«Επίδραση της Θερμικής Κατεργασίας Τεχνητής Γήρανσης στη Διάβρωση Ψαθυροποίησης του Αεροναυπηγικού Κράματος Αλουμινίου 2024-Τ3»

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ ΣΧΟΛΗ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΗΣ ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΟΙΚΟΝΟΜΙΑΣ & ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ «Επίδραση της Θερμικής Κατεργασίας Τεχνητής Γήρανσης στη Διάβρωση Ψαθυροποίησης του Αεροναυπηγικού Κράματος Αλουμινίου 2024-Τ3» ΦΟΙΤΗΤΡΙΑ: ΛΥΜΠΕΡΑΚΗ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: Λέκτορας ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΑΛΕΞΟΠΟΥΛΟΣ ΧΙΟΣ, Οκτώβριος 2014

2 ΠΕΡΙΛΗΨΗ... 3 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ... 4 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΥΜΒΟΛΩΝ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΤΟ ΑΛΟΥΜΙΜΙΟ ΚΑΙ ΤΑ ΚΡΑΜΑΤΑ ΤΟΥ Η ΣΕΙΡΑ ΚΡΑΜΑΤΩΝ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ TΟ ΚΡΑΜΑ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ 2024-Τ ΣKΛΗΡΥΝΣΗ ΜΕ ΚΑΤΑΚΡΙΜΝΗΣΗ ΛΟΓΩ ΓΗΡΑΝΣΗΣ ΔΥΣΘΡΑΥΣΤΟΤΗΤΑ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΤΗΣ ΔΙΑΒΡΩΣΗΣ ΔΙΑΒΡΩΣΗ ΜΕ ΑΠΟΦΛΟΙΩΣΗ (EXCO) Η ΔΙΑΒΡΩΣΗ ΣΤΗΝ ΑΕΡΟΝΑΥΠΙΓΙΚΗ ΥΠΑΡΧΟΥΣΑ ΓΝΩΣΗ-ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΑΝΑΓΚΑΙΟΤΗΤΑ ΠΑΡΟΥΣΑΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗΣ ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΔΟΚΙΜΙΩΝ ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΔΙΑΒΡΩΣΗΣ ΑΠΟΦΛΟΙΩΣΗΣ (EXCO) ΔΙΕΞΑΓΩΓΗ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΔΟΚΙΜΩΝ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΜΠΥΛΕΣ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗΣ ΣΤΗ ΘΡΑΥΣΗ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΤΕΧΝΗΤΗΣ ΓΗΡΑΝΣΗΣ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΒΡΩΣΗΣ ΜΕΤΑ ΑΠΟ ΤΕΧΝΗΤΗ ΓΗΡΑΝΣΗ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΛΥΤΟΠΟΙΗΣΗΣ ΠΡΙΝ ΤΗΝ ΤΕΧΝΗΤΗ ΓΗΡΑΝΣΗ ΚΑΙ ΤΗΝ ΑΚΟΛΟΥΘΗ ΔΙΑΒΡΩΣΗ ΚΡΙΣΙΜΟΣ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΕΝΤΑΣΗΣ ΤΑΣΕΩΝ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΤΕΧΝΗΤΗΣ ΓΗΡΑΝΣΗΣ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΒΩΣΗΣ ΜΕΤΑ ΑΠΟ ΤΕΧΝΗΤΗ ΓΗΡΑΝΣΗ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΛΥΤΟΠΟΙΗΣΗΣ ΠΡΙΝ ΤΗΝ ΤΕΧΝΗΤΗ ΓΗΡΑΝΣΗ ΚΑΙ ΤΗΝ ΑΚΟΛΟΥΘΗ ΔΙΑΒΡΩΣΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΣΥΣΧΕΤΙΣΗ ΕΦΕΛΚΥΣΤΙΚΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΚΑΙ ΔΥΣΘΡΑΥΣΤΟΤΗΤΑΣ ΓΙΑ ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΕΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΕΣ ΤΕΧΝΗΤΗΣ ΓΗΡΑΝΣΗΣ ΣΥΣΧΕΤΙΣΗ ΕΦΕΛΚΥΣΤΙΚΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΚΑΙ ΔΥΣΘΡΑΥΣΤΟΤΗΤΑΣ ΓΙΑ ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΕΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΕΣ ΤΕΧΝΗΤΗΣ ΓΗΡΑΝΣΗΣ ΚΑΙ 2 ΩΡΕΣ ΔΙΑΒΡΩΣΗ ΠΟΣΟΤΙΚΗ ΥΠΟΒΑΘΜΙΣΗ ΤΟΥ ΚΡΙΣΙΜΟΥ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗ ΕΝΤΑΣΗΣ ΤΑΣΕΩΝ ΛΟΓΩ ΔΙΑΒΡΩΣΗΣ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΘΕΜΑΤΑ ΠΡΟΣ ΠΕΡΑΙΤΕΡΩ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ Σελίδα 2

3 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Το τεχνολογικό πρόβλημα της υποβάθμισης της δομικής ακεραιότητας γηρασκόντων αεροσκαφών αποτελεί σήμερα αντικείμενο έρευνας αιχμής τόσο για τις αεροπορικές βιομηχανίες και τους διεθνείς και εθνικούς οργανισμούς ασφάλειας πτήσεων, όσο και για την επιστημονική κοινότητα. Οι μέχρι σήμερα προσπάθειες εστιάζονται κυρίως στην μελέτη της επίδρασης των καταστάσεων πολλαπλής βλάβης και ευρείας έκτασης βλάβης κόπωσης στην δομική ακεραιότητα των γηρασμένων αεροσκαφών. Σε πολλές όμως περιπτώσεις εκτός από καταστάσεις πολλαπλής βλάβης και ευρείας έκτασης βλάβη κόπωσης, παρατηρούνται επίσης εκτεταμένα προβλήματα διάβρωσης. Έρευνες έχουν δείξει ότι η προκαλούμενη διάβρωση δεν προκαλεί μόνο μείωση της διατομής των υλικών αλλά και ψαθυροποίηση λόγω υδρογόνου η οποία υποβαθμίζει την δυσθραυστότητα του υλικού. Στην παρούσα Διπλωματική Εργασία πραγματοποιήθηκε πειραματική μελέτη της επίδρασης της διάβρωσης στην δυσθραυστότητα τεχνητά γηρασμένων δοκιμίων του αεροναυπηγικού κράματος αλουμινίου 2024-Τ3. Αρχικά κατασκευάστηκαν δοκίμια δυσθραυστότητας σύμφωνα με την διεθνή προδιαγραφή. Δοκίμια αναφοράς υπεβλήθησαν σε μηχανικές δοκιμές δυσθραυστότητας και αποτιμήθηκε ο κρίσιμος συντελεστής έντασης τάσεων K cr. Τα υπόλοιπα δοκίμια υποβλήθηκαν σε τρεις διαφορετικές θερμικές κατεργασίες τεχνητής γήρανσης και παραμονή στον φούρνο θερμικών κατεργασιών για διαφορετικούς χρόνους. Τα μισά δοκίμια τέθηκαν στην συνέχεια σε διαβρωτικό διάλυμα αποφλοίωσης για δύο ώρες πριν την πραγματοποίηση των μηχανικών δοκιμών δυσθραυστότητας και αποτιμήθηκαν με τον ίδιο τρόπο με σκοπό την σύγκριση μεταξύ τους. Η επιλογή του χρόνου διάβρωσης πραγματοποιήθηκε με βάση ολοκληρωμένης Διπλωματικής Εργασίας, του Πανεπιστημίου Αιγαίου σχετικά με τη επίδραση της διάβρωση στο 2024-Τ3, όπου και αποδείχθηκε πως οποιαδήποτε μείωση της ολκιμότητας έπειτα από δύο ώρες διάβρωσης οφείλεται στην ψαθυροποίηση του υδρογόνου, καθώς τα τρίμματα (pits) λόγω διάβρωσης δεν έχουν προλάβει να δημιουργηθούν. Στην συνέχεια πραγματοποιήθηκαν μηχανικές δοκιμές δυσθραυστότητας στα τεχνητά γηρασμένα και διαβρωμένα δοκίμια προκειμένου να εξαχθεί η επίδραση της τεχνητής γήρανσης και της επακόλουθης διάβρωσης στη δυσθραυστότητα του μετάλλου. Βρέθηκε πως ο κρίσιμος συντελεστής έντασης τάσεων μειώνεται με την αύξηση του χρόνου τεχνητής γήρανσης έως ότου φτάσει στην κατάσταση της μέγιστης γήρανσης, όπου με περαιτέρω γήρανση παρατηρείται μερική αποκατάσταση του κρίσιμου συντελεστή έντασης τάσεων. Η διάβρωση φαίνεται να υποβαθμίζει τη δυσθραυστότητα του υλικού σε όλες τις θερμοκρασίες τεχνητής γήρανσης. Σελίδα 3

4 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον Καθηγητή μου Λέκτορα Νικόλαο Αλεξόπουλο επιβλέποντα της Διπλωματικής μου Εργασίας για τη καθοδήγηση, την ενθάρρυνση και την συνεχή υποστήριξη του κατά την διάρκεια της εργασίας μου. Ιδιαίτερες ευχαριστίες θα ήθελα να αποδώσω στον Καθηγητή κ. Σταύρο Κουρκουλή από το Εργαστήριο Αντοχής και Υλικών, του Τομέα Μηχανικής της Σχολής Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου για την πραγματοποίηση εξειδικευμένων μηχανικών δοκιμών στο εν λόγω Εργαστήριο καθώς επίσης και στην Διευθύντρια του Τομέα Έρευνας & Ανάπτυξης της Ελληνικής Αεροπορικής Βιομηχανίας (ΕΑΒ) Δρ. Ζαϊρα Μαριόλη-Ρήγα για την προμήθεια του αεροναυπηγικού υλικού που χρησιμοποιήθηκε στο πλαίσιο της Διπλωματικής μου εργασίας. Τις ευχαριστίες μου θα ήθελα να αποδώσω και στον Επίκουρο Καθηγητή κ. Αλέξη Κερμανίδη για την δυνατότητα διεξαγωγής περιορισμένου αριθμού δοκιμών δυσθραυστότητας που πραγματοποιήθηκαν στο Εργαστήριο Μηχανικής και Αντοχής Υλικών του Τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας καθώς και στον υποψήφιο Διδάκτορα Π. Χριστοδούλου για την πολύτιμη βοήθειά του. Φυσικά, είμαι ευγνώμων στους γονείς μου και στην αδελφή μου για την συνεχή στήριξη που μου παρείχαν όλο το διάστημα της εργασίας μου αλλά και καθ όλη τη διάρκεια των σπουδών μου. Δίχως την αγάπη και την υποστήριξη τους, ενδεχομένως αυτή η εργασία να μην είχε πραγματοποιηθεί. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω τους συμφοιτητές μου Ζανέτα Βελονάκη και Γιώργο Στεφάνου για την πολύτιμη βοήθεια τους και την άριστη συνεργασία που είχαμε. Σελίδα 4

5 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΥΜΒΟΛΩΝ Σύμβολο Μονάδες Ερμηνεία L & T διευθύνσεις κοπής δοκιμίων F kn εφαρμοζόμενες δυνάμεις Ε GPa μέτρο ελαστικότητας R p MPa όριο διαρροής R m MPa όριο θραύσης A f % παραμόρφωση θραύσης R - λόγος τάσεων K - συντελεστής έντασης τάσεων P N εξωτερικό φορτίο K cr - κρίσιμος συντελεστής έντασης τάσεων r mm άνοιγμα χειλέων δοκιμίου δυσθραυστότητας Β mm πάχος δοκιμίου δυσθραυστότητας K R - συνάρτηση υπολογισμού του κρίσιμου συντελεστή έντασης τάσεων r y mm μήκος πλαστικής ζώνης δοκιμίου δυσθραυστότητας aeff mm ενεργό μήκος ρωγμής a 0 mm μήκος ρωγμής P max - μέγιστη τιμή αξονικού φορτίου που επιβάλλεται στο δοκιμίου δυσθραυστότητας Σελίδα 5

6 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Σε αυτή την ενότητα παρουσιάζονται πληροφορίες εισαγωγικού χαρακτήρα σχετικά με το αντικείμενο της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας. Επιπλέον παρατίθεται μία βιβλιογραφική ανασκόπηση και περιγράφονται συνοπτικά οι βασικές διαδικασίες που πραγματοποιήθηκαν για την ολοκλήρωση της εργασίας 1.1 ΤΟ ΑΛΟΥΜΙΜΙΟ ΚΑΙ ΤΑ ΚΡΑΜΑΤΑ ΤΟΥ Το αλουμίνιο (Al-Aluminium) και τα κράματα του χαρακτηρίζονται από μία σχετικά χαμηλή πυκνότητα (2,7 g/cm 3 ) και υψηλή θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα. Οι μηχανικές του ιδιότητες δεν εξαρτώνται μόνο από την καθαρότητα του αλλά και από το ποσοστό ενδροτράχυνσης που έχει υποστεί κατά τη διάρκεια των μηχανικών του κατεργασιών. Το μεταλλικό αλουμίνιο έχει μεγάλη ικανότητα στο να αντιστέκεται στη διάβρωση σε ορισμένα κοινά περιβάλλοντα, είναι σχετικά μη ανθεκτικό και πολύ όλκιμο. Αυτό στην ουσία συμβαίνει γιατί με την έκθεση του μετάλλου στην ατμόσφαιρα σχηματίζεται στιγμιαία ένα λεπτό επιφανειακό, μη ορατό, στρώμα οξειδίου, που εμποδίζει τη βαθύτερη διάβρωσή του. Το αλουμίνιο έχει την δυνατότητα, με την προσθήκη χημικών στοιχείων, να δημιουργεί συνθέσεις (κράματα) με διαφορετικές ιδιότητες. Τα στοιχεία που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή των κραμάτων αλουμινίου είναι ο Χαλκός (Cu), το Μαγγάνιο (Mn), το Πυρίτιο (Si), το Μαγνήσιο (Mg), ο Ψευδάργυρος (Zn) και ο Σίδηρος (Fe) και καθένα από τα κραματικά στοιχεία προσδίδουν διαφορετικές ιδιότητες στο υπό ανάπτυξη υλικό. Αυτά όπως και το καθαρό αλουμίνιο έχουν επίσης μεγάλη πυκνότητα, καλή θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα και έχουν υψηλή αντοχή στη διάβρωση [1]. Συνεπώς, με την προσθήκη μικρών ποσοτήτων κραματοποιών (χημικών) στοιχείων μπορεί να επιτευχθεί πρώτη ύλη αλουμινίου με τις επιθυμητές και κατάλληλες ιδιότητες για κάθε τύπο προϊόντος. Οι τελικές ιδιότητες κάθε προϊόντος που θα παραχθεί από αλουμίνιο, επιτυγχάνονται με την επιλογή του κατάλληλου κράματος αλουμινίου, την μέθοδο επεξεργασίας του (μηχανική πλαστική διαμόρφωση ή χύτευση) και τις θερμικές κατεργασίες (βαφή, τεχνητή γήρανση, ανόπτηση κλπ) που θα υποστεί. Εξαιτίας της σχετικά χαμηλής του πυκνότητας, της μεγάλης του ικανότητας να δημιουργεί μεγάλη ποικιλία κραμάτων και του χαμηλού κόστους παραγωγής έγινε στρατηγικό μέταλλο για την αυτοκινητοβιομηχανία, αεροδιαστημική βιομηχανία, ναυπηγική, κατασκευή κτιρίων, παρασκευή συσκευασιών τροφίμων κ.ά. Θεωρείται σήμερα μετά το σίδηρο και το χάλυβα από τα σημαντικότερα βιομηχανικά μέταλλα και η χρήση του διαρκώς επεκτείνεται κυρίως στην αεροναυπηγική και στην αυτοκινητοβιομηχανία. Τα κράματα αλουμινίου χρησιμοποιούνται ευρέως σε μηχανολογικές εφαρμογές και ιδιαίτερα σε εφαρμογές όπου απαιτούνται υψηλές ειδικές Σελίδα 6

