήματα συγράτησής του. 153

155 Δοκίμιο wctzx Δύναμη [kn] Μετατόπιση [mm] Σχήμα Διάγραμμα δύναμης-μετατόπισης για το υβριδικό δοκίμιο wctzx1, μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής του μονοαξονικού εφελκυσμού Δοκίμιο wctzx2 Στο δοκίμιο αυτό, όπως και στα δοκίμια που θα ακουλουθήσουν, χαράχτηκαν μία ομάδα γραμμών, με συγκεκριμένη απόσταση μεταξύ τους, όπως έχει περιγραφεί παραπάνω, προκειμένου να διευκολυνθεί η καταγραφή της πορείας διάδοσης της ρωγμής. Στο δοκίμιο αυτό, η έναρξη της ρωγμής παρατηρήθηκε για τιμή επιβαλλόμενου φορτίου ίση με 13,95 kn και για μετατόπιση ίση με 3,93 mm, 238 sec μετά την έναρξη της δοκιμής. Η ρωγμή ξεκίνησε στην περιοχή κοντά στο μέσο του ημικυκλικού άκρου υπό μικρή κλίση η οποία όμως εξαλείφθηκε σύντομα και από τη γραμμή Ν ο 0 και μετά, η ρωγμή συνέχισε να διαδίδεται κάθετα στη διεύθυνση του επιβαλλόμενου φορτίου. Στη γραμμή Ν ο 1, 5 mm από το άκρο της ρωγμής, η ρωγμή συνέχισε να διαδίδεται υπό κλίση, την οποία και διατήρησε μέχρι και τη γραμμή Ν ο 3, 15 mm από το άκρο της ρωγμής. Στο σημείο αυτό, η κλίση της ρωγμής αυξήθηκε απότομα και λίγο μετά τη γραμμή Ν ο 3, η ρωγμή άλλαξε εκ νέου διεύθυνση και αυτή τη φορά, συνέχισε να διαδίδεται κάθετα προς τη διεύθυνση της φόρτισης, διεύθυνση με την οποία έφτασε μέχρι τη ραφή της συγκόλλησης, για τιμή επιβαλλόμενου φορτίου ίση με 3,79 kn. Στο σημείο αυτό, η ρωγμή συνάντησε εμπόδιο και τελικά, διαπέρασε τη ραφή της συγκόλλησης για τιμή επιβαλλόμενου φορτίου ίση με 2,15 kn. Έπειτά, συνέχισε να διαδίδεται με την ίδια διεύθυνση και στο άλλο τμήμα του δοκιμίου μέχρι την ολοκλήρωση της δοκιμής. Στις Εικόνες 4.66 και 4.67, αντίστοιχα, παρατίθεται τμηματικά η διάδοση της ρωγμής και η μορφή του δοκιμίου μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής. Το διάγραμμα δύναμης-μετατόπισης του δοκιμίου παρουσιάζεται στο Σχήμα Η κορυφή του διαγράμματος αντιστοιχεί το ζεύγος τιμών δύναμης-μετατόπισης στο οποίο παρατηρήθηκε ή έναρξη της θραύσης του δοκιμίου. Η απότομη μεταβολή του διαγράμματος που παρατηρείται ανάμεσα στα 2 και 4 kn, για μετατόπιση κοντα 154

156 στα 25 mm αντιστοιχεί στο σημείο όπου η ρωγμή διαπερνά τη ραφή της συγκόλλησης. (0) (1) (2) (3) (4) (5) Εικόνα Πορεία διάδοσης της ρωγμής του υβριδικού δοκιμίου wctzx2 (ξεκινώντας από την επάνω σειρά, από αριστερά προς τα δεξιά): (1) Έναρξη της ρωγμής και συνέχιση κάθετα προς τη φόρτιση. (2) Συνέχιση της διάδοσης της ρωγμής υπό κλίση μετά τη γραμμή Ν ο 1. (3) Απότομη αύξηση της κλίσης και συνέχιση κάθετα προς τη φόρτιση απο τη γραμμή Ν ο 3. (4) Η ρωγμή φτάνει στη συγκόλληση. (5) Η ρωγμή διαπερνά τη συγκόλληση και διαδίδεται κάθετα προς τη φόρτιση στο άλλο τμήμα του δοκιμίου. Εικόνα Μορφή του υβριδικού δοκιμίου wctzx2 μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής μονοαξονικού εφελκυσμού. 155

157 Δοκίμιο wctzx2 Δύναμη [kn] Μετατόπιση [mm] Σχήμα Διάγραμμα δύναμης-μετατόπισης για το υβριδικό δοκίμιο wctzx2, μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής του μονοαξονικού εφελκυσμού Δοκίμιο wctzx3 Η έναρξη της ρωγμής παρατηρήθηκε για τιμή επιβαλλόμενου φορτίου ίση με 13,98 kn και για μετατόπιση ίση με 4,18 mm, 253 sec μετά την έναρξη της δοκιμής, λίγο πιο κάτω από το μέσο του ημικυκλικού άκρου της αρχικής ρωγμής, σε διεύθυνση κάθετη προς αυτήν της επιβαλλόμενης φόρτισης. Η ρωγμή συνέχισε στην ίδια διεύθυνση μέχρι και τη γραμμή Ν ο 2, σε απόσταση 10 mm από το άκρο της αρχικής ρωγμής. Από το σημείο αυτό και μετά, η ρωγμή απέκτησε κλίση, την οποία και διατήρησε μέχρι και τη ραφή της συγκόλλησης. Στο σημείο αυτό συνάντησε εμπόδιο και τελικά, διαπέρασε τη ραφή της συγκόλλησης, για τιμή επιβαλλόμενου φορτίου περίπου ίση με 3 kn, σε διεύθυνση κάθετη προς της διεύθυνση του επιβαλλόμενου φορτίου. Με τη διεύθυνση αυτή, η ρωγμή συνέχισε να διαδίδεται και στο άλλο τμήμα του δοκιμίου μέχρι την ολοκλήρωση της δοκιμής. Στις Εικόνες 4.68 και 4.69, αντίστοιχα, παρατίθεται τμηματικά η διάδοση της ρωγμής και η μορφή του δοκιμίου μετά το τέλος της δοκιμής. Το διάγραμμα δύναμης-μετατόπισης του δοκιμίου παρουσιάζεται στο Σχήμα Η κορυφή του διαγράμματος αντιστοιχεί το ζεύγος τιμών δύναμης-μετατόπισης στο οποίο παρατηρήθηκε ή έναρξη της θραύσης του δοκιμιόυ. Η απότομη μεταβολή του διαγράμματος που παρατηρείται ανάμεσα στα 2 και 4 kn, για μετατόπιση κοντα στα 20 mm αντιστοιχεί στο σημείο όπου η ρωγμή διαπερνά τη ραφή της συγκόλλησης. 156

158 (0) (1) (2) (3) (4) (5) Εικόνα Πορεία διάδοσης της ρωγμής του υβριδικού δοκιμίου wctzx3 (ξεκινώντας από την πάνω σειρά, από αριστερά προς τα δεξιά): (1) Έναρξη της ρωγμής κάθετα προς τη φόρτιση. (2) Συνέχιση με την ίδια διεύθυνση μέχρι τη γραμμή Ν ο 2. (3) Αλλαγή διεύθυνσης, συνέχιση υπό κλίση. (4) Η ρωγμή φτάνει στη ραφή της συγκόλλησης και τη διαπερνά σε διεύθυνση κάθετη προς αυτή της επιβαλλόμενης φόρτισης. (5) Η ρωγμή διαδίδεται στο άλλο τμήμα με την ίδια διεύθυνση. Εικόνα Μορφή του υβριδικού δοκιμίου wctzx3 μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής μονοαξονικού εφελκυσμού. 157

