ΑΡΙΣΟΣΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΘΜΙΟ ΘΕΑΛΟΝΙΚΘ ΣΜΘΜΑ ΜΘΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΘΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΘΡΙΟ ΜΕΣΑΛΛΟΓΝΩΙΑ ΠΕΙΡΑΜΑΣΙΚΘ ΜΕΛΕΣΘ ΣΘ ΔΙΑΒΡΩΘ ΚΟΠΩΘ Ε ΚΡΑΜΑ ΜΝΘΜΘ ΧΘΜΑΣΟ

Transcript

1 ΑΡΙΣΟΣΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΘΜΙΟ ΘΕΑΛΟΝΙΚΘ ΣΜΘΜΑ ΜΘΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΘΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΘΡΙΟ ΜΕΣΑΛΛΟΓΝΩΙΑ Διπλωματικι Εργαςία: ΠΕΙΡΑΜΑΣΙΚΘ ΜΕΛΕΣΘ ΣΘ ΔΙΑΒΡΩΘ ΚΟΠΩΘ Ε ΚΡΑΜΑ ΜΝΘΜΘ ΧΘΜΑΣΟ ΠΑΧΑΛΘ ΩΣΘΡΙΟ ΑΕΜ: 4892 Επιβλζπων: Αναπλ. Κακθγθτισ Ν. ΜΙΧΑΘΛΙΔΘ Θεςςαλονίκθ, Οκτϊβριοσ 2016

2 2

3 1. Πρόλογοσ Θ παροφςα διπλωματικι εργαςία ζχει ϊσ ςκοπό τθν μελζτθ τθσ ςυμπεριφοράσ δοκιμίων κράματοσ μνιμθσ ςχιματοσ ςε κόπωςθ ςτον αζρα και κόπωςθ υπό διαβρωτικό περιβάλλον ςε υδατικό διάλυμα χλωριοφχου νατρίου. Πλα τα δοκίμια χρθςιμοποιικθκαν όπωσ παραλείφκθκαν χωρίσ να υποςτοφν περαιτζρω κατεργαςίεσ. Ολοκλθρϊνοντασ τθν εργαςία αυτι, κα ικελα να απευκφνω τισ πιό κερμζσ μου ευχαριςτίεσ ςτον Αναπλθρωτι Κακθγθτι κ. Ν. Μιχαθλίδθ για τθν ανάκεςθ τθσ παροφςασ εργαςίασ και για τθν κακοδιγθςθ και τισ πολφτιμεσ ςυμβουλζσ, που παρείχε κακϋόλθ τθν διάρκεια τθσ εκπόνθςισ τθσ, χωρίσ τθν διαρκι βοικεια του οποίου θ εκπόνθςθ τθσ εργαςίασ αυτισ κα ιταν αδφνατθ. Θεςςαλονίκθ, Οκτϊβριοσ

4 2. Περίλθψθ Στθν παροφςα εργαςία μελετικθκε θ αντοχι 7 δοκιμίων (C-Rings) καταςκευαςμζνων από κράμα μνιμθσ ςχιματοσ (NiTi) ςε κόπωςθ ςτον αζρα και ςε κόπωςθ ςε διαβρωτικό περιβάλλον, ςε υδατικό διάλυμα 3,5% w/v NaCl. Σε τζςςερα δοκίμια μελετικθκε θ αντοχι τουσ ςε κόπωςθ ςτον αζρα, ενϊ ςτα υπόλοιπα τρία δοκίμια μελετικθκε θ αντοχι τουσ ςε κόπωςθ υπό διαβρωτικό περιβάλλον. Σε ζνα δοκίμιο επίςθσ, πραγματοποιικθκε εξζταςθ τθσ μικροδομισ του υλικοφ με οπτικό μικροςκόπιο. Ραρατθρικθκε διαφορετικόσ μθχανιςμόσ ρωγμάτωςθσ ανάμεςα ςτθν απλι κόπωςθ και ςτθν κόπωςθ με διάβρωςθ και ςθμαντικά γρθγορότερθ αςτοχία των δοκιμίων ςε διαβρωτικό περιβάλλον. Συγκεκριμζνα, το υδατικό διάλυμα χλωριοφχου νατρίου οδιγθςε ςε αςτοχία πολφ πιο γριγορα ςε ςχζςθ με τον αζρα. Το πειραματικό μζροσ τθσ εργαςίασ πραγματοποιικθκε ςτο Εργαςτιριο Μεταλλογνωςίασ του τμιματοσ Μθχανολόγων Μθχανικϊν του Αριςτοτελείου Ρανεπιςτθμίου Θεςςαλονίκθσ. 4

5 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. Πρόλογοσ Περίλθψθ Θεωρθτικό Τπόβακρο Μαρτενςιτικόσ μεταςχθματιςμόσ Κράματα μνιμθσ ςχιματοσ Φαινόμενο μνιμθσ ςχιματοσ (Shape Memory Effect SME) Κόπωςθ Διάβρωςθ Κόπωςθ ςε διαβρωτικό περιβάλλον Μθχανιςμόσ τθσ κόπωςθσ με διάβρωςθ * Παράγοντεσ που επθρεάηουν τθν κόπωςθ με διάβρωςθ Δοκίμια τφπου C-Ring κοπόσ τθσ εργαςίασ Εξοπλιςμόσ Μθχανι δοκιμϊν κόπωςθσ και κόπωςθσ διάβρωςθσ Θλεκτρονικόσ εξοπλιςμόσ Ηυγαριά ακριβείασ Οπτικό ςτερεοςκόπιο Eξοπλιςμόσ προετοιμαςίασ δοκιμίου για μελζτθ ςτο οπτικό μικροςκόπιο Οπτικό μικροςκόπιο Αντιδραςτιρια Μζτρα προςταςίασ Πειραματικι διαδικαςία υνκικεσ πειράματοσ Μορφι και επεξεργαςία δοκιμίων Πραγματοποίθςθ δοκιμϊν κόπωςθσ και κόπωςθσ διάβρωςθσ Αποτελζςματα Πειραματικά αποτελζςματα Αποτελζςματα μικροςκοπικισ εξζταςθσ Ανάλυςθ αποτελεςμάτων υμπεράςματα Βιβλιογραφία