7 αντοχές. Το μέτρο ελαστικότητας του είναι περίπου το ένα τρίτο του χάλυβα, κάτι που πρακτικά σημαίνει ότι το αλουμίνιο παραμορφώνεται ελαστικά τρείς φορές περισσότερο από τον χάλυβα κάτω από αντίστοιχη φόρτιση. Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα του είναι το χαμηλό του βάρος αν και μερικά από τα κράματα του έχουν αντοχή συγκρίσιμη με του χάλυβα, δεν είναι τοξικό, είναι καλός αγωγός του ηλεκτρικού ρεύματος και της θερμότητας, ανακλά σε μεγάλο ποσοστό το φώς και τη θερμότητα και επιδέχεται με ευκολία μηχανουργικές κατεργασίες κοπής και διαμόρφωσης αλλά και επιφανειακές επικαλύψεις. Το βασικό του μειονέκτημα είναι το χαμηλό σημείο τήξης του (600 ο C), το οποίο θέτει περιορισμούς στη μέγιστη θερμοκρασία χρήσης του. Στις αεροπορικές εφαρμογές ο λόγος αντοχής-βάρους= των υλικών που χρησιμοποιούνται είναι ένας από τους πιο καθοριστικούς παράγοντες. Αυτός είναι και ο λόγος που στα σύγχρονα αεροσκάφη χρησιμοποιούνται κατά ένα πολύ μεγάλο ποσοστό τα κράματα αλουμινίου, Σχήμα 1. Ενδεικτικό στοιχείο για την ανάδειξη της σημασίας της χρήσης κραμάτων αλουμινίου στα αεροσκάφη, αποτελεί το γεγονός ότι συναντώνται σε τμήματα της πρωτευούσης δομής του αεροσκάφους όπως είναι π.χ. το κέλυφος και τα φτερά. Σχήμα 1: Ποσοστιαία κατανομή βάρους των υλικών κατασκευής του αεροσκάφους Airbus Α380 [2], [3]. Το ακόλουθο παράδειγμα δείχνει πόσο σημαντική είναι η μείωση του βάρους ειδικά στην αεροναυπηγική βιομηχανία. Ένα αεροπλάνο Airbus A310, το οποίο χρησιμοποιείται για τις πτήσεις μικρών αποστάσεων, είναι στον αέρα περίπου ώρες ετησίως. Αν το βάρος του μειωθεί κατά μόλις ένα τοις εκατό, εξοικονομείται πάνω από 600 τόνων καυσίμων ετησίως ανά αεροσκάφος και επομένως μειώνεται και το κόστος των καυσίμων. Έτσι γίνεται ξεκάθαρο πως σε μεγαλύτερα αεροπλάνα που διανύουν μεγαλύτερες αποστάσεις, όπως το Airbus A380 το οποίο ζυγίζει 560 τόνους όταν είναι πλήρως φορτωμένο, η εξοικονόμηση καυσίμων είναι ένα από τα πρωτεύον ζητήματα που απασχολούν τις αεροναυπηγικές βιομηχανίες [4]. Γι αυτό το λόγο στην σημερινή εποχή, το αλουμίνιο και τα κράματά του χρησιμοποιούνται ευρύτατα στην αεροπορική βιομηχανία παντού στον κόσμο. Το περίβλημα του πρώτου σοβιετικού Σελίδα 7

8 δορυφόρου αποτελείτο από κράματα αλουμινίου. Το περίβλημα των σωμάτων των αμερικανικών πυραύλων Avantgarde και Titan που χρησιμοποιούνται για την προώθηση των πρώτων αμερικανικών πυραύλων στην τροχιά και αργότερα τα διαστημόπλοια κατασκευάστηκαν επίσης από κράματα αλουμινίου. Επίσης χρησιμοποιούνται για την κατασκευή διαφόρων εξαρτημάτων του εξοπλισμού του διαστημόπλοιου (υποστηρίγματα, σασί, θήκες και περίβλημα για πολλά εργαλεία και συσκευές). Τα κράματα αλουμινίου σειράς 2xxx, 3xxx, 5xxx, 6xxx, και 7xxx χρησιμοποιούνται ευρέως στον τομέα των αερομεταφορών. Η σειρά 2xxx συστήνεται για τη λειτουργία σε υψηλές θερμοκρασίες εργασίας και σε υψηλές μηχανικές καταπονήσεις. Τα κράματα σειράς 7xxx για τη λειτουργία στις χαμηλότερες θερμοκρασίες των ιδιαίτερων μηχανικά καταπονημένων μερών και για τις δομές που υφίστανται διάβρωση κάτω από μηχανική καταπόνηση. Για τις δομές που αναλαμβάνουν μικρότερα μηχανικά φορτία χρησιμοποιούνται κράματα σειράς 3xxx, 5xxx, και 6xxx. Οι μηχανικοί και οι κατασκευαστές δεν παύουν ποτέ να μελετούν τις μηχανικές ιδιότητες των κραμάτων αλουμινίου, να αναπτύσσουν ολοένα και περισσότερα κράματα για την κατασκευή αεροπορικών δομών. 1.2 Η ΣΕΙΡΑ ΚΡΑΜΑΤΩΝ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ 2024 Πρόκειται για κράματα αλουμινίου με κύρια προσθήκη το χαλκό (Al-Cu). Ο χαλκός περιέχεται σε ποσοστά 2,6%-6,3%. Η σειρά 2xxx υφίσταται θερμική κατεργασία και συνδυάζει σε κάποια κράματα υψηλή αντοχή (ειδικά σε υψηλές θεοκρασίες), ακαμψία και σε μερικές περιπτώσεις κακή συγκολλησιμότητα. Δεν έχει καλή αντοχή σε διάβρωση σε ατμοσφαιρικές συνθήκες, έτσι βάφεται ή επενδύεται κατάλληλα για τέτοιες εφαρμογές. Χαρακτηριστικά κατηγορίας: Υφίστανται θερμική κατεργασία Έχουν υψηλή αντοχή σε θερμοκρασία περιβάλλοντος όπως και σε υψηλές θερμοκρασίες Εφαρμογές σε μεταφορές (αεροπλάνα, τραίνα) Αντιπροσωπευτικά κράματα: 2014, 2017, 2024, 2219, 2195 Εύρος αντοχής σε εφελκυσμό: MPa Τα πιο ανθεκτικά κράματα της σειράς 2xxx χρησιμοποιούνται κυρίως για αεροσκάφη (2024) και για σασί φορτηγών (2014). Χρησιμοποιούνται επίσης σε κατασκευές που συνδέονται µε σπειρώματα ή πριτσίνια. Κάποια ειδικά κράματα της σειράς (π.χ και 2048) συγκολλούνται και έτσι χρησιμοποιούνται και για εφαρμογές σε αεροσκάφη όπου η μέθοδος της συγκόλλησης προτιμάται TΟ ΚΡΑΜΑ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ 2024-Τ3 Το κράμα αλουμινίου 2024-Τ3 ανήκει στην κραματική σειρά 2xxx του αλουμινίου, με κύρια κραματικά στοιχεία το αλουμίνιο (Al) και το χαλκό (Cu). Χρησιμοποιείται σε προηγμένες Σελίδα 8

9 τεχνολογικά εφαρμογές, όπου απαιτείται η υψηλή αντοχή και το χαμηλό βάρος, κυρίως σε αεροπορικές εφαρμογές λόγω των αυξημένων μηχανικών ιδιοτήτων που παρουσιάζει, τα καλά χαρακτηριστικά κατεργασίας και τη μεγάλη αντοχή του. Για το λόγο αυτό όσο και για την καλή κατασκευή έχει αντικαταστήσει κατά ένα μεγάλο μέρος άλλα κράματα της σειράς όπως το Έχει υψηλή αντοχή στη διάβρωση, παρουσιάζει πολύ καλές μηχανικές ιδιότητες και είναι θερμικά κατεργάσιμο. Επιδέχεται θερμική κατεργασία διαλυτοποίησης (solution heat treatment) την οποία ακολουθεί διεργασία γήρανσης (aging) με αποτέλεσμα την αύξηση της αντοχής και της σκληρότητας του κράματος, με ταυτόχρονη μείωση της ολκιμότητας. Ο συμβολισμός T3 χαρακτηρίζει την θερμική κατεργασία στην οποία έχει υποβληθεί το κράμα και περιλαμβάνει θερμική κατεργασία στερεής διαλυτοποίησης, βαφή, κατεργασία εν ψυχρώ και φυσική γήρανση, Πίνακας 1. Πίνακας 1: Θερμική κατεργασία του κράματος 2024-Τ3. Υλικό Θερμοκρασία διαλυτοποίησης Ψύξη Ψυχρή έλαση Θερμοκρασία φυσικής γήρανσης Θερμική κατεργασία ο C 0 ο C Ναι 25 ο C (2μέρες) Τ3 Το κράμα 2024 χρησιμοποιείται κατά κύριο λόγο στους μεταλλικούς σκελετούς ατράκτων, στα φτερά και πλευρικά των αεροσκαφών όπου η δυσκαμψία, η κόπωση και η καλή αντοχή απαιτούνται. Γενικά χρησιμοποιείται εκτενώς σε εμπορικά και στρατιωτικά αεροπλάνα σε περιοχές μηχανών όπου οι ανυψωμένες θερμοκρασίες σε 250 F (121 o C) αντιμετωπίζονται συχνά. Στο Σχήμα 2 παρουσιάζονται επιμέρους περιοχές του αεροσκάφους Α380, στις οποίες χρησιμοποιείται το κράμα 2024-Τ3 καθώς και άλλα κράματα αλουμινίου. Σχήμα 2: Περιοχές του αεροσκάφους Airbus Α380 που χρησιμοποιούνται κράματα αλουμινίου [5]. Σελίδα 9

10 Η χημική σύσταση του κράματος 2024-Τ3 δίνεται στον Πίνακας 2 και οι χαρακτηριστικές του μηχανικές ιδιότητες δίνονται στον Πίνακας 3. Πίνακας 2:Χημική σύσταση 2024-Τ3 (ποσοστά % κ.β) Υλικό Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Al ,50 0,50 4,35 0,64 1,5 0,10 0,25 0,15 Υπόλοιπο Πίνακας 3: Χαρακτηριστικές μηχανικές ιδιότητες του κράματος 2024 T3. Υλικό 1.3 ΣKΛΗΡΥΝΣΗ ΜΕ ΚΑΤΑΚΡΙΜΝΗΣΗ ΛΟΓΩ ΓΗΡΑΝΣΗΣ Η αντοχή και η σκληρότητα των μεταλλικών κραμάτων ενισχύεται με τον σχηματισμό εξαιρετικά μικρών και ομοιόμορφα διασκορπισμένων σωματιδίων μίας δεύτερης φάσης, εντός της μήτρας της πρωτογενούς φάσης, μετά από κατάλληλες θερμικές κατεργασίες. Όλη αυτή η διαδικασία ονομάζεται σκλήρυνση με κατακρήμνιση και τα μικρά σωματίδια της νέας φάσης καλούνται κατακρημνίσματα. Ο όρος «σκλήρυνση με κατακρήμνιση μέσω γήρανσης» χρησιμοποιείται επίσης για να προσδιοριστεί αυτή η διαδικασία καθώς η αντοχή αναπτύσσεται με το πέρας του χρόνου και το κράμα «γηράσκει». Παραδείγματα κραμάτων τα οποία σκληροποιούνται με κατεργασία κατακρήμνισης είναι το αλουμίνιου-χαλκού (Al-Cu), του χαλκού-βηρυλλίου (Cu-Be), χαλκούκασσίτερου (Cu-Sn) και μαγνησίου-αλουμινίου (Mg-Al). Αυτή η διαδικασία κατεργασίας είναι δυνατή σε συστήματα κραμάτων που τα συστατικά τους εμφανίζουν περιορισμένη διαλυτότητα στη στερεή κατάσταση με μεγάλη διαφορά ορίων διαλυτοποίησης μεταξύ χαμηλής και υψηλής θερμοκρασίας. Η διαδικασία σκλήρυνσης με κατακρήμνιση πραγματοποιείται ως εξής (Σχήμα 3): i. Σε θερμοκρασία Τ 0 (θερμική κατεργασία διαλύματος), υπάρχει μόνο ομογενής φάση α με ii. iii. Όριο θραύσης R m [MPa] σύσταση C o. Αυτό καλείται στάδιο ομογενοποίησης. Απότομη ψύξη (βαφή) σε θερμοκρασία περιβάλλοντος Τ 1, για να αποφευχθεί ο σχηματισμός της φάσης β. Στην χαμηλή αυτή θερμοκρασία, η διάχυση θεωρείται πρακτικά αμελητέα. Έτσι δημιουργείται, υπέρκορο διάλυμα φάσης α, το οποίο αποτελεί δομή εκτός κατάστασης ισορροπίας, στη θερμοκρασία αυτή. Το κράμα αυτό είναι μαλακό και με χαμηλή μηχανική αντοχή. Όριο διαρροής R p [MPa] Παραμόρφωση θραύσης Α f [%] Μέτρο ελαστικότητας Ε [GPa] 2024-T ,40 Έπειτα το υπέρκορο στερεό διάλυμα α θερμαίνεται σε ενδιάμεση θερμοκρασία Τ 2, εντός της διφασικής περιοχής α+θ, που το φαινόμενο της διάχυσης δεν είναι αμελητέο. Η κατακρημνισμένη φάση θ αρχίζει να σχηματίζεται ως διασπαρμένα μικρο-σωματίδια Σελίδα 10