159 Δοκίμιο wctzx3 Δύναμη [kn] Μετατόπιση [mm] Σχήμα Διάγραμμα δύναμης-μετατόπισης για το υβριδικό δοκίμιο wctzx3, μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής του μονοαξονικού εφελκυσμού Δοκίμιο wctzy1 Η έναρξη της ρωγμής παρατηρείται πλησίον του ημικυκλικού άκρου της αρχικής ρωγμής, για τιμή επιβαλλόμενου φορτίου ίση με 11,5 kn και για μετατόπιση ίση με 3,12 mm, 187 sec μετά τη έναρξη της δοκιμής. Η έναρξη της ρωγμής έγινε υπό κλίση, η οποία διατηρήθηκε μέχρι τη γραμμή Ν ο 2, σε απόσταση 10 mm από το άκρο της αρχικής ρωγμής. Από το σημείο αυτό και μετά, η ρωγμή συνέχισε να διαδίδεται υπό γωνία, με μικρότερη κλίση όμως αυτή τη φορά σε σχέση με προηγουμένως. Η κλίση συνέχισε να ελαττώνεται με αποτέλεσμα η ρωγμή να φτάσει στη ραφή της συγκόλλησης σε διεύθυνση σχεδόν κάθετη προς αυτή της επιβαλλόμενης φόρτισης, της οποία η τιμή, σε εκείνο το σημείο, ήταν περίπου ίση με 4 kn. Η ρωγμή αρχικά διαδόθηκε υπο μεγάλη κλίση, αντίθετη σε σχέση με προηγουμένως, μέχρι τα μέσα της ραφής και στη συνέχεια άλλαξε εκ νέου διεύθυνση και συνέχισε να διαδίδεται υπό μικρότερη και αντίθετη κλίση και διαπέρασε τη ραφή της συγκόλλησης. Με την ίδια διεύθυνση συνέχισε να διαδίδεται και στο άλλο τμήμα του δοκιμίου μέχρι την ολοκλήρωση της δοκιμής. Στις Εικόνες 4.70 και 4.71, αντίστοιχα, παρατίθεται τμηματικά η διάδοση της ρωγμής και η μορφή του δοκιμίου μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής. Το διάγραμμα δύναμης-μετατόπισης του δοκιμίου παρουσιάζεται στο Σχήμα Η κορυφή του διαγράμματος αντιστοιχεί το ζεύγος τιμών δύναμης-μετατόπισης στο οποίο παρατηρήθηκε η έναρξη της θραύσης του δοκιμιόυ. Η απότομη μεταβολή του διαγράμματος που παρατηρείται ανάμεσα στα 2 και 4 kn, για μετατόπιση ανάμεσα στα 15 και 20 mm αντιστοιχεί στο σημείο όπου η ρωγμή διαπερνά τη ραφή της συγκόλλησης. 158

160 (0) (1) (2) (3) (4) (5) Εικόνα Πορεία διάδοσης της ρωγμής του υβριδικού δοκιμίου wctzy1 (ξεκινώντας από την πάνω σειρά, από αριστερά προς τα δεξιά): (1) Έναρξη της ρωγμής τπό κλίση. (2) Ελάττωση της κλίσης από τη γραμμή Ν ο 2 και μετά. (3) Η ρωγμή φτάνει στη ραφή της συγκόλλησης σχεδόν κάθετα στη φόρτιση. (4) Η ρωγμή αλλάζει διεύθυνση μέσα στη ραφή της συγκόλλησης και τη διαπερνά σε διεύθυνση κάθετη προς τη φόρτιση. (5) Η ρωγμή διαδίδεται υπό γωνία στο άλλο τμήμα. Εικόνα Μορφή του υβριδικού δοκιμίου wctzy1 μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής μονοαξονικού εφελκυσμού. 159

161 Δοκίμιο wctzy Δύναμη [kn] Μετατόπιση [mm] Σχήμα Διάγραμμα δύναμης-μετατόπισης για το υβριδικό δοκίμιο wctzy1, μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής του μονοαξονικού εφελκυσμού Δοκίμιο wctzy2 Η έναρξη της ρωγμής παρατηρήθηκε στο μέσο του ημικυκλικού άκρου της αρχικής ρωγμής για τιμή επιβαλλόμενου φορτίου ίση με 13,34 kn και για μετατόπιση ίση με 3,15 mm, 193 sec μετά την έναρξη της δοκιμής. Η ρωγμή άρχισε να διαδίδεται υπό γωνία, η κλίση της οποίας άρχισε να μειώνεται στη μέση της απόστασης ανάμεσα στη γραμμή Ν ο 0 και Ν ο 1, σε απόσταση 2,5 mm από το άκρο της αρχικής ρωγμής. Στη γραμμή Ν ο 1, σε απόσταση 5 mm απο το άκρο της αρχικής ρωγμής, η κλίση της ρωγμής μειώθηκε και άλλο και υπό αυτή τη διεύθυνση, η ρωγμή διαδόθηκε μέχρι τη ραφή της συγκόλλησης, στην οποιά και έφτασε, με ελαφρώς μεγαλύτερη κλίση σε σχέση με προηγουμένως, για τιμή επιβαλλόμενης δύναμης περίπου ίσης με 6 kn. Στο σημείο αυτό, η ρωγμή συνάντησε εμπόδιο και τελικά, εισχώρησε στη ραφή. Αρχικά, διαδόθηκε με μεγαλύτερη κλίση σε σχέση με προηγουμένως προς τα κάτω μέχρι το μέσο περίπου της ραφής και από εκεί και έπειτα, συνέχισε να διαδίδεται σε διεύθυνση κάθετη προς τη διεύθυνση της φόρτισης μέχρις ότου διέσχισε τη ραφή της συγκόλλησης, για τιμή επιβαλλόμενου φορτίου περίπου ίση με 4 kn. Η ρωγμή συνέχισε να διαδίδεται υπό την ίδια διεύθυνση και στο άλλο τμήμα του δοκιμίου μέχρι την ολοκλήρωση της δοκιμής. Στις Εικόνες 4.72 και 4.73, αντίστοιχα, παρατίθεται τμηματικά η διάδοση της ρωγμής και η μορφή του δοκιμίου μετά το τέλος της δοκιμής. Το διάγραμμα δύναμης-μετατόπισης του δοκιμίου παρουσιάζεται στο Σχήμα Η κορυφή του διαγράμματος αντιστοιχεί το ζεύγος τιμών δύναμης-μετατόπισης στο οποίο παρατηρήθηκε ή έναρξη της θραύσης του δοκιμιόυ. Η μεταβολή του διαγράμματος που παρατηρείται ανάμεσα στα 3 και 5 kn, για μετατόπιση κοντά στα 20 mm αντιστοιχεί στο σημείο όπου η ρωγμή διαπερνά τη ραφή της συγκόλλησης. 160

162 (0) (1) (2) (3) (4) (5) Εικόνα Πορεία διάδοσης της ρωγμής του υβριδικού δοκιμίου wctzy2 (ξεκινώντας από την πάνω σειρά, από αριστερά προς τα δεξιά): (1) Έναρξη τη ρωγμής υπό κλίση. (2) Ελάττωση της κλίσης πριν από τη γραμμή Ν ο 1 και συνέχιση υπό την ίδια διεύθυνση. (3) Η ρωγμή φτάνει ση ραφή της συγκόλλησης υπό ελαφρώς αυξημένη κλίση. (4) Η ρωγμή αλλάζει διεύθυνση μέσα στη ραφή της συγκόλλησης. (5) Η ρωγμή διασχίζει τη ραφή της συγκόλλησης και διαδίδεται και στο τμήμα του δοκιμίου κάθετα στη φόρτιση. Εικόνα Μορφή του υβριδικού δοκιμίου wctzy2 μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής μονοαξονικού εφελκυσμού. 161

163 Δοκίμιο wctzy2 Δύναμη [kn] Μετατόπιση [mm] Σχήμα Διάγραμμα δύναμης-μετατόπισης για το υβριδικό δοκίμιο wctzy1, μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής του μονοαξονικού εφελκυσμού Δοκίμιο wctzy3 Η έναρξη της ρωγμής παρατηρήθηκε, στο μέσο του ημικυκλικού άκρου της αρχικής ρωγμής, για τιμή επιβαλλόμενου φορτίου ίση με 12,13 kn και για μετατόπιση ίση με 2,77 mm, 167 sec μετά την έναρξη της δοκιμής. Η έναρξη της ρωγμής έγινε κάθετα προς τη διεύθυνση της επιβαλλόμενης φόρτισης, στο μέσο όμως της απόστασης ανάμεσα στις γραμμές Ν ο 0 και Ν ο 1, σε απόσταση 2,5 mm από το άκρο της αρχικής ρωγμής, η ρωγμή στράφηκε απότομα προς τα κάτω, παράλληλα με τη διεύθυνση της φόρτισης, και αμέσως μετά επανήλθε στην αρχική της διεύθυνση, την οποία και διατήρησε μέχρι τη γραμμή Ν ο 3, σε απόσταση 15 mm από το άκρο της αρχικής ρωγμής. Στο σημείο αυτό, η ρωγμή απέκτησε μικρή κλίση προς τα κάτω, την οποία και διατήρησε μέχρι τη γραμμή Ν ο 4, σε απόσταση 20 mm από το άκρο της αρχικής ρωγμής. Στο σημείο αυτό, η ρωγμή επανήλθε σε διεύθυνση κάθετη προς τη διεύθυνση της φόρτισης, την οποία και διατήρησε μέχρι τη ραφή της συγκόλλησης, στην οποία και έφτασε για τιμή επιβαλλόμενης δύναμης περίπου ίσης με 4 kn. Στο σημείο αυτό, η ρωγμή συνάντησε εμπόδιο και τελικά, προχώρησε μέσα στη ραφή της συγκόλλησης υπο κλίση μέχρι περίπου το μέσο της. Από εκεί και έπειτα, συνέχισε να διαδίδεται κάθετα προς τη διεύθυνση της επιβαλλόμενης φόρτισης μέχρι τη γραμμή Ν ο 5, σε απόσταση 30 mm από το άκρο το άλλου τμήματος του δοκιμίου. Από το σημείο αυτό και έπειτα, η ρωγμή απέκτησε κλίση προς τα κάτω, την οποία και διατήρησε μέχρι και την ολοκλήρωση της δοκιμής. Στις Εικόνες 4.74 και 4.75, αντίστοιχα, παρατίθεται τμηματικά η διάδοση της ρωγμής και η μορφή του δοκιμίου μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής. Το διάγραμμα δύναμης-μετατόπισης του δοκιμίου παρουσιάζεται στο Σχήμα Η κορυφή του διαγράμματος αντιστοιχεί το ζεύγος τιμών δύναμης-μετατόπισης στο οποίο παρατηρήθηκε ή έναρξη της θραύσης του δοκιμιόυ. Η μεταβολή του διαγράμματος που παρατηρείται ανάμεσα στα 2 και 4 kn, για μετατόπιση ανάμεσα 162