6 3. Θεωρθτικό Τπόβακρο 3.1 Μαρτενςιτικόσ μεταςχθματιςμόσ Ο μαρτενςιτικόσ μεταςχθματιςμόσ παρατθρικθκε για πρϊτθ φορά ςτουσ χάλυβεσ και αναφερόταν ςτο μεταςχθματιςμό του κυβικοφ εδροκεντρωμζνου πλζγματοσ (FCC) του ωςτενίτθ ςε κυβικό χωροκεντρωμζνο (BCC) ι τετραγωνικό χωροκεντρωμζνο πλζγμα (BCT), που ονομάςτθκε μαρτενςίτθσ και ςυμβαίνει όταν ο χάλυβασ ψυχκεί απότομα (βαφι). Αυτόσ ο τφποσ μεταςχθματιςμοφ, που πιρε το όνομά του από τον Γερμανό μεταλλουργό Adolf Martens, ζχει παρατθρθκεί ςε πολλά μεταλλικά κράματα και ςιμερα ο όροσ δεν χρθςιμοποιείται μόνο ςτουσ χάλυβεσ αλλά χαρακτθρίηει το είδοσ του μεταςχθματιςμοφ. Το ιδιαίτερο χαρακτθριςτικό του μαρτενςιτικοφ μεταςχθματιςμοφ είναι ότι λαμβάνει χϊρα χωρίσ διάχυςθ αλλά με μικρζσ ςυντονιςμζνεσ ατομικζσ κινιςεισ *2+. Θ κρυςταλλογραφικι ςχζςθ μεταξφ του μθτρικοφ (ωςτενίτθσ ι κερμι φάςθ) και του μαρτενςιτικοφ πλζγματοσ (ψυχρι φάςθ), οφείλεται ςτθ ςυντονιςμζνθ ατομικι μετατόπιςθ, που ςυμβαίνει κατά το μεταςχθματιςμό. Κατά τθ διάρκεια του μεταςχθματιςμοφ, τα άτομα κάκε κρυςτάλλου δεν μετατοπίηονται ανεξάρτθτα αλλά υφίςτανται διατμθτικζσ παραμορφϊςεισ ωσ ςφνολο και ο ςυντονιςμόσ τθσ ατομικισ μετατόπιςθσ διατθρείται μζχρι το μθτρικό πλζγμα να μεταςχθματιςτεί ςε μαρτενςίτθ [2]. Θ μαρτενςιτικι φάςθ είναι ςυνδεδεμζνθ με το μθτρικό πλζγμα και αναπτφςςεται ζτςι ϊςτε να προκαλζςει τθ μικρότερθ δυνατι παραμόρφωςθ. Θ νζα κρυςταλλικι δομι, δθλαδι θ μαρτενςιτικι φάςθ, κα ζχει διαφορετικι μοναδιαία κυψελίδα και κα καταλαμβάνει διαφορετικό όγκο από τθν αντίςτοιχθ του μθτρικοφ υλικοφ. Θ αλλαγι του ςχιματοσ τθσ νζασ φάςθσ γίνεται με διευκζτθςθ μζςω ολίςκθςθσ (slip) ι με ανάπτυξθ διδυμιϊν (twinning). Θ διευκζτθςθ με ολίςκθςθ είναι μια μθ αντιςτρεπτι διαδικαςία, αφοφ οι δεςμοί μεταξφ γειτονικϊν ατόμων ςπάνε και δθμιουργοφνται νζοι δεςμοί. Θ διευκζτθςθ με διδυμίεσ (Εικόνα 3.1) είναι διαδικαςία πλιρωσ αντιςτρεπτι και θ τελικι μαρτενςιτικι δομι ζχει ξεχωριςτζσ περιοχζσ μαρτενςιτικι φάςθσ αλλά το ςυνολικό ςχιμα είναι παρόμοιο με αυτό τθσ μθτρικισ φάςθσ. Τα όρια των διδυμιϊν ζχουν πολφ χαμθλι ενζργεια και είναι πολφ ευκίνθτα. Με εφαρμογι μθχανικισ τάςθσ ςτθ δομι, τα όρια των διδυμιϊν κινοφνται εφκολα για να ςχθματίςουν ζνα νζο ςχιμα ϊςτε να προςαρμοςτοφν ςτθν εφαρμοηόμενθ τάςθ [3]. Τα κυριότερα κράματα και μζταλλα που υφίςτανται μαρτενςιτικό μεταςχθματιςμό είναι [4]: Οι χάλυβεσ (κοινοί και κραματωμζνοι) Τα κράματα ςιδιρου (Fe-Ni, Fe-Mn, Fe-Ni-C) Tα κράματα χαλκοφ (Cu-Zn, Cu-Al) Τα αλλοτροπικά μζταλλα (Co,Ti, Zr, Li) Τα κράματα τιτανίου 6

7 Εικόνα 3.1 : Διδυμίεσ που ςχθματίηονται κατά τον μαρτενςιτικό μεταςχθματιςμό *6+. Ο μαρτενςιτικόσ μεταςχθματιςμόσ εκδθλϊνεται όταν γίνει ψφξθ από μια κερμοκραςία και κάτω. Θ κερμοκραςία αυτι ονομάηεται κερμοκραςία ζναρξθσ του μαρτενςιτικοφ μεταςχθματιςμοφ και ςυμβολίηεται με Τ Ms ι Μ s, ενϊ θ κερμοκραςία ςτθν οποία ολοκλθρϊνεται ο μαρτενςιτικόσ μεταςχθματιςμόσ ςυμβολίηεται με Τ Mf ι Μ f. Ρροκειμζνου να γίνει ο μεταςχθματιςμόσ πρζπει θ χθμικι ελεφκερθ ενζργεια τθσ μαρτενςιτικισ φάςθσ να είναι μικρότερθ από τθν αντίςτοιχθ τθσ μθτρικισ φάςθσ, δθλαδι ο μαρτενςίτθσ να είναι κερμοδυναμικά πιο ςτακερόσ. Ωςτόςο, για να ξεκινιςει ο μεταςχθματιςμόσ χρειάηεται μια περίςςεια μθ χθμικισ ενζργειασ, όπωσ είναι θ διεπιφανειακι ενζργεια και θ ενζργεια παραμόρφωςθσ του μεταςχθματιςμοφ *3+. Το υλικό επομζνωσ, για να αρχίςει ο μεταςχθματιςμόσ πρζπει να ψυχκεί ςε κερμοκραςία Τ Ms χαμθλότερθ από τθ κερμοκραςία ιςορροπίασ Τ 0, ςτθν οποία οι δφο φάςεισ είναι κερμοδυναμικά ιςοδφναμεσ (Εικόνα 3.2). Θ διαφορά Τ 0 - Τ Ms ονομάηεται βακμόσ υπζρψυξθσ και εξαρτάται από τθν ελαςτικι ενζργεια παραμόρφωςθσ, τθ διεπιφανειακι ενζργεια και τθν πλαςτικι ενζργεια παραμόρφωςθσ [2]. Οςο μεγαλφτερθ είναι θ διαφορά των κρυςταλλικϊν δομϊν τθσ μαρτενςιτικισ φάςθσ και τθσ μθτρικισ φάςθσ, τόςο μεγαλφτερα είναι τα παραπάνω μεγζκθ και επομζνωσ τόςο μεγαλφτερθ είναι και θ κινθτιρια δφναμθ που απαιτείται για το μεταςχθματιςμό. Εικόνα 3.2: Εξάρτθςθ χθμικισ ενζργειασ τθσ μθτρικισ και μαρτενςιτικισ φάςθσ από τθ κερμοκραςία. [2] 7