11 σύστασης C θ. Μετά από παραμονή στην θερμοκρασία Τ 2, για ορισμένο χρονικό διάστημα, το κράμα αποψύχεται πάλι σε θερμοκρασία περιβάλλοντος Τ 1. Η επαναφορά στη θερμοκρασία περιβάλλοντος, που οδηγεί σε σκλήρυνση, καλείται γήρανση. Η αντοχή και η σκληρότητα του κράματος εξαρτώνται τόσο από τη θερμοκρασία κατακρήμνισης Τ 2 όσο και από το χρόνο γήρανσης σε αυτή τη θερμοκρασία. Σχήμα 3:Σχηματική παρουσίαση των θερμικών κατεργασιών, κατά τη διαδικασία της σκλήρυνσης με κατακρήμνιση, σε διάγραμμα θερμοκρασίας-χρόνου[7]. Η αργή αύξηση της σκληρότητας, όταν το κράμα, μετά τη θερμική κατεργασία διατηρηθεί στη θερμοκρασία περιβάλλοντος, ονομάζεται σκλήρυνση με κατακρήμνιση λόγω φυσικής γήρανσης (natural aging). Εάν μετά τη θερμική κατεργασία είναι απαραίτητο να θερμανθεί το κράμα σε κάποια θερμοκρασία για να διευκολυνθεί η διάχυση και να επέλθει η σκλήρυνση, αυτή η δεύτερη θερμική κατεργασία ονομάζεται τεχνητής γήρανσης (artificial aging) [4], [6], [7]. Το κράμα αλουμινίου 2024 είναι ένα κράμα που υπόκειται σε θερμική κατεργασία αφού ανήκει στην σειρά Al-Cu. Στα κράματα αυτά χρησιμοποιείται η κατεργασία σκλήρυνσης με κατακρήμνιση λόγω γήρανσης για την αύξηση της αντοχής τους. Ένα κλασικό παράδειγμα του μηχανισμού σκλήρυνσης με κατακρήμνιση είναι το ντουραλουμίνιο, της σειράς 2000 των κραμάτων Al, τα οποία περιέχουν 4% Cu. Στα κράματα αυτά κατακρημνίζεται η φάση Al 2 Cu και σε πολύ μικρότερο βαθμό η φάση Mg 2 Si. Σελίδα 11

12 Σχήμα 4:Διμερές διάγραμμα ισορροπίας των φάσεων Al-Cu(περιοχή πλούσια σε Al) [7]. Σχήμα 5:Διμερές διάγραμμα ισορροπίας των φάσεων Al-Cu (περιοχή πλούσια σε Al) [7]Σφάλμα! Το αρχείο προέλευσης της αναφοράς δεν βρέθηκε.. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 4 και στο Σχήμα 5, το Al- 4% κ.β. Cu σε θερμοκρασία C, αποτελείται από μία φάση α. Ο χαλκός διαλύεται στο αλουμίνιο, δίνοντας στερεό διάλυμα αντικατάστασης α. Στο σημείο Β, παρουσιάζεται αργή θέρμανση στους 550 C, γεγονός που επιτρέπει την πλήρη διάλυση του Cu στην φάση α. Σε θερμοκρασία μικρότερη από 500 C, το κράμα εισέρχεται στη περιοχή (α+al 2 Cu, θ=al 2 Cu). Όσο η θερμοκρασία μειώνεται με αργό ρυθμό το ποσό του Al 2 Cu αυξάνεται και σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, το μίγμα ισορροπίας αποτελείται από 93% κ.β. φάση α και 7% κ.β. Al 2 Cu. Σε αυτή την περίπτωση η περιοχές της φάσης θ είναι σε απόσταση η μία από την άλλη και δεν εμποδίζουν την μετακίνηση των διαταραχών και το κράμα έχει χαμηλή σκληρότητα. Αν η ψύξη όμως γίνει με ταχύτερο ρυθμό τότε δεν υπάρχει ο απαραίτητος χρόνος για τη δημιουργία της φάσης θ, και η κατάσταση θεωρείται ασταθής. Τα κατακρημνίσματα Σελίδα 12

13 όταν είναι μικρού μεγέθους, εμποδίζουν την μετακίνηση των διαταραχών, διότι βρίσκονται κοντά το ένα με το άλλο, με αποτέλεσμα το κράμα να είναι σκληρότερο [6], [7]. Η ισχυροποίηση τελικά του κράματος λαμβάνει χώρα ως εξής: το υπέρκορο στερεό διάλυμα προκύπτει μετά από βαφή από τη θερμοκρασία διαλυτοποίησης. Στη συνέχεια κατά την τεχνητή γήρανση σχηματίζονται πρώτα οι ζώνες GP (οι ζώνες GP ανακαλύφθηκαν και πήραν το όνομα τους από τους Guinier και Preston το 1938), οι οποίες διατηρούν πλήρη συνοχή με τη μήτρα του αλουμινίου. O λόγος που σχηματίζονται οι ζώνες GP αντί της φάσεως ισορροπίας β (Mg 2 Si) είναι η μικρή ενέργεια ενεργοποίησης που χρειάζεται για την πυρήνωση τους. Αυτό οφείλεται στην πολύ μικρή τιμή της διεπιφανειακής ενέργειας μεταξύ GP και μήτρας του αλουμινίου, αφού η διεπιφάνεια παρουσιάζει πλήρη συνοχή. Οι ζώνες GP σχηματίζονται με τη μορφή δίσκων ελαχιστοποιώντας την ενέργεια παραμορφώσεως. Έτσι παρά το γεγονός ότι η κινούσα δύναμη για το σχηματισμό της φάσης θ είναι μεγαλύτερη από εκείνη που διατίθεται για το σχηματισμό των ζωνών GP η μικρότερη ενέργεια ενεργοποίησης των ζωνών GP οδηγεί στον σχηματισμό τους. Την καθίζηση των ζωνών GP ακολουθεί ο σχηματισμός των μεταβατικών φάσεων θ" και θ' (transition zones), Σχήμα 6. Σχήμα 6:Αλληλουχία των κατακρημνίσεων Al-4%Cu 59[8]. Όπως οι ζώνες GP έτσι και οι β" και β' έχουν μικρότερη ενέργεια ενεργοποίησης για πυρήνωση από τη φάση ισορροπίας β. Διαθέτοντας μια κρυσταλλική δομή μεταξύ της μητρικής φάσης α και της φάσης β, επιτυγχάνουν έναν υψηλό βαθμό συνοχής με τη μήτρα ελαχιστοποιώντας τη διεπιφανειακή ενέργεια. Αντίθετα, η φάση β έχει μια πολύ σύνθετη κρυσταλλική δομή, σχηματίζει διεπιφάνεια μη συνοχής με τη μήτρα και η διεπιφανειακή της ενέργεια είναι μεγάλη. Από τις δύο μεταβατικές φάσεις η β" έχει πλήρη συνοχή, ενώ η β' περιβάλλεται από διεπιφάνειες ημισυνοχής. Έτσι η συνοχή τους από πλήρης που είναι στην αρχή της καθίζησης (ζώνες GP και β ) μειώνεται σε ημισυνοχή (β') και καταλήγει σε μη συνοχή (β), Σχήμα 7. Σχήμα 7:Αλληλουχία των κατακρημνίσεωνal-mg 2 Si [8]. Σελίδα 13

14 Αυτή η απώλεια συνοχής οφείλεται στην ενέργεια παραμορφώσεως που συνοδεύει τον μετασχηματισμό σωματιδίων συνοχής, η οποία αυξάνεται με το μέγεθος των σωματιδίων. Το σύστημα προτιμά να μη διατηρήσει τη συνοχή μεταξύ σωματιδίων και μήτρας για να ελαχιστοποιήσει τη συνολική ελεύθερη ενέργεια. Ολόκληρη η σειρά καθιζήσεως παρατηρείται μόνο όταν το κράμα υποστεί γήρανση σε μια θερμοκρασία κάτω από την καμπύλη solvus των ζωνών GP. Αν παραδείγματος χάριν η γήρανση πραγματοποιηθεί πάνω από τη solvus των ζωνών GP και κάτω από την καμπύλη στερεού της β" τότε η καθίζηση ξεκινά με απ ευθείας σχηματισμό της φάσης β". Η μέγιστη σκληρότητα (peak hardness) είναι ένας συνδυασμός των φάσεων β" και β'. Με την πάροδο του χρόνου γήρανσης ξεκινά και η καθίζηση της φάσεως β'. Η φάση β' εμφανίζεται σε ημισυνοχή με τη μήτρα ενώ η διασπορά ταυτόχρονα υφίσταται διεύρυνση (coarsening). Το μέγεθος και η ενδιάμεση απόσταση μεταξύ των σωματιδίων της β' αυξάνεται. Οι γραμμικές αταξίες υπερβαίνουν τα εμπόδια ευκολότερα και έτσι η σκληρότητα μειώνεται με το χρόνο γήρανσης. Το φαινόμενο της μείωσης της σκληρότητας ονομάζεται υπερ-γήρανση (overaging). Για την επίτευξη της μέγιστης σκληρότητας πρέπει να εφαρμοστεί ένας βέλτιστος συνδυασμός θερμοκρασίας και χρόνου γηράνσεως. Οι διάφορες φάσεις που σχηματίζονται παρουσιάζουν διαφορετική ειδική αντίσταση στην παρεμπόδιση της ολίσθησης των αταξιών. Οι ζώνες GP και τα σωματίδια της φάσης β" διατηρούν πλήρη συνοχή με το κρυσταλλικό πλέγμα της μήτρας. Έτσι μια γραμμική αταξία που ολισθαίνει σε ένα κρυσταλλικό επίπεδο της μήτρας μπορεί να διεισδύει και να συνεχίσει την ολίσθηση της μέσα στο σωματίδιο. Τα σωματίδια αυτά είναι διαπερατά (penetratable) ή διατμόμενα (shearable). Αντίθετα τα σωματίδια των φάσεων θ' και θ δεν παρουσιάζουν πλήρη συνοχή με τη μήτρα με αποτέλεσμα οι αταξίες να μη μπορούν να διεισδύουν σε αυτά. Τα σωματίδια αυτά ονομάζονται μη διαπερατά (non penetratable) ή μη διατμόμενα (non shearable) [9]. Η αποτελεσματικότητα των κατακρημνισμάτων για την άμεση παρεμπόδιση της μετακίνησης των διαταραχών μειώνεται στην περίπτωση που οι διαταραχές διαπεράσουν (τμήσουν) τα κατακρημνίσματα ή περιέλθουν καμπτόμενες γύρω από αυτά, Σχήμα 8 Σχήμα 8: Πιθανοί τρόποι για την κίνηση των διαταραχών:(α) να τμήσουν τις κατακρημνίσεις, (β) να κυκλώσουν και να παρακάμψουν τις κατακρημνίσεις [8]. Σελίδα 14

15 Η αντίσταση του κρυσταλλικού πλέγματος των κατακρημνίσεων σε διάτμηση επηρεάζεται από πλήθος παραγόντων. Με την αύξηση του χρόνου γήρανσης αυξάνεται το μέγεθος και μειώνεται το πλήθος των κατακρημνίσεων. Μία τυπική καμπύλη σκλήρυνσης σε συνάρτηση με τον χρόνο γήρανσης απεικονίζεται στο Σχήμα 9. Για παράδειγμα κατά τη γήρανση στους 160 ο C επιτυγχάνεται μια μέγιστη σκληρότητα μετά από περίπου 24 ώρες, και εν συνεχεία το κράμα φτάνει στη κατάσταση υπο-γήρανσης όπου αρχίζει να μειώνεται η σκληρότητά του. Σε υψηλότερη θερμοκρασία, για παράδειγμα στους 200 ο C επιτυγχάνεται μία κατώτερη μέγιστη σκληρότητα σε λιγότερο χρονικό διάστημα, σε σχέση με τις άλλες δύο θερμοκρασίες, και με την αύξηση του χρόνου επιτυγχάνεται ταχεία μείωση της σκληρότητας του κράματος. Σχήμα 9:Τυπική καμπύλη σκλήρυνσης [8]. 1.4 ΔΥΣΘΡΑΥΣΤΟΤΗΤΑ Η δυσθραυστότητα εκφράζει την ικανότητα ενός μετάλλου να αντιστέκεται στη δημιουργία ρωγμών και γενικότερα να απορροφά ενέργεια κατά την θραύση του. Είναι μια ένδειξη, δηλαδή της ποσότητας της δύναμης που απαιτείται για την διάδοση μίας προϋπάρχουσας ρωγμής. Είναι μια σύνθετη μηχανική ιδιότητα, αφού αποδίδει συγχρόνως, την ικανότητα ενός υλικού: (α) να υφίσταται πλαστική παραμόρφωση, πριν από την θραύση και (β) ταυτόχρονα να του ασκούνται φορτία. Το αλουμίνιο ενώ διαθέτει μέτρια αντοχή στον εφελκυσμό, η δυσθραυστότητα του χαρακτηρίζεται ως υψηλή. Είναι μια πολύ σημαντική ιδιότητα, δεδομένου ότι η εμφάνιση των ρωγμών δεν μπορεί να αποφευχθεί τελείως κατά την επεξεργασία ή κατασκευή ενός υλικού. Η αξιολόγηση που χρησιμοποιείται για να προσδιοριστεί η αντίσταση σε ρωγμή των περισσότερων μετάλλων είναι η μεθοδολογία του συντελεστή έντασης τάσεων K (stress intensity factor). Η σχέση μεταξύ του συντελεστή έντασης τάσεων της δύναμης φόρτωσης, του μέγεθος της ρωγμής και της δομικής γεωμετρίας του δοκιμίου αναφέρεται παρακάτω (Στάδιο ψευδο-στατικής φόρτισης). Με την άσκηση της δύναμης το μέταλλο αντιστέκεται στην δημιουργία ρωγμών δημιουργώντας μία πλαστική ζώνη στο σημείο της προϋπάρχουσας ρωγμής. Έτσι στην περιοχή της αιχμής της ρωγμής υπάρχει μία Σελίδα 15