164 στα 15 και 20 mm αντιστοιχεί στο σημείο όπου η ρωγμή διαπερνά τη ραφή της συγκόλλησης. (0) (1) (2) (3) (4) (5) Εικόνα Πορεία διάδοσης της ρωγμής του δοκιμίου wctzy3 (ξεκινώντας από την πάνω σειρά, από αριστερά προς τα δεξιά): (1) Έναρξη της ρωγμής κάθετα στη φόρτιση. (2) Προσωρινή αλλαγή διεύθυνσης και συνέχιση κάθετα προς τη φόρτιση. (3) Ανάπτυξη κλίσης προς τα κάτω, ανάμεσα στις γραμμές Ν ο 3 και Ν ο 4 και συνέχιση κάθετα προς τη φόρτιση μέχρι τη ραφή της συγκόλλησης. (4) Η ρωγμή αλλάζει διεύθυνση μέσα στη ραφή της συγκόλλησης και τη διασχίζει κάθετα προς τη φόρτιση. (5) Η ρωγμή διαδίδεται υπό γωνία στο άλλο τμήμα του δοκιμίου. Εικόνα Μορφή του υβριδικού δοκιμίου wctzy3 μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής μονοαξονικού εφελκυσμού. 163

165 Δοκίμιο wctzy Δύναμη [kn] Μετατόπιση [mm] Σχήμα Διάγραμμα δύναμης-μετατόπισης για το υβριδικό δοκίμιο wctzy3, μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής του μονοαξονικού εφελκυσμού. Πρέπει σε αυτό το σημείο να προσθέσουμε πως κατά τη διάρκεια της εκτέλεσης των δοκιμών παρουσιάστηκε έντονη μη επίπεδη παραμόρφωση σε όλα τα δοκίμια. Το γεγονός αυτό πιθανότατα διαδραμάτισε σημαντικό ρόλο στη διάδοση της ρωγμής και υπάρχει μεγάλη πιθανότητα να συνέβαλε στην ανάσχεση, έστω και προσωρινή, της πορείας της διάδοσης της ρωγμής από τη ραφή της συγκόλλησης. Το φαινόμενο αυτό παρουσιάζεται στην Εικόνα Εικόνα Παραδειγμα μη επίπεδης παραμόρφωσης που υπέστη υβριδικό δοκίμιο κατά τη διάρκεια της δοκιμής μονοαξονικού εφελκυσμού. 164

166 Συγκεντρωτικά αποτελέσματα των δοκιμίων wctzxi και wctzyi Στον Πίνακα 4.15 παρατίθενται συγκεντρωμένα τα κυριότερα αποτελέσματα των δοκιμών που διεξήχθησαν στα έξι δοκίμια wctzxi και wctzyi που εξετάστηκαν προηγουμένως. Επίσης, στα Σχήματα 4.40 και 4.41 παρατίθενται τα διαγράμματα δύναμης-μετατόπισης και των έξι δοκιμίων που εξετάστηκαν. Στο Σχήμα 4.41 βλέπουμε ότι, με εξαίρεση το δοκιμίο wctzx1, παρατηρείται σαφής διαχωρισμός μεταξύ των δοκιμίων wctzxi, τα οποία αποτελούνται από κράμα αλουμινίου 1561 και κράμα αλουμινίου 5083-Η111, και των δοκιμίων wctzyi, τα οποία αποτελούνται από κράμα αλουμινίου 1561 και κράμα αλουμινίου 5083-Η321. Πίνακας Συγκεντρωτικά στοιχεία δοκιμών εφελκυσμού υβριδικών δοκιμίων wctzx1 και wctzy2. Όνομα Δοκιμίου Μέγιστη Δύναμη (kn) Μετατόπιση έως τη Θραύση (mm) wctzx1 12,56 2,98 wctzx2 13,95 3,93 wctzx3 13,98 4,18 wctzy1 11,5 3,12 wctzy2 13,34 3,15 wctzy3 12,13 2,76 Δοκίμια wctzxi και wctzyi Δύναμη [kn] Έναρξη της θραύσης. Η ρωγμή διαπερνά τη ραφή της συγκόλλησης. wctzx1 wctzx2 wctzx3 wctzy1 wctzy2 wctzy Μετατόπιση [mm] Σχήμα Διάγραμμα δύναμης-μετατόπισης των δοκιμίων wctzxi και wctzyi που χρησιμοποιήθηκαν στις δοκιμές μονοαξονικού εφελκυσμού. Διακρίνονται τα σημεία έναρξης της θραύσης και τα σημεία όπου η ρωγμή διαπερνά τη ραφή της συγκόλλησης. 165

167 Δοκίμια wctzxi και wctzyi Δύναμη [kn] wctzx1 wctzx2 wctzx3 wctzy1 wctzy2 wctzy Μετατόπιση [mm] Σχήμα Τα σημεία έναρξης της θραύσης των δοκιμίων wctzxi και wctzyi που χρησιμοποιήθηκαν στις δοκιμές μονοαξονικού εφελκυσμού. Επίσης, ιδιαίτερα χρήσιμη θα ήταν και μία σύγκριση, μέσω διαγραμμάτων, των ενισχυμένων δοκιμίων της 1 ης Ομάδας Πειραμάτων και των μη ενισχυμένων, υβριδικών δοκιμίων της παρούσης ομάδας πειραμάτων. Μία τέτοια σύγκριση παρατίθεται στο διάγραμμα του Σχήματος Στο διάγραμμα του Σχήματος 4.42, με κόκκινο ρόμβο αναπαρίστανται τα σημεία των δοκιμίων CTtiRP, με μπλε ρόμβο τα σημεία των δοκιμίων CTtiR, με πράσινο αστερίσκο τα σημεία των δοκιμίων wctzxi και με πορτοκαλί ρόμβο τα σημεία των δοκιμίων wctzyi. Παρατηρείται ότι, με εξαίρεση τα δοκίμια wctzx1 και wctzx2, τα οποία παρουσιάζουν μία ενδιάμεση συμπεριφορά σε σχέση με τα ενισχυμένα δοκίμια, υπάρχει σαφής διαχωρισμός ανάμεσα στα υβριδικά, στα μη ενισχυμένα, και τα ενισχυμένα δοκίμια CT. Γενικά, στα υβριδικά δοκίμια CT, η θραύση παρατηρείται για μικρότερες τιμές επιβαλλόμενης δύναμης και μετατόπισης, σε σχέση με τα ενισχυμένα δοκίμια CT. 166

168 Δύναμη [kn] Δοκίμια 1ης και 3ης Ομάδας Πειραμάτων Μετατόπιση [mm] CTt1RP CT1R CT2RP CTt2R CTt3RP CT3R CTt4RP CTt4R CTt5RP CTt5R CTt6RP CTt6R CTt7RP CTt7R CTt8RP wctzx1 wctzx2 wctzx3 wctzy1 wctzy2 wctzy3 Σχήμα Τα σημεία έναρξης της θραύσης των δοκιμίων της 1 ης Ομάδας Πειραμάτων. και της 3 ης 167