8 Ο βακμόσ υπζρψυξθσ ςτθν περίπτωςθ των χαλφβων για τον μαρτενςιτικό μεταςχθματιςμό μπορεί να είναι ακόμθ και 200 C, ενϊ για τα κράματα με μνιμθ ςχιματοσ, τα οποία κα αναφερκοφν εκτενϊσ ςτθ ςυνζχεια, είναι 5-30 C. Ραρόμοια ςυμβαίνει θ ίδια διαδικαςία και κατά τον αντίςτροφο μεταςχθματιςμό από τθ μαρτενςιτικι ςτθ μθτρικι φάςθ. Το υλικό προκειμζνου να αρχίςει ο μεταςχθματιςμόσ κα πρζπει να κερμανκεί ςε κερμοκραςία Τ Αs, που είναι θ κερμοκραςία όπου αρχίηει να ςχθματίηεται θ μθτρικι φάςθ από τθ μαρτενςιτικι κατά τθ κζρμανςθ. Σε αυτι τθ περίπτωςθ θ Τ Αs είναι μεγαλφτερθ από τθ κερμοκραςία ιςορροπίασ Τ Κράματα μνιμθσ ςχιματοσ Τα κράματα μνιμθσ ςχιματοσ (Shape Memory Alloys - SMA) ανικουν ςτθν κατθγορία των ζξυπνων υλικϊν και ζχουν δφο ιδιαίτερα χαρακτθριςτικά, το φαινόμενο μνιμθσ ςχιματοσ (Shape Memory Effect SME) και τθν υπερελαςτικότθτα. Το πρϊτο χαρακτθριςτικό προςδίδει ςτα μζταλλα τθν ικανότθτα να επιςτρζφουν ςτο αρχικό τουσ ςχιμα, μετά από κατάλλθλθ κερμικι κατεργαςία. Οριςμζνα παραδείγματα τζτοιων μεταλλικϊν υλικϊν είναι Ag-Cd, Au-Cd, Cu-Al-Ni, Cu-Sn, Cu-Zn-(X) και NiTi. Ειδικότερα τα κράματα Ni-Ti είναι αυτά που χρθςιμοποιοφνται περιςςότερο, κυρίωσ ςε ιατρικζσ και ςτρατιωτικζσ εφαρμογζσ, ενϊ επιχειρείται παράλλθλα θ χριςθ τουσ ωσ ςυςτατικϊν ςε ευφυι ςφνκετα υλικά. Τα χαρακτθριςτικά που κάνουν τα κράματα Ni-Ti να ξεχωρίηουν από τα υπόλοιπα κράματα μνιμθσ ςχιματοσ είναι θ μεγάλθ τουσ ολκιμότθτα, θ υψθλι αντίςταςθ ςτθ διάβρωςθ, οι ςτακερζσ κερμοκραςίεσ μεταςχθματιςμοφ, θ ικανότθτα ανάκτθςθσ παραμορφϊςεων μζχρι και 8% των αρχικϊν τουσ διαςτάςεων, θ υψθλι βιοςυμβατότθτά τουσ και θ ικανότθτα θλεκτρικισ ενεργοποίθςθσ. Στον παρακάτω Ρίνακα αναφζρονται οριςμζνεσ φυςικζσ ιδιότθτεσ των κραμάτων Ni-Ti. Ιδιότθτεσ Ωςτενίτθσ Μαρτενςίτθσ θμείο τιξθσ ( C) Πυκνότθτα (gr/cm 3 ) 6,45 6,45 Ειδικι θλεκτρικι αντίςταςθ (10-6 Ω cm) ~100 ~70 Θερμικι αγωγιμότθτα (W C /cm) 18 8,5 Μζτρο ελαςτικότθτασ (GPa) Σάςθ διαρροισ (MPa) Μζγιςτθ αντοχι ςε εφελκυςμό (MPa) Θερμοκραςίεσ μεταςχθματιςμοφ ( C) -200 εϊσ εϊσ 110 Μζγιςτθ παραμόρφωςθ μνιμθσ ςχιματοσ 8,5% 8,5% Πίνακασ 3.3: Φυςικζσ ιδιότθτεσ κραμάτων Ni-Ti. [9] 8

9 Πςον αφορά τισ μθχανικζσ ιδιότθτεσ των κραμάτων μνιμθσ ςχιματοσ, αυτζσ εξαρτϊνται από το αν βρίςκονται ςε ωςτενιτικι ι μαρτενςιτικι κατάςταςθ. Θ καμπφλθ τάςθσ - παραμόρφωςθσ για τισ δφο διαφορετικζσ καταςτάςεισ του υλικοφ, όταν ςε αυτό αςκείται μονοαξονικόσ εφελκυςμόσ, φαίνεται ςτθν Εικόνα 3.4. Στθν περιοχι από 0 εϊσ 1, για μικρζσ τάςεισ, οι περιοχζσ με διδυμίεσ ςυμπεριφζρονται ελαςτικά. Από 1 ζωσ 2 εμφανίηεται ζνα πλατϊ, ςτο οποίο λαμβάνει χϊρα θ αποδιδυμοποίθςθ. Σε μεγαλφτερεσ τάςεισ εμφανίηεται θ τρίτθ περιοχι, που είναι ςυνικωσ γραμμικι και αντιςτοιχεί ςτθν ελαςτικι παραμόρφωςθ του αποδιδυμοποιθμζνου μαρτενςίτθ. Θ μετάβαςθ ςτθν τζταρτθ περιοχι είναι αποτζλεςμα τθσ ζναρξθσ τθσ πλαςτικισ παραμόρφωςθσ, θ οποία δεν είναι αντιςτρζψιμθ από το φαινόμενο μνιμθσ ςχιματοσ, που κα αναλυκεί παρακάτω. Αξίηει να ςθμειωκεί ότι τα κράματα με μνιμθ ςχιματοσ είναι ανιςότροπα υλικά και επομζνωσ οι μθχανικζσ τουσ ιδιότθτεσ είναι άμεςα εξαρτθμζνεσ από τθν κρυςταλλογραφικι διεφκυνςθ ςτθν οποία μετρϊνται. Επιπλζον, ςθμαντικζσ διαφορζσ ςτθ μθχανικι ςυμπεριφορά παρατθροφνται ανάλογα με τον τφπο τθσ πραμόρφωςθσ, δθλαδι αν ζχουμε εφελκυςμό, κλίψθ ι ςτρζψθ.[5][9] Εικόνα 3.4 : Διάγραμμα τάςθσ-παραμόρφωςθσ ωςτενίτθ και μαρτενςίτθ. Πλα τα κράματα, που αναφζρκθκαν προθγουμζνωσ, εμφανίηουν εκτόσ από το φαινόμενο μνιμθσ ςχιματοσ και το φαινόμενο τθσ υπερελαςτικότθτασ ςε μια υψθλότερθ κερμοκραςία, ζχοντασ τθ δυνατότθτα να επιςτρζφουν ςτο αρχικό τουσ ςχιμα μετά από πλιρθ παραμόρφωςθ. Οι δφο αυτζσ χαρακτθριςτικζσ ιδιότθτεσ των παραπάνω κραμάτων οφείλονται ςτθν αλλαγι φάςθσ τθσ ςτερεάσ κατάςταςθσ, δθλαδι μιασ ανακατανομισ των μορίων που πραγματοποιείται ςτα κράματα μνιμθσ ςχιματοσ. Κατά τθν μοριακι ανακατανομι τα μόρια παραμζνουν ςτενά ςυνδεδεμζνα, οφτωσ ϊςτε το κράμα να παραμζνει ςτερεό. Στθν ουςία ςχετίηονται με τον ιδιαίτερο τρόπο μεταςχθματιςμοφ μεταξφ δυο διαφορετικϊν φάςεων, μαρτενςίτθ (φάςθ χαμθλισ κερμοκραςίασ) και ωςτενίτθ (φάςθ υψθλισ κερμοκραςίασ) *1+. Σφμφωνα με όςα αναφζρκθκαν ςτο προθγοφμενο κεφάλαιο (3.1), για να λάβει χϊρα ο μαρτενςιτικόσ μεταςχθματιςμόσ ςτα κράματα με μνιμθ ςχιματοσ, πρζπει 9

10 αυτά να ψυχκοφν κάτω από τθ κερμοκραςία Τ Mf, ζτςι ϊςτε να γίνει θ ανάπτυξθ των διδυμιϊν (twinning). Με αυτό το τρόπο δθμιουργοφνται ςτο υλικό περιοχζσ από διδυμίεσ, οι οποίεσ ζχουν διαφορετικό προςανατολιςμό. Με τθν εφαρμογι μθχανικισ τάςθσ, τα όρια των διδυμιϊν κινοφνται, με αποτζλεςμα αυτά να παραμορφϊνονται με ανάπτυξθ κάποιων περιοχϊν ςε βάροσ κάποιων άλλων. Ζτςι δθμιουργείται ςταδιακά μια περιοχι με διευκετθμζνα άτομα, διαδικαςία που είναι γνωςτι ωσ αποδιδυμοποίθςθ (detwinning) και οδθγεί ςτθν πλαςτικι παραμόρφωςθ του υλικοφ (Εικόνα 3.5). Πταν το υλικό κερμανκεί, λαμβάνει χϊρα ο αντίςτροφοσ μεταςχθματιςμόσ, όπου ο μαρτενςίτθσ μετατρζπεται ςε ωςτενίτθ και τα άτομα ανακαταλαμβάνουν τισ αρχικζσ τουσ κζςεισ ςτο πλζγμα, με αποτζλεςμα το υλικό να ανακτά τισ αρχικζσ του διαςτάςεισ. Εικόνα 3.5 : Αποδιδυμοποίθςθ (detwinning) ςε μαρτενςιτικι κρυςταλλογαφικι κατάςταςθ, με ταυτόχρονθ αλλαγι των διαςτάςεων του δοκιμίου. [5] Στθν Εικόνα 3.6 παρουςιάηεται το φαινόμενο μνιμθσ ςχιματοσ, το οποίο κα αναλυκεί διεξοδικά ςτο επόμενο κεφάλαιο ωσ ςυνζπεια του μαρτενςιτικοφ μεταςχθματιςμοφ. Τα ςτάδια που λαμβάνουν χϊρα κατά τθ διάρκεια του φαινομζνου είναι τα εξισ: (a) Αρχικόσ ωςτενιτικόσ κρφςταλλοσ (b) Διαδικαςία twinning (c) Ραραμόρφωςθ μαρτενςίτθ με μετακίνθςθ των ορίων των διδυμιϊν λόγω επιβολισ εξωτερικισ τάςθσ (Διαδικαςία detwinning) (d) Αντίςτροφοσ μαρτενςιτικόσ μεταςχθματιςμόσ με κζρμανςθ και ανάκτθςθ αρχικϊν διαςτάςεων του υλικοφ. 10