16 παρατηρούμενη μέγιστη κρίσιμη τιμή αντίστασης στην ρωγμή, που ονομάζεται κρίσιμος συντελεστής έντασης τάσεων Κ cr. Η ταχεία διάδοση μιας ρωγμής ελέγχεται αποκλειστικά από τον κρίσιμο συντελεστή έντασης τάσεων. Όσο η ασκούμενη δύναμη αυξάνεται, και κατ επέκταση και το άνοιγμα της ρωγμής, το μέταλλο παύει να δημιουργεί μεγάλες πλαστικές ζώνες και η διάδοση της ρωγμής γίνεται ασταθής. Όσο μεγαλύτερη είναι η τιμή του K cr τόσο υψηλότερη είναι η ασκούμενη δύναμη που απαιτείται για την δημιουργία ταχείας διάδοσης της ρωγμής και τότε τόσο μεγαλύτερη είναι και η αντίσταση του μετάλλου στη θραύση. Υπάρχουν τρεις βασικοί τύποι με τους οποίους μία ασκούμενη δύναμη μπορεί να ενεργήσει πάνω σε μία ρωγμή, και κάθε ένας απ αυτούς, θα προκαλέσει διαφορετική μετατόπιση της επιφάνειας της ρωγμής. Οι τρεις τύποι απεικονίζονται στο Σχήμα 10. Σχήμα 10: Οι τρεις τύποι μετατόπισης των επιφανειών μιας ρωγμής [10]. Ο τύπος Ι είναι εφελκυστικού τύπου και το επίπεδο της ρωγμή είναι κάθετο προς την κατεύθυνση της ασκούμενης δύναμης, ενώ οι τύποι ΙΙ και ΙΙΙ είναι τύπου ολίσθησης και απόσχισης αντίστοιχα. Ο τύπος Ι είναι αυτός που χρησιμοποιείται πιο συχνά και ως εκ τούτου χρησιμοποιήθηκε και στην παρούσα εργασία. Τα δοκίμια είναι δυνατόν να έχουν ίδιες αναλογίες αλλά διαφορετικά πάχη. Έτσι ο κρίσιμος συντελεστής έντασης τάσεων εξαρτάται από το πάχος των δοκιμίων. Επομένως ο συντελεστής έντασης τάσεων Κ Ι αλλάζει μέχρι το πάχος του δοκιμίου (Β) να υπερβεί μία κρίσιμη τιμή. Μόλις το πάχος υπερβαίνει αυτή την κρίσιμη τιμή, η αποτίμηση του Κ Ι γίνεται σχετικά σταθερή και η τιμή αυτή τώρα λέγεται Κ ΙC. Σε σχετικά λεπτά δοκίμια, η τιμή Κ ΙC εξαρτάται από το πάχος του δοκιμίου (Β), στην επίπεδη εντατική κατάσταση και τελικά το Κ ΙC γίνεται ανεξάρτητο του πάχους από την στιγμή που η συνθήκη της επίπεδης κατάστασης παραμόρφωσης εκπληρωθεί, Σχήμα 11. Σελίδα 16

17 Σχήμα 11: Σχηματική αναπαράσταση της επίδρασης του πάχους επίπεδης πλάκας στην αντίσταση [10]. 1.5 ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΤΗΣ ΔΙΑΒΡΩΣΗΣ Διάβρωση είναι η σταδιακή καταστροφή των υλικών, συνήθως των μετάλλων, από τη χημική αντίδραση με το περιβάλλον τους. Η διάβρωση υποβαθμίζει τις μηχανικές ιδιότητες των υλικών και των δομών, όπως η δύναμη, η εμφάνιση και η διαπερατότητα σε υγρά και σε αέρια. Πολλά δομικά κράματα διαβρώνονται απλώς με την έκθεσή τους στο περιβάλλον, από την υγρασία, και άλλα επηρεάζονται από την έκθεση σε ορισμένες ουσίες. Η διάβρωση μπορεί να συγκεντρωθεί τοπικά και να διαμορφώσει ένα κοίλωμα ή μια ρωγμή, ή μπορεί να επεκταθεί πέρα από μια ευρεία περιοχή, λίγο πολύ ομοιόμορφα διαβρώνοντας την επιφάνεια. Επειδή η διάβρωση είναι μια ελεγχόμενη διαδικασία εμφανίζεται στις εκτεθειμένες επιφάνειες και συνήθως αρχίζει από την επιφάνεια προς τα μέσα. Η διάβρωση έχει τεράστιες οικονομικές συνέπειες. Το πρόβλημα της διάβρωσης μετάλλων είναι σημαντικό και αυτό φαίνεται αφού με οικονομικούς όρους έχει υπολογιστεί ότι περίπου το 5% του εισοδήματος ενός εκβιομηχανισμένου κράτους διατίθεται στην πρόληψη της διάβρωσης και συντήρησης ή στην αντικατάσταση χαμένων προϊόντων και εξαρτημάτων σαν αποτέλεσμα μιας διαβρωτικής αντίδρασης. Για παράδειγμα η διάβρωση των μετάλλων κόστισε μόνο στην Αμερικανική οικονομία $300 δισεκατομμύρια ανά έτος σε τιμές του Το 1998 εκτιμάτε πως το σύνολο των οικονομικών ζημιών στην βιομηχανία των ΗΠΑ λόγω της διάβρωσης μεταλλικών υλικών ανέρχεται στο ποσό των $276 δισεκατομμυρίων που αντιστοιχεί περίπου στο 3,1% του ΑΕΠ των αμερικάνων. Η ευρύτερη εφαρμογή των αντιδιαβρωτικών υλικών και η εφαρμογή των καλύτερων τεχνικών πρακτικών διάβρωσης θα μπορούσε να μειώσει περίπου το ένα τρίτο αυτών των δαπανών. Η αντιμετώπιση της διάβρωσης είναι πολύ σημαντική όχι μόνο για την μείωση του οικονομικού κόστους, αλλά και για την αντιμετώπιση της ασφάλειας της ανθρώπινης ζωής που προκύπτει από τα διαβρωμένα εξαρτήματα των μεταφορικών μέσων κ.ά. Η φθορά δομικών μεταλλικών στοιχείων ενός τεχνικού έργου (π.χ. γέφυρας, θαλάσσιας πλατφόρμας άντλησης Σελίδα 17

18 πετρελαίου κλπ.) πρέπει πάντα να παρακολουθείται προσεκτικά, ώστε να προλαμβάνεται η αστοχία των μετάλλων και οι συνέπειες που συνεπάγονται αυτής. Παράγοντες που επηρεάζουν σημαντικά την ταχύτητας της διάβρωσης είναι η θερμοκρασία, το ph, η συγκέντρωση, η πολυπλοκότητα του περιβάλλοντος-ταυτόχρονες καθοδικές δράσεις, η ανομοιογένεια της επιφάνειας και οι μηχανικές τάσεις. Για τον έλεγχο της αντίστασης των υλικών σε διάβρωση, έχουν αναπτυχθεί διάφορα εργαστηριακά πρότυπα (πειράματα) επιταχυνόμενης διάβρωσης. Τα πρότυπα αυτά χρησιμοποιούνται τόσο από τις αεροπορικές όσο και από άλλες βιομηχανίες. Οι ευρύτερα χρησιμοποιούμενες τεχνικές επιταχυνόμενων πειραμάτων διάβρωσης είναι: Γενική διάβρωση-ομοιόμορφη (General Corrosion) Γαλβανική Διάβρωση (Galvanic Corrosion) Διάβρωση με οπές (pitting corrosion) Περικρυσταλλική διάβρωση (Intergranular corrosion) Διάβρωση λόγω επιβολής τάσεων (Stress corrosion cracking) Διάβρωση με ρωγμές-χαραγής (Crevice corrosion) Διάβρωση με αποφλοίωσης (Exfoliation corrosion) ΔΙΑΒΡΩΣΗ ΜΕ ΑΠΟΦΛΟΙΩΣΗ (EXCO) Η διάβρωση αποφλοίωσης είναι προϊόν περικρυσταλλικής κυρίως διάβρωσης, όπου επιφανειακοί κόκκοι του μετάλλου μετατοπίζονται προς το εξωτερικό του υλικού ως αποτέλεσμα παρακείμενων προϊόντων διάβρωσης που εμφανίζονται στα όρια των κόκκων του μετάλλου ακριβώς κάτω από την επιφάνεια. Η διάβρωση αποφλοίωσης είναι χαρακτηριστική περίπτωση διάβρωσης σε προϊόντα αλουμινίου όπου η δομή των κόκκων του υλικού (λεπτοί και διαμήκεις) είναι προσανατολισμένη σε μία διεύθυνση. Η τεχνική της διάβρωσης αποφλοίωσης προκαλεί στα κράματα αλουμινίου τριμματική διάβρωση (pitting), περικρυσταλλική διάβρωση αλλά και ψαθυροποίηση λόγω διάχυσης και παγίδευσης υδρογόνου [11]. Τα προκύπτοντα προϊόντα διάβρωσης ξεφλουδίζουν κοντά στην επιφάνεια τους και έχουν μεγαλύτερο όγκο από τον όγκο του μητρικού μετάλλου. Για το λόγο αυτό δημιουργούνται μικρορωγμές κάτι που κάνει το είδος της διάβρωσης εύκολα αναγνωρίσιμο σε αρχικό στάδιο και αυτό οδηγεί στην μη ξαφνική δομική αστοχία. Η διάβρωσης με αποφλοίωση εξαφανίζεται μετά από μακροχρόνια θερμική κατεργασία κατακρήμνισης σε θερμοκρασίες μεταξύ 120 C και 140 C. Αυτό το είδος συναντάται συνήθως σε επιφανειακά στρώματα, σε αιχμηρές άκρες και σε προϊόντα που έχουν επιμηκυμένα σχήματα, όπου οι κρύσταλλοι σχηματίζουν φύλλα τα οποία είναι λεπτότερα σε σχέση με το μήκος και το πλάτος τους. Κράματα με μεγαλύτερη ευαισθησία σε αποφλοίωση είναι τα θερμικά κατεργασμένα των σειρών 2xxx και 7xxx και συγκεκριμένα κράματα της σειράς 5xxx Σελίδα 18

19 όπου έχουμε ανεπιθύμητη κατανομή των φάσεων. Είναι η συνηθέστερη μορφή διάβρωσης η οποία αρχικά προκαλεί μικρο-ρωγμές κάτω από την επιφάνεια του ελάσματος και στα τελικά της στάδια προκαλεί την αποφλοίωση του υλικού Η ΔΙΑΒΡΩΣΗ ΣΤΗΝ ΑΕΡΟΝΑΥΠΙΓΙΚΗ Η διάβρωση αποτελεί ένα από τα κυρίαρχα προβλήματα για την δομική ακεραιότητα των γηρασκόντων αεροσκαφών. Ως γηράσκον αεροσκάφος χαρακτηρίζεται εκείνο το αεροσκάφος το οποίο έχει ξεπεράσει την διάρκεια ζωής του σύμφωνα με τον κατασκευαστή του (service objective life), καθώς κυρίως λόγω της κόπωσης, υποβαθμίζεται η δομική ακεραιότητα των κατασκευαστικών στοιχείων του αεροσκάφους. Καθώς ο χρόνος λειτουργίας ενός αεροσκάφους αυξάνει, υπάρχει πιθανότητα η προκαλούμενη βλάβη λόγω της διάβρωσης που υφίστανται τα εν λόγω κατασκευαστικά στοιχεία, να αλληλεπιδράσει με τις άλλες μορφές βλάβης των κατασκευαστικών στοιχείων, όπως είναι οι 'απλές' μικρο-ρωγμές λόγω κόπωσης ή η βλάβη λόγω κόπωσης σε πολλαπλά σημεία (multi-side damage) που συμβαίνει σε περιοχές υψηλής καταπόνησης του υλικού (π.χ. σε περιοχές του υλικού ανάμεσα σε οπές συνδέσεως). Σε αυτές τις περιπτώσεις, η συνέργεια μεταξύ της βλάβης λόγω διάβρωσης και της βλάβης λόγω κόπωσης, υποβαθμίζει σημαντικά την δομική ακεραιότητα των κατασκευαστικών στοιχείων και μπορεί να έχει μοιραίες συνέπειες. Χαρακτηριστικό παράδειγμα συνέργειας των δυο παραπάνω παραγόντων είναι το θανατηφόρο ατύχημα στο αεροσκάφος τύπου Boeing 737 της πτήσης 243 της εταιρείας Aloha Airlines, [12], [13] στην Χαβάη. Όπως παρουσιάζεται χαρακτηριστικά στο Σχήμα 12, η αστοχία του κατασκευαστικού στοιχείου ξεκίνησε από περιοχή υψηλής καταπόνησης του υλικού ανάμεσα σε οπές συνδέσεως, όπου με την συνέργεια της διάβρωσης πραγματοποιήθηκε ταχύτατη θραύση μεγάλου μέρους της ατράκτου του αεροσκάφους. Προφανώς αυτή η αστοχία δεν μπορούσε να προβλεφθεί από τους υπεύθυνους μηχανικούς κατά τους περιοδικούς ελέγχους του αεροσκάφους. Επιπρόσθετα, σε όλες τις έξι (6) πτήσεις της 28ης Απριλίου 1988, δεν αναφέρθηκε καμία βλάβη από τους συνήθεις οπτικούς ελέγχους πριν από την πτήση του αεροσκάφους. Η ταχεία αστοχία εκδηλώθηκε κατά την διάρκεια της πτήσης του αεροσκάφους και σε ύψος ποδών. Στο Σχήμα 13 παρουσιάζονται χαρακτηριστικές μακροφωτογραφίες του εν λόγω αεροσκάφους, το οποίο προσγειώθηκε στο αεροδρόμιο του Μάουϊ με ασφάλεια. Το συγκεκριμένο ατύχημα αποτελεί χαρακτηριστικό παράδειγμα της επίδρασης της διάβρωσης στην υποβάθμιση της δομικής ακεραιότητας των αεροναυπηγικών κραμάτων αλουμινίου, η οποία είναι προφανώς πρωτεύουσας σημασίας. Σελίδα 19