169 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΓΙΑ ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ 5.1. Εισαγωγή Το αντικείμενο του πειραματικού προγράμματος που εκτελέστηκε, και του οποίου η αναλυτική περιγραφή έγινε στο Κεφάλαιο 4, είναι διαιρεμένο σε δύο βασικά τμήματα. Το πρώτο σκέλος αφορά στον προσδιορισμό των μηχανικών ιδιοτήτων και τη μελέτη της συμπεριφοράς ενός υβριδικού ελάσματος αλουμινίου από κράμα 1561 και κράμα Το δεύτερο σκέλος αφορά στη μελέτη της διάδοσης μιας προϋπάρχουσας, τεχνητής ρωγμής, σε ενισχυμένα ελάσματα αλουμινίου από κράμα 1561 και σε υβριδικά, μη ενισχυμένα, ελάσματα αλουμινίου από κράμα 1561και κράμα Το συνολικό πρόγραμμα ήταν διαρθρωμένο σε τρεις επιμέρους ομάδες πειραμάτων. Η πρώτη και η τρίτη ομάδα πειραμάτων ήταν αφιερωμένες στο δεύτερο σκέλος του πειραματικού προγράματος, όπως αναφέρθηκε παραπάνω, με την πρώτη ομάδα να αναφέρεται στα ενισχυμένα ελάσματα αλουμινίου και τη δεύτερη ομάδα να αναφέρεται στα υβριδικά, μη ενισχυμένα ελάσματα αλουμινίου. Για τον σκοπό αυτό, πραγματοποιήθηκαν δοκιμές μοναξονικού εφελκυσμού σε συμπαγή δοκίμια εφελκυσμού μικρή κλίμακας τύπου CT. Η δεύτερη ομάδα πειραμάτων πραγματεύοταν το πρώτο σκέλος του πειραματικού προγράμματος και για το λόγο αυτό, πραγματοποιήθηκαν δοκιμές μονοαξονικού εφελκυσμού σε ειδικά δοκίμια εφελκυσμού τύπου "Dogbone". Όσον αφορά στην πρώτη και την τρίτη ομάδα πειραμάτων, ο αριθμός των δοκιμίων που ήταν διαθέσιμος ήταν επαρκής, σύμφωνα με ότι ορίζει το αντίστοιχο πρότυπο. Επίσης, κατά τη διάρκεια εκτέλεσης των πειραμάτων, δεν παρουσιάστηκε κανένα ιδιαίτερο πρόβλημα όσον αφορά στην κατασκευή των δοκιμίων και την διάταξη των πειραματικών συσκευών. Όλοι αυτοί οι παράγοντες συνετέλεσαν ώστε να υπάρχει μία ομαλή ροή στις δοκιμές και ως εκ τούτου, τα αποτελέσματα τα οποία προέκυψαν από τις δοκιμές παρείχαν τη δυνατότητα να εξαχθούν αρκετά και σημαντικά συμπεράσματα και να σχηματιστεί μια αρκετά ικανοποιητική εικόνα σχετικά με τη διάδοση ρωγμών σε αυτά τα δύο είδη κατασκευών. Ωστόσο, στη δεύτερη ομάδα πειραμάτων δεν συνέβη ακριβώς το ίδιο. Ενώ δεν παρουσιάστηκε κανένα πρόβλημα στη διάταξη των πειραματικών συσκευών, ο αριθμός των διαθέσιμων δοκιμίων δεν ήταν επαρκής, σύμφωνα με όσα ορίζουν τα αντίστοιχα πρότυπα, κάτι που οφείλετο στην έλλειψη επαρκούς υλικού από τον προμηθευτή. Επιπλέον, κατά τη διάρκεια των δοκιμών παρουσιάστηκαν προβλήματα σχετικά με την κατασκευή ορισμένων εκ των διαθέσιμων δοκιμίων, τα οποία έχουν περιγραφεί στην Ενότητα Όλοι οι παραπάνω λόγοι συνετέλεσαν στο να μην καταστεί δυνατή η εξαγωγή ασφαλών συμπερασμάτων για τις μηχανικές ιδιότητες του υβριδικού ελάσματος και για τη γενική συμπεριφορά του. Τα αποτελέσματα που εξήχθησαν ωστόσο μπορούν να αποτελέσουν σημαντικές ενδείξεις για τα ζητούμενα θέματα. 168

170 Στην ενότητα που ακολουθεί, γίνεται η παράθεση των συμπερασμάτων που εξήχθησαν για κάθε ομάδα πειραμάτων ξεχωριστά. Παράλληλα, γίνεται αναφορά και σε παρόμοιες μελέτες που έχουν πραγματοποιηθεί προκειμένου να υπάρχει μία πιο ολοκληρωμένη εικόνα για το κάθε συμπέρασμα ξεχωριστά Συμπεράσματα η Ομάδα Πειραμάτων: Μελέτη της διάδοσης ρωγμών σε ενισχυμένα ελάσματα αλουμινίου με ενισχυτικό «τύπου Τ» Ένα πολύ σημαντικό φαινόμενο που παρατηρήθηκε σε αυτήν την ομάδα πειραμάτων είναι το γεγονός ότι σε κανένα δοκίμιο η ρωγμή δεν κατόρθωσε να διαπεράσει το ενισχυτικό. Σε όλες τις περιπτώσεις, η ρωγμή έφτανε σε κάποια απόσταση από τη βάση του ενισχυτικού και στη συνέχεια άλλαζε πορεία και συνέχιζε να διαδίδεται παράλληλα με το ενισχυτικό. Εξίσου σημαντικό είναι, επίσης, και το γεγονός ότι, σε παρόμοιες μελέτες που πραγματοποιήθηκαν από πρόσφατα ([7], [8]), παρατηρείται το ίδιο ακριβώς φαινόμενο. Συγκεκριμένα, στις μελέτες αυτές, χρησιμοποιήθηκαν ενισχυμένα ελάσματα αλουμινίου, ίδιου κράματος με αυτά της συγκεκριμένης ομάδας πειραμάτων και παρομοίων διαστάσεων, με μεταβλητό μήκος αρχικής ρωγμής. Και εδώ, σε όλες τις περιπτώσεις των δοκιμίων που εξετάστηκαν, η ρωγμή δεν κατάφερε να περάσει το ενισχυτικό, παρά μόνο άλλαξε διεύθυνση και συνέχισε να διαδίδεται παράλληλα με το ενισχυτικό. Αυτή η συμφωνία των πειραματικών αποτελεσμάτων ανάμεσα στην παρούσα μελέτη και σε αυτές που αναφέρθηκαν προηγουμένως μας επιτρέπει να συμπεράνουμε με ασφάλεια ότι τα εξελασμένα ενισχυτικά «τύπου Τ» είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικά στη σύλληψη των ρωγμών. Επίσης, χρησιμοποιώντας τα αποτελέσματα άλλων μελετών, μπορούμε να συκρίνουμε την αποτελεσματικότητα των εξελασμένων ενισχυτικών «τύπου Τ» με άλλα είδη ενισχυτικών, όπως με εξελασμένη βολβολάμα [6]. Τα δοκίμια αυτά ήταν ιδίων διαστάσεων και είχαν αρχική τεχνητή ρωγμή ίδιου μήκους. Από τη σύγκριση των πειραματικών αποτελεσμάτων προκύπτει ότι στα δοκίμια με εξελασμένα ενισχυτικά «τύπου Τ», η έναρξη της ρωγμής παρατηρείται για μεγαλύτερες τιμές επιβαλλόμενου φορτίου σε σχέση με τα δοκίμια με εξελασμένες βολβολάμες. Από το γεγονός αυτό μπορούμε να συμπεράνουμε ότι τα ενισχυμένα ελάσματα με εξελασμένα ενισχυτικά «τύπου Τ» προβάλλουν μεγαλύτερη αντίσταση στην έναρξη της διάδοσης της ρωγμής σε σχέση με αυτά που είναι ενισχυμένα με εξελασμένες βολβολάμες. Επιπλέον, προκύπτουν συμπεράσματα σχετικά με το αρχικό μήκος ρωγμής και τη θέση του ενισχυτικού πάνω στο έλασμα. Συγκεκριμένα, στα δοκίμια CTtiR, στα οποία το μήκος της αρχικής ρωγμής ήταν μικρότερο από το αντίστοιχο των δοκιμίων CTtiRP, η έναρξη της διάδοσης της ρωγμής παρατηρήθηκε για μεγαλύτερες τιμές επιβαλλόμενου φορτίου και για μικρότερες τιμές μετατόπισης, σε σχέση με τα δοκίμια CTtiRP. Από αυτό το γεγονός συμπεραίνουμε ότι το μήκος της αρχικής ρωγμής παίζει σημαντικό ρόλο στην έναρξη της διάδοσης της ρωγμής. Ακόμα, διαπιστώθηκε ότι σημαντική είναι και η επίδραση της θέσης του ενισχυτικού πάνω στο έλασμα, και πιο συγκεκριμένα, το μήκος του ελάσματος πίσω 169