11 Εικόνα 3.6 : Φαινόμενο Μνιμθσ Σχιματοσ (SME). [6] 3.3 Φαινόμενο μνιμθσ ςχιματοσ (Shape Memory Effect SME) Το φαινόμενο μνιμθσ ςχιματοσ (SME) ζγκειται ςτθ δυνατότθτα, που ζχει ζνα κράμα, να ανακτά τισ αρχικζσ του διαςτάςεισ, μζςα από μια κυκλικι διαδικαςία, θ οποία περιλαμβάνει ψφξθ-παραμόρφωςθ-κζρμανςθ, ενϊ ταυτόχρονα παράγεται μθχανικό ζργο [5]. Το φαινόμενο βαςίηεται ςε ζναν αντριςτρεπτό κρυςταλλογραφικό μεταςχθματιςμό μεταξφ δφο φάςεων. Τα κράματα που το εμφανίηουν βρίςκονται, ανάλογα με τθ κερμοκραςία, είτε ςε ωςτενιτικι κρυςταλλικι κατάςταςθ ςε υψθλζσ κερμοκραςίεσ, είτε ςε μαρτενςιτικι ςε χαμθλζσ κερμοκραςίεσ. Με ψφξθ μεταπίπτουν από μια ςχετικά υψθλισ τάξθσ κρυςταλλογραφικι κατάςταςθ (ωςτενιτικι), ςε μια χαμθλότερθσ τάξθσ κρυςταλλογραφικι κατάςταςθ (μαρτενςιτικι), ενϊ με κζρμανςθ ςυμβαίνει ακριβϊσ το αντίκετο, αφοφ όμωσ ζχει προθγθκεί παραμόρφωςθ του υλικοφ. Ππωσ αναφζρκθκε και ςτο Κεφάλαιο 3.1, για τισ χαρακτθριςτικζσ κερμοκραςίεσ χρθςιμοποιοφνται οι εξισ ςυμβολιςμοί : Τ As. T Αf, T Ms και T Mf (όπου s και f αρχι και τζλοσ κάκε μεταςχθματιςμοφ αντίςτοιχα). Γενικά ιςχφει ότι: T Af > T As > T 0 > T Ms > T Mf Ππου, T 0 είναι θ κερμοκραςία ςτθν οποία οι δφο φάςεισ βρίςκονται ςε ιςορροπία. Ανάλογα με τθ ςφςταςθ των κραμάτων και τον τρόπο παραςκευισ τουσ, οι τιμζσ των παραπάνω κερμοκραςιϊν μποροφν να ποικίλουν. [5] Θ εξε λιξθ των μεταςχθματιςμω ν ελε γχεται απο τθ διαφορα των ελευ κερων ενεργειϊν μαρτενςίτθ και ωςτενίτθ. Με αυτό το τρόπο, θ ο λθ διεργαςιά εξαρτα ται από τθ μεταβολι ςτθ χθμικι, ςτθν επιφανειακθ και ςτθν ελαςτικθ ςυνιςτω ςα τθσ ελεφκερθσ ενζργειασ, που επα γεται με τθ μεταβολθ τθσ κερμοκραςιάσ. Θ παρουςιά δυνάμεων τριβισ μεταξφ των κινοφμενων διεπιφανειϊν, θ δθμιουργιά ατελειω ν ςε 11

12 ςυνδυαςμό με τθν ελαςτικι ςυνειςφορά ει ναι οι κυ ριοι λο γοι, που οδθγοφν ςτθν φπαρξθ μιασ καμπυ λθσ υςτζρθςθσ μεταξφ του ευκζωσ και του αντιςτρόφου μαρτενςιτικοφ μεταςχθματιςμοφ (Εικόνα 3.7). [5] Εικόνα 3.7 : Ενδεικτικόσ βρόγχοσ υςτζρθςθσ των μεταςχθματιςμϊν ςε κράματα με μνιμθ ςχιματοσ. Θ υςτε ρθςθ που παρατθρει ται ςτα κρα ματα με μνιμθ ςχιματοσ παρουςιάηει δφο βαςικά χαρακτθριςτικά. Ρρϊτον, είναι ςτατικθ, δθλαδι μεταξφ κάποιων ορίων είναι ανεξάρτθτθ του ρυκμου μεταβολθ σ τθσ παραμε τρου που ελε γχει το μεταςχθματιςμό (κερμοκραςίασ ι τάςθσ) και δεφτερον επιδεικνφει ςυνολικι μνιμθ, δθλαδι ο μεταςχθματιηόμενοσ όγκοσ για μία ςυγκεκριμζνθ τιμι κερμοκραςίασ ι τάςθσ κακορίηεται από τθ διαδρομι που ακολουκικθκε.[5] Το φαινόμενο τθσ μνιμθσ ςχιματοσ μπορεί να γίνει πιο αντιλθπτό με βάςθ τον κφκλο που απεικονίηεται ςτθν Εικόνα 3.8. Ξεκινϊντασ από το ςθμείο D το δοκίμιο βρίςκεται ςε ςχετικά υψθλι κερμοκραςία (T>T Af ). Σε αυτό το ςθμείο θ φάςθ είναι ωςτενιτικι και θ κρυςταλλογραφικι κατάςταςι του κεωρείται μονοκρυςταλλικι. Στθ ςυνζχεια μζςω ψφξθσ κάτω από μία κρίςιμθ κερμοκραςία (T<T Mf ), λαμβάνει χϊρα ο μαρτενςιτικόσ μεταςχθματιςμόσ, χωρίσ να υπάρχει αλλαγι ςτισ εξωτερικζσ διαςτάςεισ του δοκιμίου (Σθμείο Α). Ο αρχικόσ ωςτενίτθσ του ςθμείου D, αντικακίςταται ςταδιακά από μαρτενςίτθ, ενϊ ταυτόχρονα μεταβάλλονται οριςμζνεσ ιδιότθτεσ του υλικοφ, όπωσ θ ειδικι αντίςταςθ, το μζτρο ελαςτικότθτατασ, κλπ. Ο μαρτενςίτθσ του ςθμείου Α, ονομάηεται αυτοδιευκετοφμενοσ μαρτενςίτθσ (Self Accommodated Martensite ι SAM) και χαρακτθρίηεται από τθν φπαρξθ περιοχϊν, που ζχουν τθν ίδια κρυςταλλικι δομι, με διαφορετικοφσ όμωσ προςανατολιςμοφσ. Θ διευκζτθςθ των περιοχϊν αυτϊν γίνεται με τζτοιο τρόπο, ϊςτε οι εξωτερικζσ διαςτάςεισ του κράματοσ να μθν μεταβάλλονται (κατάςταςθ ακορντεόν). 12