20 (α) (β) Σχήμα 12:(α) Πιθανή εκκίνηση της βλάβης σε περιοχή υψηλής καταπόνησης του κατασκευαστικού στοιχείου και (β) απότομη θραύση μέρους της ατράκτου του αεροπλάνου τύπου Boeing 737 της πτήσης 243 της Aloha Airlines. (α) (β) Σχήμα 13:Χαρακτηριστικές μακροφωτογραφίες του ατυχήματος του αεροπλάνου τύπου Boeing 737 της πτήσης 243 της Aloha Airlines [13]. Στην ανοικτή βιβλιογραφία έχουν γίνει προσπάθειες για την προσομοίωση της συνέργειας της βλάβης λόγω κόπωσης [14], [15] και της βλάβης λόγω διάβρωσης [16], [17] σε διάφορα κατασκευαστικά στοιχεία. Ωστόσο, η αναγνώριση των παραπάνω συναρτήσεων βλάβης και της ταυτόχρονης επίδρασής τους στο υλικό είναι σύνθετη και δύσκολη. Μολονότι έχουν γίνει αρκετές προσπάθειες προσομοίωσης του προβλήματος με αριθμητικά μοντέλα διάδοσης ρωγμής σε κόπωση [18], [19] η προκαλούμενη υποβάθμιση της δομικής ακεραιότητας ενός γηράσκοντος αεροσκάφους προσδιορίζεται κυρίως μόνο με πειραματικές δοκιμές [20], [21] όπως π.χ. εφελκυσμός, κόπωση, δυσθραυστότητα, διάδοση ρωγμής σε κόπωση, κλπ. Για την προσομοίωση του προβλήματος της υποβάθμισης της δομικής ακεραιότητας ενός τεχνολογικού υλικού λόγω διάβρωσης, χρησιμοποιούνται επιταχυνόμενες εργαστηριακές δοκιμές διάβρωσης [23] και σπανιότερα έκθεση σε φυσικό (ατμοσφαιρικό ή θαλάσσιο) διαβρωτικό περιβάλλον [22]. 1.6 ΥΠΑΡΧΟΥΣΑ ΓΝΩΣΗ-ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ Οι J.P. Chubb et. al [23], σύγκριναν τη συμπεριφορά δύο κραμάτων αλουμινίου 2024-Τ351 και 7178-Τ6. Παρακάτω αναφέρονται μόνο τα αποτελέσματα για το κράμα Πραγματοποιήθηκαν πειράματα σε κράματα 2024-Τ351 πάχους 3 mm τα οποία διαβρώθηκαν σε διάλυμα αποφλοίωσης Σελίδα 20

21 EXCO για 96 ώρες. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν και σε υγρό και σε ξηρό περιβάλλον κόπωσης κάτι που δεν επηρέασε σχεδόν καθόλου το υλικό στον ρυθμό ανάπτυξης των ρωγμών. Ωστόσο για τα διαβρωμένα δοκίμια φάνηκε πως ο ρυθμός ανάπτυξης της ρωγμής ήταν χαμηλότερος σε σχέση με τα μη διαβρωμένα δοκίμια κάτι που αποδόθηκε στην επίδραση της διάβρωσης αποφλοίωσης που προκαλεί επιπλέον πλαστική παραμόρφωση στο άκρο της ρωγμής και έτσι προκύπτει το κλείσιμο των ρωγμών λόγω διάβρωσης. Οι P.V. Petroyannis et. al [24], αναφέρθηκαν στην διάβρωση που προκαλείται λόγω ψαθυροποίησης υδρογόνου στο κράμα αλουμινίου Πραγματοποιήθηκαν μηχανικές δοκιμές εφελκυσμού, μεταλλογραφική αλλά και φωτογραφική ανάλυση των δεδομένων. Τα δοκίμια που χρησιμοποιήθηκαν είχαν πάχος 3 mm, με την ίδια φορά έλασης (L) και κατακόρυφη φοράς έλασης (LT) και εκτέθηκαν στο διάλυμα αποφλοίωσης, πριν τις δοκιμές από 0,3 ώρες έως και 96 ώρες. Οι δοκιμές εφελκυσμού πραγματοποιήθηκαν και έπειτα ακολούθησαν θερμικές κατεργασίες για την απομάκρυνση των προϊόντων διάβρωσης. Κατέληξαν πως η διάβρωση προκάλεσε υποβάθμιση των εφελκυστικών μηχανικών ιδιοτήτων σταδιακά σε σχέση με το χρόνο έκθεσης. Η έκθεση στη διάβρωση οδήγησε σε μια μέτρια μείωση του ορίου διαρροής και του ορίου αντοχής του υλικού. Ωστόσο με την απομάκρυνση της διαβρωμένης περιοχής επανήλθαν σχεδόν στις αρχικές τιμές τους, βέβαια η μεγάλη μείωση της ολκιμότητας (μείωση έως και 80%) δεν αποκαταστάθηκε με την μηχανική αφαίρεση των προϊόντων διάβρωσης. Η ολκιμότητα αποκαταστάθηκε στα μη διαβρωμένα υλικά μόνο μετά από θερμική κατεργασία στους 495 C όπου το παγιδευμένο υδρογόνο αποδεσμεύθηκε, κάτι που απέδειξε πως η παρατηρούμενη αποικοδόμηση της ολκιμότητας οφείλεται σε διάβρωση που προκαλείται λόγω ψαθυροποίηση του υδρογόνου. Η μεταλλογραφική εξέταση των δοκιμίων παρουσίασε μία ζώνη κάτω από την διαβρωμένη επιφάνεια των δοκιμίων πλούσια σε υδρογόνο και από την άλλη η φωτογραφική ανάλυση εμφάνισε μία ζώνη κάτω από τη περικρυσταλλική διαβρωμένη που ήταν παρούσα ακόμα και μετά την απομάκρυνση 350 μm. Οι E. Charitidou et. al [25], εστίασαν στην σημασία της παρουσίας υδρογόνου που παράγεται κατά την διάβρωση του κράματος αλουμινίου 2024-Τ3, που οδηγεί στην ψαθυροποίησή του. Μέτρησαν λοιπόν την ύπαρξη υδρογόνου σε διαβρωμένα δοκίμια πάχους 1,8 mm, πλάτους 2,5 mm και μήκους 40 mm τα οποία διαβρώθηκαν από 3 έως 12 ώρες, σε διάλυμα αποφλοίωσης. Τα δοκίμια υπέστησαν θερμικές κατεργασίες στους 200 C, 410 C και 500 C (Τ 2, Τ 3, Τ 4 ) όπου δεν παρατηρήθηκε καμία εξέλιξη του υδρογόνου σε καμία από τις τρεις καταστάσεις, ακόμα και αν τα δοκίμια παρέμεινε για μεγάλο χρονικό διάστημα σε σταθερή θερμοκρασία. Επομένως αυτές οι καταστάσεις ορίστηκαν ως μη αναστρέψιμες σε αντίθεση με την κατάσταση στους 100 C (Τ 1 ), όπου υπήρξε απελευθέρωση του υδρογόνου ακόμα και για μεγάλους χρόνους έκθεσης, και για αυτό χαρακτηρίστηκε ως αναστρέψιμη κατάσταση. Επιπλέον σε όλες τις καταστάσεις η ποσότητα του υδρογόνου που παγιδεύτηκε φάνηκε να εξαρτάται από τον χρόνο έκθεσης του δοκιμίου στο Σελίδα 21

22 διάλυμα αποφλοίωσης και έτσι στην κατάσταση Τ 1 η παρουσία υδρογόνου αυξήθηκε εκθετικά με τον χρόνο έκθεσης στο διάλυμα ενώ στις άλλες τρεις καταστάσεις φάνηκε πως παρουσιάζεται κορεσμός της εμφάνισης του. Οι Ν.Δ. Αλεξόπουλος και Π. Παπανίκος [26], μελέτησαν την επίδραση των μηχανικών ιδιοτήτων του κράματος αλουμινίου 2024-Τ3 σε σχέση με τον χρόνο έκθεσης σε διαβρωτικό διάλυμα σε δοκίμια πάχους 3,2 mm και φορά έλασης (L). Πραγματοποιήθηκαν πειράματα εφελκυσμού και δυσθραυστότητας σε προ-διαβρωμένα δοκίμια τα οποία εκτέθηκαν για διαφορετικούς χρόνους σε διάλυμα αποφλοίωσης (EXCO). Το συνολικό διαβρωτικό πάχος που σημειώθηκε στο δοκίμιο μετά τις 96 ώρες έκθεσης στο διάλυμα ήταν 0,74 mm δηλαδή το πραγματικό πάχος ήταν 2,46 mm. Οι ιδιότητες που εξετάστηκαν ήταν το όριο διαρροής R p, το όριο αντοχής R m, η παραμόρφωση θραύσης A f και η ειδική ενέργεια παραμόρφωσης W. Έτσι παρατηρήθηκε ότι όλες οι ιδιότητες μειώθηκαν εκθετικά με την αύξηση του χρόνου έκθεσης στο διάλυμα αποφλοίωσης. Τη μεγαλύτερη μείωση την παρουσίασε η ολκιμότητα, με μείωση περίπου 60% μετά από 96 ώρες στο διάλυμα σε σχέση με το όριο αντοχής που η μείωση ήταν 15% για το ίδιο χρονικό διάστημα. (α) (β) Σχήμα 14: (α) όριο διαρροής R p0.2% και (β) η παραμόρφωση θραύσης A f για τους διάφορους χρόνους έκθεσης σε διάλυμα αποφλοίωσης του κράματος αλουμινίου 2024-Τ3 [26]. Το πραγματικό πάχος του δοκιμίου μειώθηκε κι αυτό εκθετικά με την αύξηση του χρόνου έκθεσης περίπου 19% πάνω από τις 24 ώρες ενώ η περαιτέρω έκθεση του 2024-Τ3 στο διάλυμα μείωσε ασήμαντα το πάχος εξαιτίας του στρώματος διάβρωσης στην επιφάνεια του. Κατά τα πειράματα της δυσθραυστότητας η μείωση ήταν περίπου 30% σε σχέση με την αρχική της τιμή για τους ίδιους χρόνους έκθεσης, αφού κατά τις ονομαστικές τιμές από K Cr = 100,04 MPa m έφτασε τα 69,64 MPa m μετά τις 96 ώρες. Κατά τις πραγματικές τιμές μειώθηκε στα 92,28 MPa m μετά από 96 ώρες ενώ η τιμή δεν αλλάζει σημαντικά μετά τις 24 ώρες (K cr = 91,99 MPa m ). Αυτή η μείωση του 8% μετά τις 24 ώρες φαίνεται να μην οφείλεται στην μείωση του πάχους του δοκιμίου αλλά στην συγκέντρωση τάσεων των επιφανειακών ρωγμών διάβρωσης του κράματος ή στην ψαθυροποίηση λόγω διάχυσης υδρογόνου. Με την χρήση του μηχανικού μοντέλου που Σελίδα 22

23 αναπτύχθηκε η αναμενόμενη τιμή δυσθραυστότητας, για μη διαβρωμένα δοκίμια, θα έπρεπε να είναι K cr = 81 MPa m κάτι πολύ κοντινό στην πειραματική τιμή K cr = 86 MPa m με μία καλή απόκλιση δηλαδή της τάξης του 6%. Γενικά όλες οι τιμές που προέκυψαν συμφώνησαν ικανοποιητικά με τις πειραματικές τιμές κατά τη διάρκεια του πειράματος με πολύ μικρά ποσοστά απόκλισης. Για το φαινόμενο όπου οι ρωγμές λόγω κόπωσης σε διαβρωμένα δοκίμια διαδίδονται και οδηγεί σε καταστροφή του δοκιμίου [27] ασχολήθηκαν οι K. Van der Walde et. al. Διεξήχθησαν σαράντα πειράματα σε δείγματα 2024-Τ3 με διαστάσεις από 1,6 mm έως 12,7 mm και στις δυο διευθύνσεις έλασης, (L) και (LT). Το κάθε δοκίμιο διαβρώθηκε από 6 έως 24 ώρες και ασκήθηκαν τρία επίπεδα τάσεων κόπωσης, αναφορικά 138 MPa, 180 MPa και 220 MPa. Ο αριθμός των ρωγμών ανά δοκίμιο βρέθηκε να συσχετίζεται θετικά με το επίπεδο της κόπωσης και την διάρκεια έκθεσης στο διαβρωτικό διάλυμα. Σχεδόν πάνω από τα μισά δοκίμια παρατηρήθηκε να έχουν δύο ή και περισσότερες ρωγμές. Ρωγμές στον πυρήνα εμφανίστηκαν σε όλα τα δοκίμια κατά τη διάβρωση, όμως στα 23 από τα 40 εμφανίστηκαν πάνω από 2. Οι ρωγμές σε δοκίμια με κατεύθυνση LT εντοπίστηκαν μετά από 6 ώρες και για επιβαλλόμενη τάση 180 MPa οι οποίες παρατηρήθηκαν και στις γωνίες σε αντίθεση με δοκίμια (Τ). Ο αριθμός των ρωγμών επηρεάστηκε από το επίπεδο της τάσης κόπωσης, οριακά από τη διάρκεια και σημαντικά από την αλληλεπίδραση αυτών των δυο. Οι ρωγμές αυξήθηκαν σημαντικά με την αύξηση του επίπεδου κόπωσης και την μεγάλη διάρκεια που επηρέασαν την θραύση της επιφάνειας. Οι H. Kamoutsi et. al [28], μελέτησαν την διάβρωση του κράματος αλουμινίου 2024 που οφείλεται στην ψαθυροποίηση λόγω διάχυσης και παγίδευσης του υδρογόνου στο εσωτερικό του υλικού. Τα πειραματικά κράματα αλουμινίου είχαν πάχος 1,06 mm έως 3,0 mm και πραγματοποιήθηκαν διαβρωτικές δοκιμές, από 15 λεπτά έως 96 ώρες σε διάλυμα αποφλοίωσης (EXCO). Τα δοκίμια στην συνέχεια τοποθετήθηκαν σε φούρνο και έπειτα πραγματοποιήθηκαν οι δοκιμές εφελκυσμού. Πέντε από τα δοκίμια πάχους 2,4 mm εκτέθηκαν στο διάλυμα για 24 ώρες. Το πρώτο μετρήθηκε για να διαπιστωθεί η ποσότητα υδρογόνου αμέσως μετά τον καθαρισμό του διαβρωμένου στρώματος, ενώ τα άλλα τέσσερα παρουσίασαν υδρογόνο σε βάθος 50 μm, 100 μm, 200 μm και 350 μm αντίστοιχα. Γενικά το υδρογόνο για τα διαβρωμένα δοκίμια φάνηκε να επηρεάζεται σε βάθος μm από την επιφάνεια ενώ για τα μη διαβρωμένα στα 350 μm. Τα τρίμματα (pits) εμφανίστηκαν νωρίς μετά τα 15 λεπτά και ήταν κυρίως στο προστατευτικό στρώμα οξειδίων όπου αργότερα άρχισαν να πληθαίνουν και να δημιουργούνται όλο και περισσότερα (pit to pit interactions). Σελίδα 23