171 από το ενισχυτικό ("rear plate"). Στα δοκίμια CTtiRP ότι όσο αυξανόταν το μήκος του rear plate, τόσο αυξανόταν η τιμή του επιβαλλόμενου φορτίου στην οποία παρατηρήθηκε η έναρξη της διάδοσης της ρωγμής. Επίσης, όσο αυξανόταν το μήκος του rear plate, τόσο αυξανόταν και η απόσταση από τη βάση του ενισχυτικού στην οποία η ρωγμή άλλαζε διεύθυνση και συνέχιζε να διαδίδεται παράλληλα με το ενισχυτικό. Τα γεγονότα αυτά καταδεικνύουν ότι το μήκος του rear plate παίζει σημαντικό ρόλο τόσο στην έναρξη, όσο και στη διάδοση της ρωγμής η Ομάδα Πειραμάτων: Προσδιορισμός των μηχανικών ιδιοτήτων υβριδικού ελάσματος Όπως αναφέρθηκε και στην Ενότητα 5.1, ο αριθμός των διαθέσιμων δοκιμίων ήταν περιορισμένος και, επίσης, σε ορισμένα από τα διαθέσιμα δοκίμια υπήρχαν σοβαρές κακοτεχνίες, οι οποίες επηρέασαν αρνητικά την έκβαση των δοκιμών. Ως εκ τούτου, τα αποτελέσματα των δοκιμών δεν μπορούν να θεωρηθούν αντιπροσωπευτικά και δεν καθίσταται δυνατό να σχηματιστεί μια ολοκληρωμένη εικόνα για τις μηχανικές ιδιότητες και τη συμπεριφορά του υβριδικού ελάσματος που εξετάστηκε. Ωστόσο, από τα διαθέσιμα αποτελέσματα υπάρχουν κάποιες ενδείξεις οι οποίες μας βοηθούν να εξάγουμε κάποια πρώτα συμπεράσματα. Συγκεκριμένα, σε όλα τα εξεταζόμενα δοκίμια, πριν από τη θραύση τους, ήταν εμφανής ο σχηματισμός λαιμού, κάτι το οποίο αποτελεί σαφή ένδειξη όλκιμης συμπεριφοράς. Επίσης, από την ανάλυση των διαγραμμάτων τάσεωνπαραμορφώσεων που προκύπτουν από την επεξεργασία των πειραματικών αποτελεσμάτων, διαπιστώνεται η όλκιμη συμπεριφορά του εξεταζόμενου υβριδικού ελέσματος, καθώς στα διαγράμματα αυτά είναι εμφανής η ελαστική περιοχή και η εκτεταμένη πλαστική περιοχή που προηγούνται της θραύσης. Μπορούμε, λοιπόν, να συμπεράνουμε ότι το υβριδικό έλασμα που προκύπτει από τη συγκόλληση δύο τμημάτων από κράμα αλουμινίου 1561 και 5083 αντίστοιχα διατηρεί την όλκιμη συμπεριφορά των κραμάτων που το αποτελούν. Επίσης, προκύπτουν και κάποιες ενδείξεις για τις μηχανικές ιδιότητες του εξεταζόμενου υβριδικού ελάσματος. Συγκεκριμένα, το μέτρο ελαστικότητας που υπολογίστηκε είναι παρόμοιο με αυτό του κράματος αλουμινίου 1561 [8]. Επίσης, παρατηρήθηκε διαφορά στο μέτρο ελαστικότητας ανάμεσα στα δοκίμια που είχαν κατασκευαστεί από τα κράματα αλουμινίου 1561 και 5083-Η111 και στο ένα και μοναδικό δοκίμιο που είχε κατασκευαστεί από τα κράματα αλουμινίου 1561 και 5083-Η321 καθώς, στην πρώτη περίπτωση, το μέτρο ελεστικότητας ήταν ελαφρώς μεγαλύτερο. Επίσης, διαφορές, μικρότερες σε αυτήν την περίπτωση, προκύπτουν και σε άλλες μηχανικές ιδιότητες, όπως το όριο διαρροής για παραμόρφωση 0,2 %, και η μέγιστη αντοχή σε εφελκυσμό. Και στα αυτά μεγέθη, το έλασμα που αποτελείται από τα κράματα αλουμινίου 1561 και 5083-Η321 παρουσιάζει μεγαλύτερες τιμές σε σχέση με το έλασμα που αποτελέιται από τα κράματα αλουμινίου 1561 και Η111. Όσον αφορά στα κράματα αλουμινίου που αποτελούν το υβριδικό έλασμα, δηλαδή τα κράματα 1561, 5083-Η111, 5083-Η321, αλλά και το μέταλλο συγκόλλησης, το οποίο είναι το κράμα αλουμινίου 5183, οι τιμές του ορίου διαρροής του υβριδικού ελάσματος βρίσκονται ανάμεσα στις τιμές των κραμάτων αυτών. Παράλληλα, οι τιμές της μέγιστης αντοχής σε εφελκυσμό του υβριδικού ελάσματος 170

172 πλησιάζουν τη μέγιστη τιμή των προαναφερθέντων κραμάτων αλουμινίου, η οποία ανήκει στο κράμα αλουμινίου 5083-Η111, όπως είναι φανερό και από τα δεδομένα του Πίνακα η Ομάδα Πειραμάτων: Μελέτη της διάδοσης ρωγμών σε υβριδικά ελάσματα αλουμινίου Όπως έχει εξηγηθεί και σε προηγούμενες παραγράφους, η υβριδικότητα στα ελάσματα αλουμινίου αποτελεί μία νέα κατεύθυνση στη μελέτη της διάδοσης των ρωγμών. Δεν έχουν πραγματοποιηθεί στο παρελθόν μελέτες που να αφορούν τη διάδοση ρωγμών σε έλασμα αλουμινίου που αποτελείται από δύο τμήματα, διαφορετικού κράματος το καθένα, συγκολλημένα μεταξύ τους, παρά μόνο η Διπλωματική Εργασία της Ρήγου [6], και ως εκ τούτου, δεν καθίσταται δυνατόν να εξαχθούν ασφαλή συμπεράσματα., παρά μόνο να σχηματιστεί μία αρχική εικόνα, από τα αποτελέσματα της πειραματικής διαδικασίας. Ξεκινά, όμως, ένα νέο ερευνητικό πεδίο που ίσως να δώσει απαντήσεις και λύσεις σε υφιστάμενα και μελλοντικά προβλήματα, εφόσον γνωρίζουμε ότι στη ναυπηγική επιβάλλεται ορισμένες φορές είτε για επισκευή είτε για αντιμετώπιση ευστάθειας η χρήση διαφορετικών υλικών, συγγενούς κατηγορίας. Ένα σημαντικό φαινόμενο που παρατηρήθηκε είναι ότι η παρουσία της ραφής της συγκόλλησης αποτέλεσε εμπόδιο στη διάδοση της ρωγμής. Από την ποιοτική παρατήρηση της πορείας διάδοσης της ρωγμής κατά τη διάρκεια της εκτέλεσης των πειραμάτων εφελκυσμού, διαπιστώθηκε ότι όσο η ρωγμή πλησιάζε τη ραφή της συγκόλλησης, τόσο πιο δύσκολη γινόταν η διάδοσή της. Όταν δε έφτανε στη ραφή της συγκόλλησης, έπρεπε να περάσουν αρκετά δευτερόλεπτα προκειμένου να εισέλθει μέσα στη ραφή. Ακόμα όμως και όταν είχε εισέλθει μέσα στη ραφή, σε ορισμένες περιπτώσεις η ρωγμή χρειάστηκε να αλλάξει διεύθυνση για να μπορέσει να διαπεράσει τη ραφή της συγκόλλησης και να συνεχίσει να διαδίδεται στο άλλο τμήμα του υβριδικού ελάσματος. Θα πρέπει σε αυτό το σημείο πάντως να σημειώσουμε ότι κατά τη διάρκεια των δοκιμών μονοαξονικού εφελκυσμού, τα δοκίμια υπέστησαν σημαντική μη επίπεδη παραμόρφωση, γεγονός το οποίο πιθανόν να διαδραμάτισε σημαντικό ρόλο στην ανάσχεση της πορείας της ρωγμής, όσο αυτή πλησίαζε τη ραφή της συγκόλλησης. Επίσης, σε όλες τις περιπτώσεις, η ρωγμή κατόρθωσε να διαπεράσει τη ραφή και να διαδοθεί και στο άλλο τμήμα του δοκιμίου. Αυτή η ανασταλτική επίδραση της ραφής της συγκόλλησης διαπιστώθηκε και στα πειράματα που διεξήχθησαν από τη Ρήγου [6]. Συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκαν πειράματα μονοαξονικού εφελκυσμού σε υβριδικά δοκίμια, ιδίων διαστάσεων και ιδίου μήκους αρχικής ρωγμής. Επίσης, τα τμήματα που αποτελούσαν τα δοκίμια ήταν κατασκευασμένα από τα ίδια κράματα αλουμινίου. Η μοναδική διαφορά εντοπιζόταν στο γεγονός ότι η αρχική ρωγμή, στη δική παρούσα περίπτωση, βρισκόταν στο τμήμα του δοκιμίου που είχε κατασκευατεί από κράμα αλουμνίου 1561, ενώ στην άλλη περίπτωση [6], η ρωγμή βρισκόταν στο τμήμα που είχε κατασκευαστεί από κράμα αλουμινίου Όπως προηγουμένως, έτσι και σε αυτήν την περίπτωση, η ρωγμή συνάντησε εμπόδιο κατά τη διάδοσή της, κυρίως όσο πλησιάζε στη ραφή της συγκόλλησης. Μάλιστα, μόνο σε δύο περιπτώσεις κατόρθωσε να διαπεράσει τη ραφή της συγκόλλησης και να συνεχίσει να διαδίδεται στο άλλο τμήμα του δοκιμίου. Στις 171