13 Εικόνα 3.8 : Φαινόμενο μνιμθσ ςχιματοσ (SME) [8] Θ μετάβαςθ από το ςθμείο Α ςτο Β γίνεται μζςω εφαρμογισ μθχανικισ τάςθσ. Το δοκίμιο αρχίηει να παραμορφϊνεται και θ αλλαγι των διαςτάςεϊν του είναι αναπόφευκτθ. Κακϊσ γίνεται θ αποφόρτιςθ του δοκιμίου, φτάνουμε ςτο ςθμείο C, ςτο οποίο το δοκίμιο ζχει διαςτάςεισ διαφορετικζσ από εκείνεσ του ςθμείου Α και μικρότερεσ από εκείνεσ του ςθμείου B, κακϊσ φαίνεται να ζχει οδθγθκεί ςτθν πλαςτικι περιοχι, ενϊ ανακτά το κομμάτι τθσ ελαςτικισ παραμόρφωςθσ. Κατά τθ διαδρομι A-B-C θ κρυςταλλογραφικι δομι του δοκιμίου παραμζνει θ ίδια, ωςτόςο κάποιεσ περιοχζσ ςτο εςωτερικό του επεκτείνονται εισ βάροσ άλλων γειτονικϊν. Ο αυτοδιευκετοφμενοσ μαρτενςίτθσ (SAM) μετατρζπεται μερικϊσ και ςε οριςμζνεσ περιπτϊςεισ ολικϊσ ςε προτιμθτζασ διεφκυνςθσ μαρτενςίτθ (Preferentially Oriented Martensite ι POM). Θ εμφάνιςθ του POM ςυνοδεφεται πάντα από μεταβολι των εξωτερικϊν διαςτάςεων, ενϊ θ κρυςταλλικι του δομι είναι θ ίδια με του SAM. Τζλοσ, με κζρμανςθ του δοκιμίου πάνω από μια κρίςιμθ κερμοκραςία, πραγματοποιείται ο αντίςτροφοσ μεταςχθματιςμόσ και το δοκίμιο αποκτά το αρχικό του ςχιμα και μεταπίπτει από τθν μαρτενςιτικι ςτθν ωςτενιτικι κατάςταςθ (Σθμείο D). Θ όλθ διαδικαςία μπορεί να επαναλθφκεί κυκλικά και ςυνιςτά το φαινόμενο μνιμθσ μιασ κατεφκυνςθσ (One way shape memory effect). Κατά το φαινόμενο μνιμθσ ςχιματοσ δφο κατευκφνςεων (Two way shape memory effect), θ μεταβολι του ςχιματοσ κυκλικά γίνεται μόνο με αλλαγι τθσ κερμοκραςίασ, χωρίσ ενδιάμεςθ παραμόρφωςθ. Το υλικό, που αρχικά βρίςκεται ςε ωςτενιτικι κατάςταςθ, ψφχεται και μεταςχθματίηεται ςε μαρτενςίτθ (T<T Mf ). Σε αυτι τθ κερμοκραςία το κράμα μνιμθσ ςχιματοσ παραμορφϊνεται. Κατά τθν παραμόρφωςθ το υλικό «εκπαιδεφεται», ϊςτε μετά τθν παραμόρφωςθ να «κυμάται» το ςχιμα του και ςτθν 13

14 μαρτενςιτικι κατάςταςθ, ϊςτε θ αλλαγι του ςχιματοσ να ςυμβαίνει μόνο με μεταβολι τθσ κερμοκραςίασ.[16] Ο μαρτενςιτικόσ μεταςχθματιςμόσ μπορεί να πραγματοποιθκεί και μζςω επιβολισ τάςθσ ςε κερμοκραςίεσ μεγαλφτερεσ τθσ T Ms. Ο μαρτενςίτθσ, που ςχθματίηεται με αυτό τον τρόπο, αποκαλείται stress induced martensite (SIM) και θ μζκοδοσ μπορεί να βρει εφαρμογι ςτθν παραγωγι υπερελαςτικϊν υλικϊν (superelastic materials). 3.4 Κόπωςθ Θ αςτοχία που εμφανίηεται ςτα μεταλλικά υλικά λόγω τθσ επίδραςθσ δυναμικϊν καταπονιςεων ονομάηεται κόπωςθ (fatigue). Από πολφ παλιά είχε διαπιςτωκεί ότι τα μεταλλικά υλικά μποροφν να αςτοχιςουν ςε κραφςθ, όταν καταπονοφνται από επαναλαμβανόμενεσ ι χρονικά μεταβαλλόμενεσ (δυναμικζσ) τάςεισ, ακόμθ και όταν οι τιμζσ των τάςεων αυτϊν βρίςκονται αρκετά χαμθλότερα από τθν αντοχι του υλικοφ ςε κραφςθ. Σε αυτι τθν περίπτωςθ, θ κραφςθ επζρχεται χωρίσ προθγοφμενθ παραμόρφωςθ, ενϊ ταυτόχρονα παρουςιάηει χαρακτθριςτικι όψθ ςε δφο ηϊνεσ [4]. Το βαςικό χαρακτθριςτικό τθσ κόπωςθσ είναι ότι προκειμζνου να εμφανιςτεί, απαιτείται μια ςθμαντικι περίοδοσ λειτουργίασ του δομικοφ ςτοιχείου ι εξαρτιματοσ μιασ καταςκευισ. Με τθν ςυνεχιηόμενθ ανάπτυξθ τθσ τεχνολογίασ, εμφανίςτθκαν νζα δομικά ςτοιχεία, τα οποία βρικαν εφαρμογι ςε καταςκευζσ όπωσ αυτοκίνθτα, αεροςκάφθ, ςυμπιεςτζσ, ςτρόβιλοι, κ.λ.π., ςτα οποία οι μθχανικζσ καταπονιςεισ είναι κατϋεξοχιν δυναμικζσ. Με βάςθ αυτι τθν εξζλιξθ, θ κόπωςθ απζκτθςε ςταδιακά όλο και μεγαλφτερθ ςθμαςία ςαν μθχανιςμόσ αςτοχίασ. Σιμερα εκτιμάται ότι το 90% των αςτοχιϊν, που προζρχονται από μθχανικά αίτια, οφείλονται ςτθν κόπωςθ [7]. Υπάρχουν τρεισ τφποι φορτίων, που μποροφν να επιφζρουν κόπωςθ (Εικόνα 3.9) : 1. Φορτίο θμιτονοειδοφσ μεταβολισ 2. Φορτίο περιοδικισ μεταβολισ 3. Φορτίο τυχαίασ μεταβολισ. Κάκε περιοδικό φορτίο μπορεί να αναλυκεί ςε άκροιςμα θμιτονοειδϊν φορτίων αρμονικϊν. Κάκε αρμονικι προςδιορίηεται πλιρωσ από τθν μεταβολι τθσ καταπόνθςθσ Δς, τον λόγο του R και τθν ςυχνότθτά του f *9+. Τζλοσ, ζνα τυχαίο φορτίο προςδιορίηεται από μια κατά προςζγγιςθ ςυνάρτθςθ, που περιγράφει κατά το δυνατόν πλθρζςτερα τθν κίνθςθ του φορτίου αυτοφ *8+. 14

15 Εικόνα 3.9 : Τφποι φορτίου θμιτονοειδοφσ, περιοδικισ και τυχαίασ μεταβολισ *8+. Οι δοκιμζσ κόπωςθσ ζχουν ωσ χαρακτθριςτικά μεγζκθ: Τθ μζγιςτθ ς max και ελάχιςτθ ς min τάςθ Το εφροσ τθσ καταπόνθςθσ ς α = (ς max ς min )/2 Τθ μεταβολι τθσ καταπόνθςθσ Δ ς = ς max ς min = 2ς α Το λόγο των καταπονιςεων R = ς min / ς max Τθ μζςθ τιμι τθσ καταπόνθςθσ ς m = (ς max + ς min )/2 [8] Επιπλζον ανάλογα με τθν μορφι τουσ, οι κφκλοι φόρτιςθσ διακρίνονται ςε ςυμμετρικοί, επαναλαμβανόμενοι και τυχαίοι. Στθν Εικόνα 3.10 παρουςιάηονται ενδεικτικά οι διαφορετικοί τφποι κυκλικισ φόρτιςθσ. 15