24 Σχήμα 15:Ανάλυση SEM κράματος αλουμινίου 2024-Τ3 (με φορά LT), εμφάνιση οπών (pit-to-pit) και αλληλεπίδρασης οπών σε διάλυμα αποφλοίωσης (EXCO) για (α) 8h και (β)12h [28]. Στα μη διαβρωμένα δοκίμια η σκληρότητα του υλικού μειώθηκε έως τους 400 C λόγω γήρανσης (στους 250 C υπήρξε μια μικρή αύξηση) ενώ μετά τους 400 C αυξήθηκε λόγω διαλυτοποίησης και επανακαθίζησης. Τα διαβρωμένα δοκίμια παρουσίασαν περίπου την ίδια συμπεριφορά με μερικές μόνο διαφορές. Όσο λοιπόν το υδρογόνο προχωρά, η διάβρωση επηρεάζει την επιφάνεια και δημιουργείται μεγάλο διαβρωμένο στρώμα. Με την αφαίρεση του διαβρωμένου στρώματος παρουσιάστηκε πλήρης αποκατάσταση του ορίου αντοχής αλλά όχι και της ολκιμότητας. Με τις πρόσθετες θερμικές κατεργασίες στο δοκίμιο ολοκληρώθηκε η αποκατάσταση της ολκιμότητας λόγω απελευθέρωσης υδρογόνου. Παρόμοιες ενδείξεις καταγράφηκαν και με τη φωτογραφική ανάλυση Σχήμα 15, και έτσι αποδείχθηκε η διάβρωση λόγω ψαθυροποίησης του υδρογόνου στο υλικό. Οι K.M. Gruenberg et al [29], μελέτησαν την ανθεκτικότητα των δοκιμίων που είναι διαβρωμένα υπό συνθήκες μηχανικής κόπωσης. Χρησιμοποιήθηκαν δοκίμια αλουμινίου 2024-Τ3 με μήκος 1,6 mm. Πραγματοποιήθηκαν συνολικά 15 δοκιμές και για κάθε μία χρησιμοποιήθηκαν 5 δοκίμια στο σύνολο των 77. Τα δοκίμια εκτίθηκαν σε διάλυμα διάβρωσης για 6, 24 και 72 ώρες. Το κύριο συμπέρασμα ήταν ότι η συνολική μεθοδολογία πρόβλεψης της αντοχής στην καταπόνηση, φάνηκε να είναι ως επί τον πλείστον ένας επιτυχημένος τρόπος πρόβλεψης για τα προ-διαβρωμένα δοκίμια αφού συλλέγει τα αποτελέσματα σε σχέση με τρία διαφορετικά επίπεδα: από τα τρία επίπεδα κόπωσης (20, 26, 31.9 ksi), από τα τρία επίπεδα διάβρωσης (για 6, 24, 72 ώρες) και από τις τρεις κατευθύνσεις των δοκιμίων (L, LT(e), LT(s)). Γενικά φάνηκε πως τα δοκίμια με μεγάλο χρόνο διάβρωσης δεν αντέχουν πολύ κατά την μηχανική κόπωση. Η αντοχή διαπιστώθηκε να μειώνεται καθώς το επίπεδο κόπωσης αυξανόταν και η διαφοροποίηση στην αντοχή κατά την κόπωση μεταξύ των επιπέδων διάβρωσης έγινε μικρότερη καθώς η κόπωση αυξανόταν. Επομένως σε υψηλά επίπεδα κόπωσης η διαφορά στην αντοχή μεταξύ των χαμηλών και υψηλών επιπέδων διάβρωσης δεν ήταν έντονη, σε αντίθεση με τα χαμηλά επίπεδα κόπωσης, όπου υπήρξαν διαφορές ανάμεσα στα επίπεδα διάβρωσης για τις κατευθύνσεις L και LT που φάνηκε πως γενικά αντέχουν περισσότερο κατά τις 6 και 72 ώρες έκθεσης. Τα δοκίμια με κατεύθυνση L είχαν μεγαλύτερη Σελίδα 24

25 αντοχή από τα LT, που και στις 2 περιπτώσεις τους ήταν παρόμοια. Η διαφορά των διαβρωμένων και των μη διαβρωμένων δοκιμίων ήταν επίσης σημαντική, αφού τα δύο χωρίς διάβρωση δοκίμια δεν έσπασαν και απομακρύνθηκαν από την μηχανή. Οι Al.Kermanidis et. al [30], μελέτησαν την κόπωση και την ανοχή της συμπεριφοράς των προ-διαβρωμένων δοκιμίων 2024-Τ3 σε σύγκριση με την συμπεριφορά των μη διαβρωμένων δοκιμίων. Η διάβρωση πραγματοποιήθηκε σε διάλυμα αποφλοίωσης (EXCΟ) για 36 ώρες. Τα δοκίμια είχαν πάχος 1,6 mm και κατεύθυνση L. Μετά τις 36 ώρες στο διάλυμα εμφανίστηκαν οπές με διάμετρο από 2,586 έως 103 μm και με πυκνότητα 100 mm 2. Η παρουσία της διάβρωσης λόγω οπών και της περικρυσταλλικής διάβρωσης μείωσε την αντοχή των δοκιμίων κατά την κόπωση. Το όριο αντοχής σε κόπωσης φάνηκε να πέφτει από τα 175 MPa, για τα μη διαβρωμένα δοκίμια, στα 95 MPa για τα διαβρωμένα δοκίμια. Επίσης η έκθεση στο διαβρωτικό διάλυμα μείωσε την δυσθραυστότητα κατά 27% όπου για τα διαβρωμένα δοκίμια ήταν αισθητή η μείωση της αντίστασης στην κόπωση και η ανοχή στη βλάβη. Μετά τις 36 ώρες η ενέργεια πυκνότητας ήταν W = 14,7MJ/m 3 και η Μ(Τ) δυσθραυστότητα K cr = 55,4 MPa m και W = 86,7 MJ/m 3 και K cr = 136 MPa m για διαβρωμένα και μη διαβρωμένα δοκίμια, αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι είναι σημαντική η προϋπάρχουσα διάβρωση του υλικού για την αξιόπιστη κόπωση και την αντοχή του σε ρωγμή για τα διαβρωμένα δοκίμια. Οι P.V. Petroyiannis et. al [31], ασχολήθηκαν με την έννοια του χάρτη βλάβης κόπωσης (Fatigue Damage Map-FDM), μία εφαρμογή για την ποσοτικοποίηση των επιπτώσεων της διάβρωσης αποφλοίωσης (EXCO) στη συμπεριφορά του κράματος αλουμινίου 2024-T351. Γι αυτό πραγματοποιήθηκαν πειράματα εφελκυσμού, δυσθραυστότητας και δοκιμές κόπωσης των ρωγμών σε προ-διαβρωμένα δοκίμια. Τα στάδια ανάπτυξης των ρωγμών ήταν τρία: Ι) ανάπτυξη μικρής ρωγμής, ΙΙ) μακροσκοπική ανάπτυξη ρωγμών και ΙΙΙ) επιταχυνόμενη διάδοση ρωγμών. Τα δοκίμια είχαν πάχος 1,6 mm και κατεύθυνση L, τα οποία εμβαπτίστηκαν για 0,3, 2, 24, 48, 72 και 98 ώρες σε διάλυμα αποφλοίωσης. Μετά τις μετρήσεις κατέληξαν στο ότι η έκθεση στο διάλυμα προκάλεσε γενικά υποβάθμιση των μηχανικών ιδιοτήτων του αλουμινίου 2024-Τ351. Διαπίστωσαν επίσης πως η διάβρωση με την εμφάνιση τριμμάτων στην επιφάνεια των δοκιμίων χαρακτήρισε κυρίως τα δοκίμια με μικρό χρόνο έκθεσης στο διάλυμα ενώ η διάβρωση σε βάθος εμφανίστηκε κυρίως στα δοκίμια με μεσαίο και μεγάλο χρόνο έκθεσης. Επίσης σε μεγάλους χρόνους έκθεσης πάνω από τις 50 ώρες φάνηκε πως ο κορεσμός της αποφλοίωσης στην επιφάνεια του δοκιμίου ήταν υπεύθυνος για την υποβάθμιση των μηχανικών ιδιοτήτων. Η ανάλυση FDM αποκάλυψε πως η προδιάβρωση σε διάλυμα αποφλοίωσης αύξησε σημαντικά τη ρωγμή στο στάδιο ΙΙΙ σε σχέση με το στάδιο ΙΙ. Επίσης επισημάνθηκε πως από το στάδιο Ι, στο στάδιο ΙΙ για την ίδια ασκούμενη δύναμη εμφανίστηκαν μικρότερα μήκη ρωγμών στα διαβρωμένα δοκίμια. Τα αποτελέσματα, εν κατακλείδι, Σελίδα 25

26 έδειξαν πως αν παραληφθεί η επίδρασης της διάβρωσης στις δοκιμές δομικής ακεραιότητας των γηρασκόντων εξαρτημάτων των αεροσκαφών, πιθανόν προκαλείται υπερεκτίμηση της ανοχής σε βλάβη της δομής. Οι P.V. Petroyiannis et. al [32], μελέτησαν τις επιπτώσεις της διάβρωσης λόγω ψαθυροποίησης υδρογόνου στις μηχανικές ιδιότητες των κραμάτων αλουμινίου 2024-Τ351 και 6010-Τ6 με πάχος 1,6 mm και κατεύθυνση (L) και (LT). Πραγματοποιήθηκαν πειράματα εφελκυσμού και δυσθραυστότητας σε διαβρωμένα και μη δοκίμια. Για τα δοκίμια 2024-Τ351 διεξήχθησαν και πειράματα απομένουσας αντοχής σε ήδη καταπονημένα δοκίμια (MSD). Στο διαβρωτικό διάλυμα αποφλοίωσης (EXCO) τα δοκίμια εμβαπτίστηκαν για 0,3, 2, 24, 48, 72 και 96 ώρες και ακολούθησε η μηχανική καταπόνηση κόπωσης. Έπειτα ακολούθησε μηχανική απομάκρυνση των διαβρωμένων περιοχών για να αξιολογηθεί η επίδραση της διάβρωσης στα μηδιαβρωμένα σημεία των δοκιμίων για 24, 48 και 72 ώρες στο διαβρωτικό περιβάλλον. Η μηχανική απομάκρυνση των διαβρωμένων περιοχών αποκατέστησε την απόδοση και την τελική τάση εφελκυσμού αλλά όχι την ολκιμότητα. Ακολούθησαν θερμικές κατεργασίες στους 150 C, 350 C, 490 C και 540 C. Με αυτό τον τρόπο η ολκιμότητα αποκαταστάθηκε μόνο μετά από τις θερμικές αυτές κατεργασίες των κραμάτων και προκλήθηκε παγίδευση του υδρογόνου, γεγονός που υποδηλώνει ότι η διάβρωση των κραμάτων που εξετάστηκαν συνδέεται με την ψαθυροποίηση του υδρογόνου. Γενικά φάνηκε πως η διάβρωση προκάλεσε υποβάθμιση των μηχανικών ιδιοτήτων στα δοκίμια, σταδιακά βέβαια με τους διαφορετικούς χρόνους έκθεσης στο διάλυμα, διαπιστώθηκε επίσης πως και η ολκιμότητα μειώθηκε εκθετικά, σε εξαιρετικά χαμηλές τιμές. Επιπλέον παρατηρήθηκε πως η δυσθραυστότητα των διαβρωμένων δοκιμίων μειώθηκε σημαντικά και συνδέθηκε και με την μείωση της ενέργειας παραμόρφωσης, κάτι που χρησιμοποιήθηκε για την αξιολόγηση της μείωσης της απομένουσας αντοχής των δοκιμίων, λόγω της διάβρωσης που προκλήθηκε από την ευθραυστότητα του υδρογόνου. Οι K. van der Walde και B.M. Hillberry [33], πραγματοποίησαν δοκιμές κόπωσης σε προδιαβρωμένα κράματα αλουμινίου 2024-Τ3 με πάχος από 1,6 mm έως 12,7 mm με φορά έλασης (L) και (LT). Διεξήχθησαν δοκιμές κόπωσης για μέγιστη εφαρμοζόμενη τάση 138 MPa (LT), 180 MPa (L+LT) και 220 MPa (LT) ενώ εκτέθηκαν σε διαβρωτικό περιβάλλον για 6 ή 24ώρες. Η εμφάνιση των ρωγμών έγινε εμφανής από την αρχή των πειραμάτων ακόμα και σε άσκηση πολύ μικρών δυνάμεων ενώ οι ρωγμές εμφανίστηκαν αμέσως μετά την άσκηση του φορτίου κόπωσης και ήταν αρκετά μεγάλες σε μέγεθος, κάτι που υποδήλωσε την ανάπτυξη ακόμα μεγαλύτερων ρωγμών στην συνέχεια. Για τα πρώιμα στάδια το 40% από τις ρωγμές παρουσιάστηκε κοντά στο βάθος της αντίστοιχης οπής ενώ το 60% εμφανίστηκε από την άλλη πλευρά, με ποσοστό 38% στην επιφάνεια του δοκιμίου. Αυτό έκανε ξεκάθαρο ότι σε αυτή την κατάσταση η ρωγμή ξεκίνησε από το εσωτερικό του δοκιμίου. Δείγματα κόπωσης βρέθηκαν σε όλα τα δείγματα, συμπεριλαμβανομένων Σελίδα 26