173 υπόλοιπες, η ρωγμή συνάντησε σημαντικό εμπόδιο μόλις έφτασε στη ραφή της συγκόλλησης. Άλλοτε άλλαξε διεύθυνση και συνέχισε να διαδίδεται παράλληλα με τη ραφή και άλλοτε «εισήλθε» στη ραφή, ωστόσο δεν κατόρθωσε να τη διαπεράσει, άλλαξε και εκεί διεύθυνση και συνέχισε να διαδίδεται παράλληλα με αυτήν. Σημαντικό ρόλο στην αδυναμία της ρωγμής να διαπεράσει τη ραφή της συγκόλλησης πιθανότατα διαδραμάτισε το γεγονός ότι το τμήμα του υβριδικού ελάσματος που βρισκόταν πίσω από τη ραφή της συγκόλλησης ήταν κατασκευασμένο από κράμα αλουμινίου 1561, και όχι 5083, όπως ίσχυε στα δοκίμια της 3 ης Ομάδας Πειραμάτων. Βέβαια, θα πρέπει να επισημάνουμε ότι και σε αυτές τις δοκιμές τα δοκίμια υπέστησαν μη επίπεδη παραμόρφωση, πιο έντονη σε σχέση με αυτήν που παρατηρήθηκε προηγουμένως. Αυτό το γεγονός, πιθανότητα, να αποτέλεσε σημαντικό παράγοντα στην ανάσχεση της πορείας των ρωγμών. Ένας άλλος παράγοντας, επίσης, που πιθανόν να επηρέασε το ποσοστό ανάσχεσης της ρωγμής είναι η διαφορετική ποιότητα της συγκόλλησης, η οποία υπάρχει πιθανότητα να ήταν καλύτερη στην περίπτωση της προαναφερθείσας μελέτης [6]. Από τη σύγκριση της παρούσας και της προαναφερθείσας μελέτης [6] προκύπτει επίσης ότι το υλικό στο οποίο βρίσκεται η αρχική ρωγμή έχει μικρή επίδραση στην έναρξη της διάδοσης της ρωγμής. Συγκεκριμένα, από τη σύγκριση των πειραματικών αποτελεσμάτων, προκύπτει ότι στα δοκίμια της 3 ης Ομάδας Πειραμάτων, στα οποία η αρχική ρωγμή βρισκόταν στο τμήμα του δοκιμίου που είχε κατασκευαστεί από κράμα αλουμινίου 1561, η έναρξη της διάδοσης της ρωγμής παρατηρείται σε ελαφρά μεγαλύτερες τιμές επιβαλλόμενης δύναμης σε σχέση με τα δοκίμια που χρησιμοποιήθηκαν στην άλλη μελέτη [6], στα οποία η αρχική ρωγμή βρισκόταν στο τμήμα των δοκιμίων που είχε κατασκευαστεί από κράμα αλουμινίου Παράλληλα, από σύγκριση της παρούσας μελέτης με τις μελέτες των Γαλάνη [7] και Μιχαλόπουλου [8], προκύπτουν κάποιες ενδείξεις σχετικά με την επίδραση του μήκους της αρχικής ρωγμής στην έναρξη της διάδοσής της. Αν και τα δοκίμια που χρησιμοποιήθηκαν σε αυτές τις μελέτες ήταν απλά και όχι υβριδικά, ήταν κατασκευασμένα από κράμα αλουμινίου 1561, το ίδιο κράμα από το οποίο ήταν κατασκευασμένο το τμήμα των υβριδικών δοκιμίων στο οποίο βρισκόταν η αρχική ρωγμή. Τα δοκίμια των μελετών αυτών ήταν παρόμοιων διαστάσεων με τα δοκίμια της 3 ης Ομάδας Πειραμάτων, ενώ είχαν μεγαλύτερο μήκος αρχικής ρωγμής. Από τη σύγκριση των πειραματικών αποτελεσμάτων προκύπτει ότι στα δοκίμια που εξέτασαν ο Γαλάνης [7] και ο Μιχαλόπουλος [8], η έναρξη τη διάδοσης της ρωγμής παρατηρείται για αισθητά μικρότερες τιμές επιβαλλόμενου φορτίου σε σχέση με τα δοκίμια της 3 ης Ομάδας Πειραμάτων της παρούσας μελέτης, φαινόμενο το οποίο πιθανότατα οφείλεται στο γεγονός ότι τα δοκίμια που χρησιμοποιήθηκαν σε αυτές τις δύο μελέτες [7, 8] είχαν μεγαλύτερο μήκος αρχικής ρωγμής σε σχέση με τα δοκίμια που χρησιμοποιήθηκαν στην 3 η Ομάδα Πειραμάτων της παρούσας μελέτης. Αυτό το γεγονός αποτελεί ένδειξη της επίδρασης που έχει το μήκος της αρχικής ρωγμής στη διάδοσή της σε μη ενιχυμένα ελάσματα αλουμινίου. Παράλληλα, επειδή οι διαφορές στο φορτίο ήταν πολύ μεγάλες, και οι οποίες ίσως και να μη δικαιολογούνται μόνο από τη διαφορά στο μήκος της αρχική ρωγμής, υπάρχει μία ένδειξη ότι η παρουσία της συγκόλλησης επηρεάζει την τιμή του επιβαλλόμενου φορτίου στην οποία παρατηρείται η έναρξη της θραύσης. 172

174 Τέλος, έχοντας πραγματοποιήσει δοκιμές μονοαξονικού εφελκυσμού σε απλά, ενισχυμένα ελάσματα και σε μη ενισχυμένα, υβριδικά, συγκολλητά ελάσματα, μπορούμε να σχηματίσουμε μία εικόνα και για την αποτελεσματικότητα στην ανάσχεση της διάδοσης των ρωγμών των δύο διαφορετικών αυτών κατασκευαστικών διατάξεων. Διαπιστώθηκε, λοιπόν, ότι τα ενισχυμένα ελάσματα, με εξελασμένα ενισχυτικά, είναι αποτελεσματικότερα στο να συλλαμβάνουν τις ρωγμές σε σχέση με τα υβριδικά, καθώς σε καμία περίπτωση από τις δοκιμές δεν κατόρθωσε η ρωγμή να διαπεράσει το ενισχυτικό. Αντιθέτως, στα υβριδικά ελάσματα, σε όλες τις περιπτώσεις, όπως είδαμε στην παρούσα μελέτη, ή έστω και σε ορισμένες, όπως διαπιστώθηκε από την άλλη συναφή μελέτη [6], η ρωγμή κατόρθωσε να διαπεράσει τη ραφή της συγκόλησης, έστω και αν προσωρινά συνάντησε εμπόδιο Στόχοι που Επιτεύχθησαν Στην Ενότητα 1.2 του Κεφαλαίου 1 προσδιορίστηκε ο σκοπός της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας μέσα από τον ορισμό ορισμένων προς επίτευξη στόχων. Μετά από την ολοκλήρωση της πειραματικής διαδικασίας και την ανάλυση των αποτελεσμάτων, είμαστε πλέον σε θέση να καλύψουμε τους στόχους αυτούς που ετέθησαν, άλλους σε μεγαλύτερο και άλλους σε μικρότερο βαθμό. Κύριος στόχος που επιτεύχθηκε ήταν η χαρτογράφηση της πορείας διάδοσης μίας αρχικής ρωγμής σε ελάσματα αλουμινίου, με διαφορετικές κατασκευαστικές ιδιαιτερότητες. Μπορούμε πλέον με σχετική βεβαιότητα να γνωρίζουμε την πορεία που θα ακολουθήσει μία ρωγμή στις διάφορες αυτές περιπτώσεις και είμαστε σε θέση να εφαρμόσουμε τις κατάλληλες σχεδιαστικές και κατασκευαστικές λύσεις, προκειμένου να ανασχέσουμε με αποτελεσματικότητα την πορεία της ρωγμής. Επίσης, μπορούμε αν καλύψουμε και τους επι μέρους στόχους που ετέθησαν, όπως διαπιστώνεται στη συνέχεια. Διαπιστώθηκε ότι η παρουσία ενίσχυσης σε ένα αλουμινένιο έλασμα επηρεάζει σημαντικά τη διάδοση της ρωγμής. Συγκεκριμένα, η παρουσία εξελασμένων ενισχυτικών «τύπου Τ» συμβάλλουν καθοριστικά στην ανάσχεση της ρωγμής, καθώς δεν της επιτρέπουν να τα διαπεράσει και την αναγκάζουν να αλλάξει διεύθυνση και να κατευθυνθεί παράλληλα με αυτά. Επίσης, υφίσταται επίδραση από την παρουσία διαφορετικού τύπου ενίσχυσης, καθώς, όπως διαπιστώθηκε και από τη μελέτη της Ρήγου [6], στα ελάσματα με εξελασμένα ενισχυτικά «τύπου Τ», η έναρξη της ρωγμής παρατηρείται για μεγαλύτερες τιμές επιβαλλόμενου φορτίου σε σχέση με τα ενισχυμένα ελάσματα με εξελασμένες βολβολάμες. Τέλος, η παρουσία rear plate πίσω από το ενισχυτικό επηρεάζει τη διάδοση της ρωγμής, καθώς παρατηρήθηκε ότι όσο μεγαλύτερο είναι το μήκος του rear plate, τόσο μεγαλύτερη είναι και η απόσταση από τη βάση του ενισχυτικού στην οποία αναγκάζεται η ρωγμή να αλλάξει διεύθυνση. Τέλος, μία άλλη λεπτομέρεια που διαπιστώθηκε ότι έχει επίδραση είναι το μήκος της αρχικής ρωγμής, καθώς παρατηρήθηκε ότι όσο μικρότερο είναι αυτό, τόσο μεγαλύτερη είναι η τιμή του επιβαλλόμενου φορτίου στην οποία γίνεται η έναρξη της θραύσης. Όσον αφορά στο θέμα των μηχανικών ιδιοτήτων και τη συμπεριφορά δεν είμαστε σε θέση να απαντήσουμε με σαφήνεια και βεβαιότητα, λόγω των συνθηκών που έχουν περιγραφεί παραπάνω. Ωστόσο, υπάρχουν ενδείξεις ότι η υβριδική 173