16 Εικόνα 3.10 : Τφποι κυκλικισ φόρτιςθσ *8+. Τα χαρακτθριςτικά μεγζκθ που αναφζρκθκαν πιο πάνω, μποροφν να πάρουν διάφορεσ τιμζσ. Ανάλογα με τισ τιμζσ που παίρνουν, διακρίνονται και διαφορετικά είδθ δοκιμϊν κόπωςθσ, όπωσ φαίνεται ςτον Πίνακα Χαρακτθριςτικό μζγεκοσ Είδοσ δοκιμϊν κόπωςθσ ς m =0 και R=-1 Εναλλαςςόμενεσ ςυμμετρικζσ 0<ς m <ς a και -1<R<0 ι ς m =ς α και R=0 Αςφμμετρεσ επαναλαμβανόμενεσ ς m >ς a και 0<R<1 Κυματοειδισ Πίνακασ 3.11 : Είδθ δοκιμϊν ςε κόπωςθ με βάςθ τα χαρακτθριςτικά μεγζκθ *8+. Τα πρϊτα ςυςτθματικά πειράματα κόπωςθσ πραγματοποιικθκαν από τον Wohler, ο οποίοσ ειςιγαγε το διάγραμμα Τάςθσ Κφκλων (ς-n), και το όριο κόπωςθσ. Για αυτι του τθ ςυμβολι κεωρείται μζχρι ςιμερα ο πατζρασ των ςυςτθματικϊν δοκιμϊν κόπωςθσ [10]. Ο Wohler, διατφπωςε τθ ςχζςθ: ς n = ς Ν ( N n )k Ππου: ς n είναι θ αντοχι κόπωςθσ για αςτοχία ςτουσ n κφκλουσ, ς Ν είναι θ τάςθ (φόρτιςθ) που προκαλεί αςτοχία ςτουσ N κφκλουσ, και k είναι θ κλίςθ τθσ ευκείασ ςτο διάγραμμα ς-ν. Το διάγραμμα ς-ν ςχεδιάηεται ςε λογαρικμικι κλίμακα (log-log). Το ςθμείο όπου θ καμπφλθ γίνεται οριηόντια (Εικόνα 3.12) λζγεται τάςθ ι όριο κόπωςθσ (ι δυναμικι 16

17 αντοχι) και είναι θ ανϊτατθ φόρτιςθ που μπορεί να δεχτεί ζνα ςτοιχείο χωρίσ να αςτοχιςει, ακόμα και για άπειρο αρικμό επαναλιψεων *10+. Εικόνα 3.12 : Ενδεικτικό διάγραμμα τάςθσ κφκλων κόπωςθσ (ς-ν) [10] Σε μία καμπφλθ αντοχισ ςε κόπωςθ διακρίνονται τρεισ ηϊνεσ: Ηϊνθ ολιγοκυκλικισ κόπωςθσ, κατά τθν οποία θ διάρκεια ηωισ του δοκιμίου είναι ςφντομθ και το δοκίμιο πριν τθ κραφςθ υπόκειται ςε ςθμαντικι πλαςτικι παραμόρφωςθ. Ηϊνθ κόπωςθσ ι περιοριςμζνθσ αντοχισ, κατά τθν οποία θ κραφςθ επζρχεται μετά από ζναν ςυγκεκριμζνο αρικμό κφκλων και αυξάνεται κακϊσ θ επιβαλλόμενθ τάςθ μειϊνεται. Ηϊνθ απεριόριςτθσ αντοχισ ι ηϊνθ αςφάλειασ, κατά τθν οποία δεν επζρχεται κραφςθ υπό το κακεςτϊσ μικρϊν καταπονιςεων, ακόμθ και ζπειτα από μεγάλο αρικμό κφκλων. [8] Το όριο αντοχισ ςε κόπωςθ (Εικόνα 3.13) που αναφζρκθκε προθγουμζνωσ δεν είναι δυνατόν να προςδιοριςτεί για κάκε υλικό, όπωσ π.χ. ςτουσ ωςτενιτικοφσ χάλυβεσ και τα περιςςότερα μθ ςιδθροφχα κράματα. Σε αυτζσ τισ περιπτϊςεισ ορίηεται ζνα όριο κόπωςθσ για δεδομζνο αρικμό κφκλων, το οποίο ςυνικωσ προςδιορίηεται ςυμβατικά και αντιςτοιχεί ςε 10 6, 10 7, 10 8 κφκλουσ. *11+ 17

18 Εικόνα 3.13 : Εφροσ τάςθσ (S) ςυναρτιςει του λογάρικμου του αρικμοφ κφκλων φόρτιςθσ (N) για (a) υλικό που παρουςιάηει όριο κόπωςθσ και (b) υλικό που δεν παρουςιάηει *8+. Θ φπαρξθ ι μθ ρωγμϊν ςτο αρχικό υλικό είναι προφανζσ ότι επθρεάηει και τθ ςυμπεριφορά του υλικοφ ςε κόπωςθ. Αν το υλικό δεν ζχει κάποια ρωγμάτωςθ και οι τιμζσ των ς max και ς min βρίςκονται κάτω από τθν τιμι του ορίου διαρροισ ς y, τότε βριςκόμαςτε ςτθν ηϊνθ κόπωςθσ υψθλοφ αρικμοφ κφκλων (high cycle fatigue), κατά τθν οποία οι παραμορφϊςεισ είναι κυρίωσ ελαςτικζσ. Σε αυτι τθν περίπτωςθ ιςχφει ο νόμοσ του Basquin, όπου: Δ ς N f a =C 1, με a και C 1 ςτακερζσ [8] Αντίςτοιχα, αν ςτο μθ προ-ρωγματωμζνο υλικό ζχουμε ς max και ς min μεγαλφτερα από το ς y, τότε βριςκόμαςτε ςτθ ηϊνθ κόπωςθσ χαμθλοφ αρικμοφ κφκλων (low cycle fatigue), κατά τθν οποία οι παραμορφϊςεισ είναι κυρίωσ πλαςτικζσ. Σε αυτι τθν περίπτωςθ ιςχφει ο νόμοσ των Coffin-Manson, όπου: Δε pl Ν f b =C 2, με b και C 2 ςτακερζσ *8+ Από τθν άλλθ μεριά, ςτα προ-ραγματωμζνα υλικά, θ μελζτθ τθσ κραφςθσ βαςίηεται ςτθν κεωρία του Griffith για ψακυρι κραφςθ τφπου Ι. Σφμφωνα και με τθν ςχζςθ του Paris, θ οποία περιγράφει τθ ςχζςθ ανάμεςα ςτθν ταχφτθτα διάδοςθσ τθσ ρωγμισ da/dn (Εικόνα 3.14) και τον ςυντελεςτι ζνταςθσ τάςθσ K ιςχφει: da/dn=cδκ n με C ςτακερά του υλικοφ και 2<n<4 [8] Κακϊσ θ τάςθ δεν είναι ςτακερι και ςυνεχϊσ μεταβάλλεται, ζχει ωσ αποτζλεςμα να αλλάηει και θ τιμι του ςυντελεςτι ζνταςθσ τάςθσ K (Εικόνα 3.15). ΔΚ=Κ max K min ΔΚ=Υ πα(ς max - ς min )=YΔς πα [11] 18

19 Εικόνα 3.14 : Ταχφτθτα διάδοςθσ ρωγμισ ωσ ςυνάρτθςθ τθσ μεταβολισ τθσ τιμισ του ςυντελεςτι ζνταςθσ τάςθσ Κ *8+. Εικόνα 3.15 : α) Διάδοςθ ρωγμισ ςε δοκιμι κόπωςθσ προ-ρωγματωμζνου δοκιμίου και β) μεταβολι του ςυντελεςτι ζνταςθσ τάςθσ Κ *8+. 19