27 και αυτών που δοκιμάστηκαν μόνο για το 10% της συνολικής διάρκειας ζωής τους και εμφάνισαν δείγματα έως ότου καταναλώσουν το 25% της συνολικής διάρκειας ζωής τους. Οι E.J. Dolley et. al [34], πραγματοποίησαν δοκιμές κόπωσης σε προ-διαβρωμένα και μη δοκίμια 2024-Τ3 με πάχος 1,6 mm, πλάτους 25,4 mm και μήκος 1,78 mm με κατευθύνσεις T-L. Τα δοκίμια εμβαπτίστηκαν σε διάλυμα για 48 έως 384 ώρες και ασκήθηκαν τάσεις έως 288 MPa. Τα προ-διαβρωμένα δοκίμια άντεξαν πολύ λιγότερο σε σχέση με τα μη διαβρωμένα δοκίμια μετά από 384 ώρες διάβρωσης και φάνηκε πως η δημιουργία των οπών σε βάθος μm ευθύνεται για αυτό όπως και ο χρόνος διάβρωσης τους. Οι μεγαλύτεροι χρόνοι έκθεσης οδήγησαν σε βαθύτερη εμφάνιση των οπών και η διάρκεια ζωής μειώθηκε σημαντικά σε σύγκριση με τα μη διαβρωμένα δοκίμια. Η ανάλυση των επιφανειών θραύσης αποκάλυψε ότι όλες οι ρωγμές κόπωσης ξεκίνησαν από τις οπές διάβρωσης στην επιφάνεια. Η αντοχή στην κόπωση εκτιμήθηκε χρησιμοποιώντας ένα μηχανισμό θραύσης που ήταν σε καλή συμφωνία με την πραγματική αντοχή του υλικού. Έτσι αποδείχθηκε ότι η συνολική αντοχή στην κόπωση θα μπορούσε να εκτιμηθεί αν το αρχικό μέγεθος της ρωγμής, οι τοπικές τιμές του τασικού πεδίου και η διάδοση της ρωγμής ήταν γνωστές. Οι S. Mahmoud και K. Lease [35], μελέτησαν την επίδραση του πάχους ενός δοκιμίου για το πειραματικό χαρακτηρισμό της κρίσιμης γωνίας του ανοίγματος (crack-tip-opening angle-ctoa) σε κράμα αλουμινίου 2024-T351. Η επιλογή του κράματος αλουμινίου 2024-T351 για τη μελέτη αυτή έγινε με σκοπό να καταστεί δυνατή η άμεση σύγκριση με λεπτά δοκίμια 1, 1,6, 2,3 mm πάχος. Τα δοκίμια είχαν πάχος 2,30, 6,35, 12,70 και 25,40 mm. Αποδείχθηκε πως το άνοιγμα της ρωγμής σχετίζεται με την ανάπτυξη σταθερής ρωγμής σε λεπτά δοκίμια αλλά σε δοκίμια με μεγαλύτερο πάχος φάνηκε πως το CTOA μειώθηκε όσο το πάχος του δοκιμίου αυξανόταν. Όσο το πείραμα εξελισσόταν διαπιστώθηκε πως το CTOA πλησίαζε στην κατώτερη τιμή του. Οι A. May et. al [36] επικεντρώθηκαν στην μελέτη της κόπωσης και ασχολήθηκαν με τις μηχανικές ιδιότητες του κράματος αλουμινίου 2024-Τ3 που χρησιμοποιείται ευρέως στη βιομηχανία αεροσκαφών. Τα δοκίμια είχαν πάχος 0,3 mm και κόπηκαν με φορά έλασης (LT). Διεξάχθηκε μία πειραματική έρευνα στην εξέλιξη των ιδιοτήτων του κράματος, όπως το μέτρο ελαστικότητας, την απόδοση εφελκυστικής δύναμης, την επιμήκυνση, την σκληρότητα, την ηλεκτρική ειδική αντίσταση και την μικροδομή με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM). Όλα αυτά εξετάστηκαν σε σύγκριση με δοκίμια που βρίσκονταν σε κατάσταση χωρίς να έχουν υποστεί βλάβη. Αποδείχθηκε πως ορισμένοι παράμετροι δεν παρουσίασαν μεγάλες διακυμάνσεις, ενώ η μεταβολή της σκληρότητας ήταν αρκετά αξιοσημείωτη. Επίσης και οι παρατηρήσεις SEM απέδειξαν πως και η ηλεκτρική αντίσταση αυξάνεται όσο αυξάνεται ο ρυθμός κόπωσης κάτι που αποδόθηκε στην δημιουργία των μικρο-ρωγμών. Παρατηρήθηκε ότι το δοκίμιο κατά την διάρκεια της αύξησης της κόπωσης άρχισε να σκληραίνει στην επιφάνεια του. Σελίδα 27

28 Οι. Kamoutsi et. al [37], πρόσφατα (2014) μελέτησαν με φασματοσκοπική ανάλυση το φαινόμενο της παγίδευσης του υδρογόνου στο κράμα αλουμινίου 2024-Τ351. Το υλικό που χρησιμοποιήθηκε είχε πάχος 3 mm, με διαστάσεις (3 х 3 х 25 mm). Πραγματοποιήθηκαν, σε επιφάνεια δείγματος 318 mm 2, δοκιμές διάβρωσης σε διάλυμα αποφλοίωσης EXCO, για 6 και 12 ώρες. Τα διαβρωμένα δοκίμια στην συνέχεια τοποθετήθηκαν σε κλίβανο για να αξιολογηθεί η παγίδευση του υδρογόνου σε σχέση με τη θερμοκρασία εξέτασης. Τέσσερις καταστάσεις παγίδευσης επιλέχθηκαν, η Τ 1 κατάσταση αναστρέψιμης παγίδευσης και καταστάσεις παγίδευσης Τ 2, Τ 3 και Τ 4 που είναι μη αναστρέψιμες σε θερμοκρασίες 200 C, 410 C και 500 C αντίστοιχα. Αρχικά τα δοκίμια εκτέθηκαν σε θερμοκρασία 490 C και έπειτα ακολούθησαν οι εμβαπτίσεις στο διάλυμα ή αφέθηκαν σε φυσική γήρανση για 3 μέρες και μετά ακολούθησαν οι εμβαπτίσεις. Στην συνέχεια ακολούθησε πλαστική παραμόρφωση με δοκιμές εφελκυσμού σε επίπεδα κόπωσης και διάβρωση EXCO για 24 ώρες. Τα αποτελέσματα των δοκιμών έδειξαν ότι η υψηλή θερμοκρασία των 500 C, δηλαδή σε κατάσταση παγίδευσης υδρογόνου Τ 4, συνδέεται με την δημιουργία της S- φάσης. Σε περίπτωση απουσίας της S-φάσης, το υδρογόνο παγιδεύεται σε κενές θέσεις, οι οποίες σχηματίστηκαν κατά την διαδικασία διάβρωσης. Οι κενές θέσεις ελευθερώνουν υδρογόνο σε υψηλότερες θερμοκρασίες από ότι η S-φάση. Η πλαστική παραμόρφωση πριν από την διάβρωση αποκάλυψε ότι στην κατάσταση παγίδευσης Τ 3 (400 C) εμφανίστηκαν διαταράξεις (dislocations) στις οποίες το υδρογόνο παγιδεύτηκε. Τέλος, ο M.N. Ilman [38] ασχολήθηκε με το κράμα αλουμινίου 2024-Τ3 και εστίασε στην υποβοηθούμενη εξάπλωσης της ρωγμής κόπωσης όταν το υλικό εκτίθεται σε ατμούς ύδατος και διάλυμα που περιέχει αναστολέα διάβρωσης. Χρησιμοποιήθηκαν δοκίμια με κατεύθυνση (LT) τα οποία κατασκευάστηκαν με κεντρική οπή. Η φύση του αναστολέα μελετήθηκε χρησιμοποιώντας ηλεκτροχημική μέθοδο πόλωσης σε συνδυασμό με οπτική μικροσκοπία (SEM). Μετά το πέρας των πειραμάτων φάνηκε πως η προσθήκη αναστολέων διάβρωσης, μείωσε την ταχύτητα διάβρωσης και την ανάπτυξη της ρωγμής κόπωσης και αντίθετα ενέτεινε την παθητικότητα του υλικού, δηλαδή την καλή αντοχή στη διάβρωση που διαθέτει το υλικό λόγω του σχηματισμού προστατευτικού στρώματος στην επιφάνεια του. Ο μηχανισμός υποβοηθούμενης εξάπλωσης της ρωγμής της αναστολής για το 2024-Τ3 χαρακτηρίστηκε ως μία πολύπλοκη συμμετοχή στις αλληλεπιδράσεις των μηχανικών και χημικών ιδιοτήτων και της μικροδομής του κράματος αλουμινίου Τα χρωμικά ιόντα φάνηκε να εμποδίζουν αποτελεσματικά την ανάπτυξη της ρωγμής του κράματος λόγω της διάχυσης του υδρογόνου στο άκρο της ρωγμής μειώνοντας έτσι την ψαθυρότητα λόγω διάχυσης υδρογόνου. Σελίδα 28

29 1.7 ΑΝΑΓΚΑΙΟΤΗΤΑ ΠΑΡΟΥΣΑΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Σύμφωνα με την παραπάνω βιβλιογραφική ανασκόπηση, η έρευνα για το κράμα αλουμινίου 2024 έχει επικεντρωθεί στην επίδραση της τεχνητής γήρανσης και της διάβρωσης στις εφελκυστικές μηχανικές ιδιότητες του κράματος και σε μικρότερο βαθμό στην μελέτη της επιρροή τους στην δυσθραυστότητα του υλικού. Οι περιορισμένες ερευνητικές εργασίες που ευρέθησαν για την δυσθραυστότητα μελετούν κυρίως την επίδραση της διάβρωσης του κράματος που οδηγεί σε ψαθυροποίηση μη τεχνητά γηρασμένων δοκιμίων. Στο πλαίσιο της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας θα επιχειρηθεί η μελέτη της επίδρασης της (α) θερμικής κατεργασίας τεχνητής γήρανσης για διαφορετικούς χρόνους και της (β) διάβρωσης σε γηρασμένα δοκίμια στην δυσθραυστότητα του κράματος αλουμινίου 2024-Τ3. Επιπρόσθετα θα πραγματοποιηθεί συσχέτιση των εφελκυστικών μηχανικών ιδιοτήτων και της δυσθραυστότητας του υλικού για διάφορες θερμικές κατεργασίες του κράματος. Σελίδα 29

30 2 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ Σκοπός της συγκεκριμένης ενότητας είναι να παρουσιαστεί η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε για τις πειραματικές δοκιμές και να παρουσιαστούν οι πειραματικές σειρές που διεξήχθησαν για τον προσδιορισμό της επίδρασης της τεχνητής γήρανσης και της διάβρωσης στην δυσθραυστότητα του αεροναυπηγικού κράματος αλουμινίου 2024-Τ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗΣ Η μεθοδολογία προσέγγισης περιλαμβάνει αρχικά μηχανουργική κοπή δοκιμίων δυσθραυστότητας από ελάσματα αλουμινίου 2024-Τ3. Όλα τα δοκίμια, πλην των δοκιμίων αναφοράς, τοποθετήθηκαν σε φούρνο θερμικών κατεργασιών σε τρεις διαφορετικές θερμοκρασίες και για διαφορετικά χρονικά διαστήματα. Στη συνέχεια, τα δοκίμια χωρίστηκαν σε αυτά που θα υποβάλλονταν σε διαβρωτικό περιβάλλον, και σε αυτά που δεν θα υποβάλλονταν σε διάβρωση. Στα δοκίμια που προορίζονταν για διάβρωση χρησιμοποιήθηκε μονωτικό υλικό ώστε να προστατευτεί μεγάλο μέρος των δοκιμίων και η διάβρωση να είναι ορατή μόνο κοντά στο σημείο της ρωγμής. Ακολούθως, όλα τα δοκίμια υπεβλήθηκαν σε μηχανικές δοκιμές δυσθραυστότητας σύμφωνα με τη προδιαγραφή ASTM Ε561 [39]. Τα αποτελέσματα των παραπάνω μηχανικών δοκιμών αποτιμήθηκαν και καταγράφηκε η μεταβολή τους σε συνάρτηση με το χρόνο έκθεσης στο διαβρωτικό περιβάλλον, αν είχαν υποβληθεί, και την θερμική κατεργασία. Τα πειράματα διεξήχθησαν στο Εργαστήριο Αντοχής και Υλικών, του Τομέα Μηχανικής της Σχολής Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου και περιορισμένος αριθμός δοκιμών πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Μηχανικής και Αντοχής Υλικών, του Τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας. Σχήμα 16:Λογικό διάγραμμα ροής της παρούσας Διπλωματικής εργασίας. Σελίδα 30