175 αλουμινένια διάταξη διατηρεί την όλκιμη συμπεριφορά των κραμάτων αλουμινίου που την αποτελούν. Επίσης, παρατηρείται, υπό τη μορφή ενδείξεων πάντως, ότι οι μηχανικές ιδιότητες του υβριδικού ελάσματος αλουμινίου δεν μεταβάλλονται σημαντικά σε σχέση με αυτές των κραμάτων αλουμινίου που το αποτελούν, αλλά βρίσκονται εντός των ορίων που τίθενται από τις ιδιότητες του κάθε κράματος. Εξακριβώθηκε πολύ καλή συνεργασία των δύο διαφορετικών κραμάτων αλουμινίου που αποτελούν την υβριδική διάταξη. Τα δύο συγκολλητά τμήματα λειτούργησαν ως ένα ενιαίο έλασμα και η ρωγμή ακολούθησε πορεία η οποία ήταν αναμενόμενη, όπως διαπιστώθηκε και από προηγούμενες μελέτες [7, 8] όπου πραγματοποιήθηκαν δοκιμές εφελκυσμού σε απλά, μη ενισχυμένα δοκίμια από κράμα αλουμινίου Δεν διαπιστώθηκε κάποια ιδιαίτερη αρνητική επίδραση της παρουσίας της συγκόλλησης στη διάδοση της ρωγμής. Απεναντίας, παρατηρήθηκε ότι η παρουσία της ραφής της συγκόλλησης αποτελεί εμπόδιο στην πορεία της ρωγμής, παρά το γεγονός ότι στο τέλος η ρωγμή κατορθώνει να τη διαπεράσει. Υπάρχουν, βέβαια, και παραδείγματα, όπως για παράδειγμα η μελέτη της Ρήγου [6], όπου η ρωγμή δεν κατόρθωσε να διαπεράσει τη ραφή της συγκόλησης. Ωστόσο, πρέπει να σημειώσουμε σε αυτό το σημείο ότι, σε σχέση με ένα απλό έλασμα αλουμινίου, ενισχυμένο με εξελασμένα ενισχυτικά, το υβριδικό έλασμα παρουσιάζει υποδεέστερη συμπεριφορά αναφορικά με την ικανότητα ανάσχεσης της διάδοσης της ρωγμής Προτάσεις για Μελλοντική Έρευνα Στην παρούσα Διπλωματική Εργασία καταστρώθηκε και εκτελέστηκε ένα πειραματικό πρόγραμμα, μέσω του οποίου κατέστη δυνατόν να επαναληφθούν και να επεκταθούν έρευνες που είχαν πραγματοποιηθεί στο παρελθόν, στον τομέα της διάδοσης ρωγμών σε ελάσματα αλουμινίου, καθώς επίσης και να ακολουθηθούν νέες κατευθύνσεις στον συγκεκριμένο τομέα. Μετά το τέλος της συγκεκριμένης πειραματικής διαδικασίας, είμαστε πλέον σε θέση να γνωρίζουμε αρκετά στοιχεία για τη συμπεριφορά των εξελασμένων ενισχυτικών «τύπου Τ» στη διάδοση των ρωγμών, ειδικά από τη στιγμή που μπορέσαμε να συγκρίνουμε και να επιβεβαιώσουμε τα αποτελέσματα των συγκεκριμένων δοκιμών με αποτελέσματα παρόμοιων μελετών, [7, 8]. Πλέον, προκειμένου να εμπλουτιστεί η βάση δεδομένων που έχουμε σχηματίσει στον συγκεκριμένο τομέα, θα μπορούσε να αποδειχτεί εξαιρετικά χρήσιμη η πραγματοποίηση περαιτέρω μελετών, όπου θα εξετάζονται στοιχεία που θα σχετίζονται με το συγκεκριμένο ενισχυτικό, όπως για παράδειγμα να χρησιμοποιείται ο συγκεκριμένος τύπος ενισχυτικού συγκολλητός και όχι εξελασμένος. Ακόμα, η πραγματοποίηση μελετών όπου θα εξετάζονται διαφορετικές διατάξεις ενίσχυσης και θα μεταβάλλονται διάφορες παράμετροι που θα σχετίζονται με γεωμετρικά και κατασκευαστικά χαρακτηριστικά των εξεταζόμενων δοκιμίων θα μπορούσαν να συνεισφέρουν σημαντικά σε αυτό το σκοπό. Ένα τέτοιο παράδειγμα αποτελεί η μελέτη της Ρήγου [6], τα αποτελέσματα της οποίας χρησιμοποιήθηκαν πολλές φορές στην παρούσα μελέτη και συνέβαλαν σημαντικά στην αξιολόγηση των αποτελεσμάτων της πειραματικής διαδικασίας. 174

176 Η καινούργια κατεύθυνση που ακολουθήθηκε στη μελέτη της διάδοσης ρωγμών σε ελάσματα αλουμινίου είναι ο υβριδικός χαρακτήρας του ελάσματος. Για τον λόγο αυτό ακριβώς κρίνεται απολύτως απαραίτητο να πραγματοποιηθούν περαιτέρω μελέτες, όπου θα εξεταστούν οι μηχανικές ιδιότητες και η συμπεριφορά μίας υβριδικής διάταξης. Στην παρούσα μελέτη δεν κατέστη δυνατό να αντληθούν ασφαλή συμπεράσματα σχετικά με αυτά τα θέματα και, παρά τις ενδείξεις που αποκομίσαμε, δεν μπορούμε σε καμία περίπτωση να τα καλύψουμε με βεβαιότητα. Ωστόσο, τέθηκαν οι βάσεις και παρουσιάστηκε μία μεθοδολογία η οποία μπορεί να αποτελέσει οδηγό για σχετικές μελλοντικές έρευνες. Τέλος, όσον αφορά στο άλλο σκέλος της υβριδικότητας των αλουμινένιων ελασμάτων που εξετάστηκε, αυτό της διάδοσης ρωγμών, μπορούμε να πούμε ότι σχηματίστηκε μία αρκετά πλήρης εικόνα. Επειδή, όμως, όπως έχει τονιστεί και προηγουμένως, η υβριδικότητα είναι μία καινούργια κατεύθυνση στα ελάσματα αλουμινίου, είναι απαραίτητο να πραγματοποιηθούν και άλλες έρευνες, όπου θα μπορούσαν να εξετάζονται θέματα που θα σχετίζονται με τα κράματα αλουμινίου που θα αποτελούν την υβριδική διάταξη, με τη μέθοδο συγκόλλησης που θα εφαρμοστεί προκειμένου να κατασκευαστεί η υβριδική διάταξη και με διάφορες άλλες κατασκευαστικές και σχεδιαστικές λεπτομέρειες των εξεταζόμενων δοκιμίων. Με τον τρόπο αυτό, θα σχηματιστεί μία ευρεία βάση δεδομένων που θα χρησιμοποιηθεί στο μέλλον σε ναυπηγικές εφαρμογές. 175