20 Γενικά ο μθχανιςμόσ αςτοχίασ από κόπωςθ επζρχεται ςτα τζςςερα παρακάτω ςτάδια [8]: Ζναρξθ Ρωγμισ. Σε αυτό το ςτάδιο αναπτφςςεται ςτο υλικό κάποιο ελάττωμα εξαιτίασ τθσ κόπωςθσ, το οποίο ωςτόςο ενδεχομζνωσ κα μποροφςε να εξαλειφκεί με κατάλλθλθ κατεργαςία (π.χ. ανόπτθςθ, επιφανειακζσ κατεργαςίεσ, κ.λ.π.). Ανάπτυξθ ρωγμισ μζςω των ταινιϊν ολίςκθςθσ (τάδιο Ι). Θ αρχικι ρωγμι του προθγοφμενου ςταδίου αρχίηει να επεκτείνεται μζςω των κρυςταλλογραφικϊν επιπζδων μζγιςτθσ διατμθτικισ τάςθσ (45 ). Ανάπτυξθ ρωγμισ μζςω των επιπζδων τθσ μζγιςτθσ εφελκυςτικισ τάςθσ (τάδιο ΙΙ). Ππωσ και ςτο Στάδιο Ι και ςε αυτι τθν περίπτωςθ θ ρωγμι ςυνεχίηει να επεκτείνεται, κάκετα όμωσ ςτον άξονα εφαρμογισ τθσ μζγιςτθσ εφελκυςτικισ τάςθσ (Εικόνα 3.16). Σελικό ςτάδιο αςτοχίασ. Είναι το ςτάδιο κατά το οποίο θ ρωγμι ζχει αποκτιςει επαρκζσ μικοσ, με αποτζλεςμα θ διατομι του υλικοφ να μθν μπορεί να αντζξει τθν εφαρμογι του φορτίου. Πταν ςυμβεί αυτό, θ ρωγμι διαδίδεται ακαριαία και το υλικό οδθγείται ςτθν τελικι κραφςθ, θ οποία εμφανίηεται ςτθν περιοχι αυτι ωσ όλκιμθ, κακϊσ θ επιφάνεια κραφςθσ παρουςιάηει ςθμαντικι πλαςτικι παραμόρφωςθ *8+. Εικόνα 3.16 : Μθχανιςμόσ διάδοςθσ τθσ ρωγμισ κατά το ςτάδιο II [8]. 20

21 Τα ςθμαντικότερα μακροςκοπικά χαρακτθριςτικά ςτθν επιφάνεια κραφςθσ είναι τα ςθμάδια διάδοςθσ τθσ ρωγμισ (Εικόνα 3.17), που είναι γνωςτά ωσ «ςθμάδια παραλίασ» (beachmarks) ι «ςθμάδια παλίρροιασ» (clamshell marks) [8]. Εικόνα 3.17 : Αριςτερά τα «ςθμάδια παραλίασ» ςτθν επιφάνεια ενόσ δοκιμίου που ζχει αςτοχιςει ςε κόπωςθ και δεξιά τα «ςθμάδια παλίρροιασ» ενόσ δοκιμίου που εμφανίηονται λόγω κυκλικϊν καταπονιςεων, οι οποίεσ διαφζρουν ςε μζγεκοσ και χρόνο [8]. Υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί παράγοντεσ που επθρεάηουν τθν διάρκεια ηωισ ςε κόπωςθ ενόσ υλικοφ. Οι πιο ςθμαντικοί από αυτοφσ είναι [8]: Ο τρόποσ εφαρμογισ, κακϊσ και το πλάτοσ τθσ παραμόρφωςθσ Το είδοσ τθσ κρυςταλλικισ δομισ, δθλαδι αν πρόκειται για μονοκρυςταλλικό ι πολυκρυςταλλικό υλικό Θ ςυγκζντρωςθ τθσ επιβαλλόμενθσ τάςθσ, θ οποία τείνει να ελαττϊςει τθν αντοχι ςε κόπωςθ όταν υπάρχουν οπζσ, απότομεσ μεταβολζσ τθσ διατομισ, κ.λ.π. Ο προςανατολιςμόσ του μονοκρυςταλλικοφ υλικοφ Θ ςυχνότθτα των κυκλικϊν μεταβολϊν Οι επιφανειακζσ ανωμαλίεσ, κακϊσ θ φπαρξι τουσ ζχει ωσ αποτζλεςμα τθν δθμιουργία τοπικϊν ςυγκεντρϊςεων τάςθσ και κατϋεπζκταςθ ρωγμϊν Θ κατάςταςθ τθσ επιφάνειασ. Κατεργαςίεσ επιφανειακισ ςκλιρυνςθσ, όπωσ π.χ. θ εναηϊτωςθ και θ ενανκράκωςθ, προκαλοφν αφξθςθ τθσ αντοχισ του μετάλλου, δεδομζνου ότι οι ρωγμζσ δθμιουργοφνται ςτθν επιφάνεια Θ προθγοφμενθ κατεργαςία Θ κερμοκραςία Θ παρουςία δεφτερθσ φάςθσ ςτο υλικό Το περιβάλλον. Το διαβρωτικό περιβάλλον ευνοεί τθν ανάπτυξθ και τθν διάδοςθ των ρωγμϊν. Ο ςυνδυαςμόσ τθσ διαβρωτικισ επίδραςθσ με τθν κυκλικι καταπόνθςθ ςτα μζταλλα είναι γνωςτόσ ωσ κόπωςθ διάβρωςθσ και κα αναλυκεί περιςςότερο ςτθ ςυνζχεια. 21

22 3.5 Διάβρωςθ Με τον όρο διάβρωςθ ορίηουμε τθν αντίδραςθ ενόσ υλικοφ με το περιβάλλον του, θ οποία οδθγεί ςε μερικι ι ολικι καταςτροφι του υλικοφ. Γενικότερα, όλα τα υλικά υφίςτανται κάποιο είδοσ διάβρωςθσ ςτθ διάρκεια τθσ ηωισ τουσ, άλλα ςε μεγαλφτερθ και άλλα ςε μικρότερθ ζκταςθ. Αυτό ζχει ωσ αποτζλεςμα θ οικονομικι επιβάρυνςθ εξαιτίασ τθσ διάβρωςθσ να είναι μεγάλθ (3-4% του ακακάριςτου εκνικοφ προϊόντοσ ςτισ ανεπτυγμζνεσ χϊρεσ). Εφόςον θ διάβρωςθ είναι αναπόφευκτθ, το κόςτοσ τθσ μπορεί να μειωκεί με τθν επιλογι κατάλλθλων υλικϊν, καλισ ςχεδίαςθσ και εφαρμογι μεκόδων προςταςίασ. Χαρακτθριςτικό παράδειγμα είναι το πλφςιμο των αυτοκινιτων, προκειμζνου να απομακρυνκεί το αλάτι που χρθςιμοποιείται για τθν τιξθ του πάγου και μπορεί να αποδειχκεί εξαιρετικά ευεργετικό για τθ μείωςθ τθσ διάβρωςθσ των αυτοκινιτων και ιδιαίτερα των εξατμίςεων.[15] Ρζρα από τισ καταςτρεπτικζσ τθσ ςυνζπειεσ, θ διάβρωςθ μπορεί να είναι ευεργετικι και επικυμθτι ςε οριςμζνεσ περιπτϊςεισ. Θ ανοδίωςθ για παράδειγμα του αλουμινίου είναι μια διεργαςία διάβρωςθσ, που γίνεται για τθ δθμιουργία προςτατευτικοφ επιφανειακοφ ςτρϊματοσ οξειδίου του αλουμινίου και τθ βελτίωςθ τθσ εμφάνιςθσ του υλικοφ. [15] Θ διάβρωςθ των μεταλλικϊν υλικϊν διακρίνεται ςε δφο κατθγορίεσ: Θ υγρι διάβρωςθ ι απλϊσ διάβρωςθ, που πραγματοποιείται ςε υδατικό περιβάλλον Θ ξθρι διάβρωςθ ι οξείδωςθ, που πραγματοποιείται ςε ξθρό αζριο περιβάλλον και ςυνικωσ ςε υψθλι κερμοκραςία. *11+ Κατά τθ διάβρωςθ το μεταλλικό υλικό υπό τθν επίδραςθ του περιβάλλοντοσ χάνει θλεκτρόνια, τα οποία δεςμεφονται (ςυνικωσ) από το οξυγόνο του περιβάλλοντοσ. Υπάρχει δθλαδι αφξθςθ του ςκζνουσ του μετάλλου ςφμφωνα με τθν παρακάτω θλεκτροχθμικι αντίδραςθ: M M +n + ne - Θ παραπάνω αντίδραςθ αφορά τθν οξείδωςθ του μετάλλου και για το λόγο αυτό ονομάηεται οξειδωτικι, ενϊ κατ αντιςτοιχία υπάρχουν και οι αναγωγικζσ αντιδράςεισ, που ανάλογα με τθν περίπτωςθ μπορεί να είναι μία από τισ παρακάτω: Ζκλυςθ οξυγόνου 2H + + 2e H 2 22