31 2.2 ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΔΟΚΙΜΙΩΝ Τα ελάσματα αλουμινίου από κράμα 2024 που χρησιμοποιήθηκαν στο πλαίσιο αυτής της Διπλωματικής Εργασίας χορηγήθηκαν από την Ελληνική Αεροπορική Βιομηχανία. Στην συνέχεια κόπηκαν τα δοκίμια δυσθραυστότητας σε μηχανή υδροκοπής (water jet) και σύμφωνα με την προδιαγραφή ASTM Ε561 [39]. Το σκαρίφημα των δοκιμίων παρουσιάζεται στο Σχήμα 17. Σχήμα 17:Γεωμετρία δοκιμίου δυσθραυστότητας σύμφωνα με την προδιαγραφή ASTM E561. Τα δοκίμια κόπηκαν από ελάσματα που είχαν γεωμετρικές διαστάσεις 35 x 50 cm και ονομαστικό πάχος 3,2 mm με φορά έλασης (L). Συνολικά κόπηκαν 81 δοκίμια δυσθραυστότητας από τα διαθέσιμα ελάσματα. Πραγματοποιήθηκαν θερμικές κατεργασίες σε διαφορετικές θερμοκρασίες και για διαφορετικούς χρόνους και τα μισά από αυτά στη συνέχεια διαβρώθηκαν πριν τις μηχανικές δοκιμές δυσθραυστότητας. 2.3 ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ Για την διεξαγωγή των θερμικών κατεργασιών χρησιμοποιήθηκε φούρνος ELVEM μέγιστης απόδοσης 2600 Watt. Στο φούρνο τοποθετήθηκαν συνολικά 65 δοκίμια, πλην των δοκιμίων αναφοράς, σε θερμοκρασίες τεχνητής γήρανσης 170 C, 190 C και 210 C. Στους 170 C τοποθετήθηκαν δοκίμια σε 4 διαφορετικά χρονικά διαστήματα, αναφορικά στις 9, 15, 48 και 96 ώρες. Στους 190 C για 2, 6, 9, 24 και 63 ώρες ενώ για τους 210 C τοποθετήθηκαν δοκίμια για 1, 2, 4, 9 και 63ώρες, Πίνακας 4. Τα δοκίμια διαλυτοποίησης τοποθετήθηκαν στο φούρνο στους 495 ο C για μισή ώρα και στη συνέχεια ακολούθησε η τεχνητή γήρανση στους 170 C για 15, 48 και 96 ώρες για να συγκριθούν με τα αντίστοιχα δοκίμια παραπάνω. Η διαδικασία διαλυτοποίησης στους 495 ο C πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Μηχανικής και Αντοχής Υλικών, του Τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας. Σελίδα 31

32 Πίνακας 4:Χρονικά διαστήματα τεχνητής γήρανσης των δοκιμίων για τρείς διαφορετικές θερμοκρασίες. Θερμοκρασία Χρονικό διάστημα παραμονής των δοκιμίων για τεχνητή γήρανση (2024-Τ3) τεχνητής γήρανσης Σύνολο 170 o C o C o C ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΔΙΑΒΡΩΣΗΣ ΑΠΟΦΛΟΙΩΣΗΣ (EXCO) Πριν την μηχανική δοκιμή ορισμένων δοκιμίων πραγματοποιήθηκε επιταχυνόμενη έκθεση τους σε περιβάλλον διάβρωσης, ώστε να επιτευχθεί σε σύντομο χρόνο η προσομοίωση των φυσικών συνθηκών διάβρωσης στα «γηράσκοντα» αεροσκάφη. Στην συγκεκριμένη Διπλωματική Εργασία επιλέχθηκε η διάβρωση με αποφλοίωση (exfoliation corrosion - EXCO) καθώς προσομοιώνει ικανοποιητικά στο εργαστήριο τη φυσική διάβρωση στα αεροπορικά κράματα αλουμινίου, όσον αφορά τα χαρακτηριστικά της βλάβης διάβρωσης σε πραγματικές αεροπορικές κατασκευές. Η διάβρωση EXCO πραγματοποιήθηκε σύμφωνα με την προδιαγραφή ASTM G34 [40] και συγκεκριμένα 36 δοκίμια τέθηκαν σε διαβρωτικό περιβάλλον πριν τις μηχανικές δοκιμές, Πίνακας 5. Πίνακας 5:Χρονικά διαστήματα τεχνητής γήρανσης των διαβρωμένων δοκιμίων για τρείς διαφορετικές θερμοκρασίες. Θερμοκρασία τεχνητής γήρανσης Χρονικό διάστημα παραμονής των διαβρωμένων (EXCO) δοκιμίων για τεχνητή γήρανση (2024-Τ3) Σύνολο 170 o C o C o C Σύμφωνα με την προδιαγραφή αυτή, το δοκίμιο εμβαπτίζεται σε διαβρωτικό διάλυμα που περιέχει τις χημικές ενώσεις χλωριούχο νάτριο (NaCl), νιτρικό κάλλιο (KNO3) και νιτρικό οξύ (HNO3), αραιωμένες σε 1 λίτρο απιονισμένο νερό στις ακόλουθες αναλογίες: 234gr NaCl, 50 gr KNO3 και 6,3mL HNO3 (70% κ.β.) με προϋπόθεση η θερμοκρασία του διαλύματος να είναι σε θερμοκρασία δωματίου. Η βλάβη λόγω διάβρωσης και η ψαθυροποίηση λόγω υδρογόνου στο κράμα 2024-Τ3 είναι έκδηλη στις μεγάλες επιφάνειες διάβρωσης των δοκιμίων του υλικού και σε πολύ μικρό ποσοστό στις παράπλευρες επιφάνειες του, δηλαδή κατά το πάχος του δοκιμίου. Για το λόγο αυτό, τα δοκίμια επικαλύφθηκαν με μονωτική ταινία (masking) στις παράπλευρες επιφάνειες τους, αλλά και για να περιοριστεί η επιφάνεια διάβρωσης κοντά στο σημείο της ρωγμής, αφού πρώτα καθαρίστηκαν με υγρό που είχε ως βάση την ακετόνη, Σχήμα 18. Σελίδα 32

33 α) (β) Σχήμα 18:Κάλυψη τριών δοκιμίων δυσθραυστότητας με μονωτική ταινία (α) πριν τη διάβρωση και (β) μετά τη διάβρωση. Στην εργασία αυτή χρησιμοποιήθηκε αναλογία όγκου διαλύματος προς επιφάνεια δοκιμίου 20 ml/cm 2. Η συνολική περιοχή προς διάβρωση για κάθε δοκιμίου ήταν 11,944 cm 2. Επομένως και σύμφωνα με την προδιαγραφή ASTM G34 [40] οι αναλογίες των χημικών ενώσεων για 5 δοκίμια ήταν σε 1,2 lt απιονισμένο νερό διαλύθηκαν: 280,8 gr NaCl 60 gr KNO3 7,56 ml HNO3. Τα δοκίμια διαβρώθηκαν για δύο ώρες. Ο χρόνος διάβρωσης επιλέχθηκε βάση της οπτικής μικροσκοπίας, η οποία έδειξε πως δεν υπάρχει σημαντική δημιουργία επιφανειακών τριμμάτων (pits) ενώ ταυτόχρονα παρατηρείται σημαντική υποβάθμιση των μηχανικών ιδιοτήτων του κράματος. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 19, οι δύο ώρες σε διαβρωτικό περιβάλλον δεν υποβάθμισαν σε μεγάλο βαθμό την ολκιμότητα και την αντοχή του κράματος. Ως εκ τούτου αποδεικνύεται πως οποιαδήποτε μείωση της ολκιμότητας έπειτα από δύο ώρες στο διαβρωτικό περιβάλλον αποδίδεται στην ψαθυροποίηση του υδρογόνου, καθώς δεν εμφανίστηκε επιρροή των τριμμάτων (pits) της διάβρωσης [41]. Με το πέρας του χρονικού διαστήματος στο διάλυμα, ακολουθούσε ξέπλυμα με νερό και προσεκτική απομάκρυνση της μονωτικής ταινίας. Στην συνέχεια ακολούθησαν οι μηχανικές δοκιμές δυσθραυστότητας. Σελίδα 33

34 Πανεπιστήμιο Αιγαίου-Τμήμα Μηχανικών Οικονομίας και Διοίκησης Ονομαστική αξονική τάση σ [MPa] 500 αναφοράς 2 ώρες 1 ώρα 4 ώρες ώρες 8 ώρες 12 ώρες ώρες ,00 Κράμα αλουμινίου 2024-Τ3 t = 3.2 mm, διεύθυνση L Έκθεση σε διάλυμα EXCO 0,05 0,10 αναφοράς 0,5 ώρες 1 ώρα 2 ώρες 4 ώρες 8 ώρες 12 ώρες 24 ώρες 0,15 0,20 Ονομαστική αξονική παραμόρφωση ε [-] Σχήμα 19:Καμπύλη εφελκυσμού διαβρωμένων δοκιμίων για διαφορετικούς χρόνους στο διάλυμα αποφλοίωσης [41]. 2.5 ΔΙΕΞΑΓΩΓΗ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΔΟΚΙΜΩΝ Κατά την παρούσα διαδικασία τα δοκίμια δυσθραυστότητας, µε πλευρική εγκοπή όπως φαίνεται στο Σχήμα 20 τοποθετήθηκαν σε μηχανή για την διεξαγωγή των μηχανικών δοκιμών δυσθραυστότητας. Οι δοκιμές δυσθραυστότητας πραγματοποιήθηκαν στην μηχανή Instron 8801 μέγιστου στατικού φορτίου 100 kn. Για την πραγματοποίηση των δοκιμών χρησιμοποιήθηκε κατάλληλο επιμηκυνσιόμετρο για τη μέτρηση της μετατόπισης των χειλέων της πλευρικής εγκοπής (Crack Opening Displacementt, CΜOD). Επιπρόσθετα κατασκευάστηκε σχετική συσκευή αντιλυγισμού (anti-buckling device) για την σωστή διεξαγωγή και εγκυρότητα των αποτελεσμάτων. Σχήμα 20:Διάταξη της πειραματικής δοκιμής δυσθραυστότητας με προσαρμοσμένο το επιμηκυνσιόμετρο καταγραφής του ανοίγματος των χειλέων της πλευρικής εγκοπής. Σελίδα 34

35 H διεξαγωγή της δοκιμής πραγματοποιήθηκε σύμφωνα προδιαγραφή ASTM E561 και ακολουθήθηκαν τα παρακάτω δυο στάδια: 1. Στάδιο προ-ρηγμάτωσης Αρχικά ευθυγραμμίζονται οι αρπάγες της μηχανής ώστε το δοκίμιο να μην υποστεί στρέψη. Το δοκίμιο συνδεδεμένο με την σχετική συσκευή αντιλυγισμού τοποθετείται στις αρπάγες και στην συνέχεια ευθυγραμμίζεται και αυτό, έτσι ώστε η δύναμη να εφαρμόζεται αξονικά και να μην υφίστανται το δοκίμιο κάμψη. Στη συνέχεια το κάθε δοκίμιο υποβλήθηκε σε κόπωση σταθερού εύρους τάσης από 0,1 kn έως 1,8 kn. Αυτό το στάδιο διεξήχθη µε έλεγχο του φορτίου και το επιβαλλόμενο φορτίο κόπωσης ήταν πάντα εφελκυστικό (λόγος τάσεων R = 0,1). Η επαναλαμβανόμενη καταπόνηση του δοκιμίου (κόπωση) είχε ως σκοπό την δημιουργία μιας φυσικής ρωγμής κόπωσης στην άκρη της τεχνητής εγκοπής του δοκιμίου. Το μήκος αυτής της φυσικής ρωγμής λόγω κόπωσης δεν πρέπει να είναι μικρότερο από 1,3 mm και να μην ξεπερνά τα 2 mm σύμφωνα µε την προδιαγραφή. Μόλις αυτή η φυσική ρωγμή φτάσει στο επιθυμητό μήκος τότε το στάδιο της προ-ρηγμάτωσης με κόπωση σταματά. Η επιβολή μεγάλων φορτίων κόπωσης δεν είναι αποδεκτή, καθώς δημιουργεί μεγάλες πλαστικές παραμορφώσεις στην άκρη της ρωγμής µε αποτέλεσμα την µη εγκυρότητα της πειραματικής δοκιμής. Για να υπολογιστεί το μήκος της ρωγμής λόγω κόπωσης, χρησιμοποιήθηκε κατάλληλη οπτική διάταξη (μικροσκόπιο) κατά την διάρκεια αυτού του σταδίου της δοκιμής. Κατά τα πειράματα που διεξήχθησαν στο Εργαστήριο Μηχανικής και Αντοχής Υλικών, στο Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας η μέτρηση της ρωγμής πραγματοποιήθηκε με τη χρήση replica (αποτύπωση της ρωγμής), Σχήμα 21. Το σημείο της ρωγμής στη συνέχεια φωτογραφήθηκε και ακολούθησε ανάλυση με τη χρήση του προγράμματος AUTOCAD για να αποτιμηθεί το πραγματικό μήκος της ρωγμής. Αν αυτό συνέπιπτε με το προσδοκώμενο όριο (μεταξύ 1,3 mm και 2,00 mm) τότε το στάδιο της προ-ρηγμάτωσης σταματούσε. Σελίδα 35

36 Σχήμα 21:Φωτογραφία από μικροσκόπιο της ρωγμής του διαβρωμένου δοκιμίου αναφοράς Νο62. Πραγματικό μήκος ρωγμής: 1,93mm. 2. Στάδιο ψευδο-στατικής φόρτισης Πριν ξεκινήσει το επόμενο στάδιο της δοκιμής της δυσθραυστότητας, στο δοκίμιο προσαρμόζεται το επιµηκυνσιόµετρο του ανοίγματος των χειλέων της ρωγμής (Crack Mouth Opening Displacement) (Σχήμα 22) καθώς και η συσκευή αντιλυγισμού. Το δοκίμιο τότε υποβάλλεται σε εφελκυσμό µε πολύ μικρό ρυθμό μετατόπισης 0,01 mm/min των αρπαγών της μηχανής και σύμφωνα µε την προδιαγραφή ASTM E561. Τότε είναι ορατή και η φυσική ρωγμή που πραγματοποιήθηκε κατά το στάδιο της προ-ρηγμάτωσης όπως φαίνεται στο Σχήμα 23. Σχήμα 22: Δείγμα δοκιμίου που δείχνει τον ορισμό του ανοίγματος της ρωγμής-μετατόπισης (Crack mouth opening displacement-cμοd) και το Crack-tip opening displacement (CTOD). CTOD είναι η διάμετρος του κυκλικού τόξου στο άκρο της ρωγμής το οποίο δεν πρέπει να συγχέεται με την πλαστική ζώνη. Σελίδα 36