177 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ A ΤΑ ΕΞΑΡΤΗΜΑΤΑ ΤΗΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΗΣ ΕΦΕΛΚΥΣΜΟΥ MTS ΠΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΘΗΚΑΝ ΚΑΤΑ ΤΗ ΔΙΑΡΚΕΙΑ ΤΗΣ ΕΚΤΕΛΕΣΗΣ ΤΩΝ ΔΟΚΙΜΩΝ ΓΙΑ ΤΗ ΣΥΓΚΡΑΤΗΣΗ ΤΩΝ ΔΟΚΙΜΙΩΝ CT Η πειραματική μηχανή εφελκυσμού MTS διαθέτει έναν αριθμό από εξαρτήματα, τα οποία χρησιμεύουν για τη συγκράτηση των δοκιμίων που εξετάζονται κάθε φορά. Ανάλογα με το είδος της δοκιμής, αλλά και το μέγεθος και το σχεδιασμό των εξεταζόμενων δοκιμίων, επιλέγονται τα κατάλληλα εξαρτήματα μέσω των οποίων γίνεται η συγκράτηση των δοκιμίων από τις αρπάγες της μηχανής εφελκυσμού. Στην περίπτωση των δοκιμίων CT, τα οποία εξετάστηκαν στην παρούσα μελέτη, χρησιμοποιήθηκαν ειδικές συναρμολογούμενες διατάξεις, όπως έχει περιγραφεί και στην Ενότητα Αυτές αποτελούνται από τρία κύρια εξαρτήματα, τα οποία συναρμολογούνται μεταξύ τους, και από δευτερεύοντα εξαρτήματα, για τη συγκράτηση των δοκιμίων πάνω στα κύρια εξαρτήματα. Αυτά τα δευτερεύοντα εξαρτήματα είναι κυλινδρικοί πίροι για τη συγκράτηση των δοκιμίων, ασφάλειες για τη συγκράτηση των πίρων και ροδέλες για την ελάτωση των ανοχών ανάμεσα στα δοκίμια και τα κύρια εξαρτήματα συγκράτησης. Στις Εικόνες Α1 έως Α4 παρατίθενται το σκαρίφημα με τις βασικές διαστάσεις των κύριων εξαρτημάτων καθώς επίσης και η γενική μορφή όλων των προαναφερθέντων εξαρτημάτων 176

178 Εικόνα Α1: Τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά των κύριων εξαρτημάτων συγκράτησης των δοκιμίων CT. 177

179 Εικόνα Α2: Μορφή των κύριων εξαρτημάτων συγκράτησης των δοκιμίων CT (στο κέντρο), συναρμολογημένων, καθώς επίσης και των βοηθητικών εξαρτημάτων (Αριστερά, από κάτω προς τα επάνω: Κυλινδρικοί πίροι για τη συγκράτηση των δοκιμίων, ασφάλειες συγκράτησης των πίρων, ροδέλες για την ελάτωση των ανοχών ανάμεσα στα κύρια εξαρτήματα και τα δοκίμια). 178

180 Εικόνα Α3: Άποψη ενός δοκιμίου CT, προσδεδεμένου επάνω στα κύρια εξαρτήματα συγκράτησης. 179

181 Εικόνα Α4: Άποψη νεός δοκιμίου CT, τοποθετημένου στις αρπάγες της μηχανής εφελκυσμού. 180

182 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟΥ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΥ ΠΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΘΗΚΕ ΓΙΑ ΤΗ ΜΕΤΑΛΛΟΓΡΑΦΙΚΗ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ ΤΗΣ ΣΥΓΚΟΛΛΗΣΗΣ ΤΩΝ ΥΒΡΙΔΙΚΩΝ ΔΟΚΙΜΙΩΝ Προκειμένου να καταστεί δυνατή η μεταλλογραφική παρατήρση της συγκόλλησης των υβριδικών δοκιμίων ήταν απραίτητο να κατασκευαστεί ένα αριθμός ειδικών δοκιμίων. Για την κατασκευή των δοκιμίων αυτών και για την πραγματοποίηση, εν τέλει, της μεταλλογραφικής παρατήρησης, χρησιμοποιήθηκε μία σειρά από μηχανήματα του Εργαστηρίου Ναυπηγικής Τεχνολογίας του Εθνικού Μετσοβίου Πολυτεχνείου. Η περιγραφή των μηχανημάτων αυτών γίνεται στις ενότητες που ακολουθούν. Β1. Εξοπλισμός Κοπής Η κοπή των απαραίτητων δοκιμίων για τη μεταλλογραφική παρατήρηση έγινε με τη χρήση του δισκοτόμου Discotom-50 της εταιρείας Struers. Χαρακτηριστικό του συγκεκριμένου δισκοτόμου είναι η δυνατότητα να μεταβάλλεται η ταχύτητα περιστροφής του δίσκου κοπής, ανάλογα με το υλικό που πρόκειται να κοπεί. Στον Πίνακα Β1 παρατίθενται η ταχύτητες του δίσκου κοπής ανάλογα με το προς κοπή υλικό. Πίνακας Β1. Ταχύτητες του δίσκου κοπής του δισκοτόμου Discotom-50. Ρυθμίσεις για την περιστροφική ταχύτητα του δίσκου κοπής 53UNI για το δισκοτόμο Discotom-50 Περιγραφή υλικού Εξεταζόμενο υλικό Σκληρότητα (HV) Ταχύτητα (RPM) Μη φερριτικά Αλουμίνιο μέταλλα Πολύ όλκιμα Ανοξείδωτος μέταλλα χάλυβας Ημι-μαλακά φερριτικά μέταλλα Κατεργασμένος εν ψυχρώ εργαλειοχάλυβας Ημίσκληρα φερριτικά μέταλλα Σκληρά φερριτικά μέταλλα UHB IMPAX Κατεργασμένος εν ψυχρώ εργαλειοχάλυβας UHB IMPAX Κατεργασμένος εν ψυχρώ εργαλειοχάλυβας UHB ARNE

183 Εικόνα Β1. Ο δισκοτόμος Discotom-50 της Struers που χρησιμοποιήθηκε για την κοπή των δοκιμίων για τη μεταλλογραφική παρατήρηση της συγκόλλησης. Β2. Εξοπλισμός Λείανσης και Στίλβωσης Για τη μεταλλογραφική παρατήρηση των δειγμάτων απαραίτητη ήταν η προετοιμασία της προς παρατήρηση επιφάνειας. Για τη λείανση και τη στίλβωση των δοκιμίων χρησιμοποιήθηκε η συσκευή λείανσης Labopol-5 της εταιρείας Struers, η οποία παρατίθεται στην Εικόνα Β2. Εικόνα Β2. Η συσκευή λείανσης (Struers LaboPol-5) που χρησιμοποιήθηκε για την λείανση-στίλβωση των δοκιμίων. 182

184 Η συσκευή αυτή έχει δυνατότητα ελέγχου της γωνιακής ταχύτητας μέσω ενός ηλεκτρονικού σερβοσυστήματος, χάρη στο οποίο αυτή παραμένει σταθερή, ανεξαρτήτως του εφαρμοζόμενου φορτίου. Η γωνιακή ταχύτητα μπορεί να κυμαίνεται μεταξύ 50 και 500 στροφών ανά λεπτό. Για την ψύξη του δοκιμίου κατά τη λείανση χρησιμοποιείται η ενσωματωμένη στη συσκευή παροχή νερού (βρύσης). Επίσης, η συσκευή διαθέτει σύστημα συγκράτησης των δοκιμίων για την αυτόματη λείανση τους. Β3. Εξοπλισμός Μικροσκοπικής Παρατήρησης Το στερεοσκόπιο που χρησιμοποιήθηκε για την παρατήρηση των επιφανειών των συγκολλήσεων των δειγμάτων είναι το LEICA MZ6 (Εικόνα Β3), του Εργαστηρίου Ναυπηγικής Τεχνολογίας της Σχολής Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών του Ε.Μ.Π.. Το στερεοσκόπιο διαθέτει βηματικές μεγεθύνσεις (0,63x, 0,80x, 1,00x, 1,25x, 1,6x, 2,0x, 2,5x, 3,2x, 4,0x) έτσι ώστε η εξέταση των δειγμάτων να μπορεί να επαναλαμβάνεται στην ίδια ακριβώς μεγέθυνση. Εικόνα Β3. Το στερεοσκόπιο που χρησιμοποιήθηκε για την εξέταση των δειγμάτων. 183

185 Το οπτικό μικροσκόπιο που χρησιμοποιήθηκε είναι το LEICA DM ILM (Εικόνα Β4). Πρόκειται για ένα ανάστροφο οπτικό μικροσκόπιο, ειδικά σχεδιασμένο για μεταλλουργική παρατήρηση. Διαθέτει αντικειμενικούς φακούς 10x, 20x, 50x και 100x και προσοφθάλμιο φακό 10x. Έχει ενσωματωμένες θέσεις, για τοποθέτηση οπτικών φίλτρων, τράπεζα τριών βαθμών ελευθερίας (x,y, α-περιστροφή) με δυνατότητα στήριξης φορτίου έως 8kg και φωτισμό με λάμπα αλογόνου ισχύος 35W. Εικόνα Β4. Οπτικό μικροσκόπιο με δυνατότητα μεγέθυνσης έως x1000. Χρησιμοποιήθηκε για την μεταλλογραφιών παρατήρηση των δειγμάτων. 184