23 Αναγωγι οξυγόνου O 2 + 2H 2 O + 4e 4OH - (ουδζτερο ι αλκαλικό διάλυμα) O 2 + 4Θ + + 4e 2H 2 O (όξινο διάλυμα) Αναγωγι ιόντων Εναπόκεςθ μετάλλου M +3 + e M +2 M + + e M Θ διάβρωςθ ςυμβαίνει επειδι το ςφςτθμα τείνει να μειϊςει τθν ελεφκερθ ενζργειά του. Θ μεταβολι επομζνωσ τθσ ελεφκερθσ ενζργειασ, που δίνεται από τον τφπο: ΔG = G (προϊόντων διάβρωςθσ) G (μετάλλου) πρζπει να είναι αρνθτικι προκειμζνου να μπορεί να πραγματοποιθκεί θ διάβρωςθ. Ρρζπει δθλαδι να ιςχφει: ΔG < 0 Σε αυτι τθν περίπτωςθ θ διάβρωςθ μπορεί να ςυμβεί μπορεί όμωσ και όχι. Εξαρτάται από κινθτικοφσ παράγοντεσ. Ωςτόςο αν ΔG > 0, τότε είναι ςίγουρο ότι θ διάβρωςθ δεν κα ςυμβεί. Θ διάβρωςθ μπορεί να εμφανιςτεί ςε διαφορετικζσ μορφζσ ανάλογα με το υλικό και τισ ςυνκικεσ του περιβάλλοντοσ ςτα οποία εμφανίηεται. Οι κυριότεροι τρόποι διάβρωςθσ είναι: 1. Ομοιόμορφθ διάβρωςθ (uniform corrosion). Το μζταλλο διαβρϊνεται θλεκτροχθμικά και ομοιόμορφα ςε ολόκλθρθ τθν επιφάνεια, δθλαδι θ ταχφτθτα διάβρωςθσ είναι παντοφ θ ίδια (Εικόνα 3.18). Ρροκαλεί τθ μεγαλφτερθ καταςτροφι ςε απϊλεια βάρουσ αλλά ο ρυκμόσ διάβρωςθσ μπορεί εφκολα να προςδιοριςτεί και επομζνωσ θ διάρκεια ηωισ των εξαρτθμάτων μπορεί να προβλεφκεί. Ραράμετροι που επθρεάηουν τθν ομοιόμορφθ διάβρωςθ είναι θ κερμοκραςία, τα κερμοκραςιακά gradients, θ υγραςία, οι επιφανειακζσ ςυνκικεσ, ο χρόνοσ ζκκεςθσ και θ ιςχφσ του διαβρωτικοφ μζςου.[18] 23

24 Εικόνα 3.18 : Φωτογραφία από μικροςκόπιο SEM, όπου απεικονίηεται θ ομοιόμορφθ διάβρωςθ χάλυβα. [20] 2. θμειακι ι τρθματικι διάβρωςθ (pitting). Θ διάβρωςθ είναι τοπικι, περιορίηεται δθλαδι ςε οριςμζνα μόνο ςθμεία αλλά θ ταχφτθτά τθσ ςε αυτά τα ςθμεία είναι μεγάλθ [17]. Ρροκαλεί οπζσ ςτθν επιφάνεια του μετάλλου (Εικόνα 3.19) με μικρι ομοιόμορφθ διάβρωςθ και τα τριματα ςυνικωσ αναπτφςςονται ςτθ διεφκυνςθ τθσ βαρφτθτασ. Ρρόκειται για μια πολφ καταςτρεπτικι μορφι διάβρωςθσ και εμφανίηεται κυρίωσ ςε υλικά που πακθτικοποιοφνται λόγω αςτοχίασ του πακθτικοφ φιλμ. Ραράγοντεσ που τθν επθρεάηουν είναι θ παρουςία ενϊςεων χλωρίου (π.χ. NaCl), που βοθκοφν ςτθν εξάπλωςθ τθσ τρθματικισ διάβρωςθσ, θ παρουςία ςτάςιμων υγρϊν, θ οποία ευνοεί τθν ανάπτυξθ τθσ τρθματικισ διάβρωςθσ λόγω απουςίασ οξυγόνου (καταναλϊνεται λόγω ςταςιμότθτασ), θ ανομοιομορφία τθσ επιφάνειασ, θ ψυχρθλαςία και τζλοσ θ παρουςία ςκόνθσ. [18] Εικόνα 3.19 : Φωτογραφία SEM κατά τθν οποία είναι εμφανείσ οι οπζσ, που ςχθματίηονται λόγω τρθματικισ διάβρωςθσ. *21+ 24

25 3. Γαλβανικι διάβρωςθ (galvanic corrosion). Ρρόκειται για διάβρωςθ που ςυμβαίνει όταν δυο ανόμοια μζταλλα ι δυο κράματα με διαφορετικι ςφςταςθ ςυνδζονται θλεκτρικά ςε ζναν θλεκτρολφτθ (Εικόνα 3.20). Το πιο ενεργό μζταλλο ςτο ςυγκεκριμζνο περιβάλλον διαβρϊνεται (άνοδοσ), ενϊ το πιο αδρανζσ προςτατεφεται (κάκοδοσ). Γαλβανικι διάβρωςθ μπορεί να υπάρξει ς ζνα μθχανικά διαμορφωμζνο μζταλλο ι κράμα λόγω τθσ διαφοράσ ςτθν παραμόρφωςθ των ατομικϊν επιπζδων και ςτθ μεγάλθ πυκνότθτα γραμμοαταξιϊν. Ραράμετροι που τθν επθρεάηουν είναι το διαβρωτικό περιβάλλον, θ απόςταςθ από το ςθμείο επαφισ των ανόμοιων μετάλλων, ο λόγοσ επιφανειϊν κακόδου ανόδου (όςο μεγαλφτεροσ, τόςο μεγαλφτερθ και θ ταχφτθτα διάβρωςθσ) και τα μζταλλα που ςχθματίηουν το γαλβανικό ηεφγοσ. [18] Εικόνα 3.20 : Γαλβανικι διάβρωςθ ςτθ βάςθ ςτιριξθσ ποδθλάτων. * Διάβρωςθ απολζπιςθσ (exfoliation corrosion). Είναι μια μορφι ενδοκρυςταλλικισ, ςυνικωσ τοπικισ διάβρωςθσ, θ οποία εξαρτάται από τθ δομι του υλικοφ και προςβάλει κατά κφριο λόγο ςυγκεκριμζνα κράματα και κερμικζσ κατεργαςίεσ αλουμινίου (Εικόνα 3.21). Σε αυτι τθ μορφι διάβρωςθσ, θ προςβολι γίνεται εκλεκτικά κατά μικοσ ςυγκεκριμζνων οδϊν παράλλθλων ςτθν επιφάνεια. Με αυτό το τρόπο ςτρϊματα μθ διαβρωμζνου μετάλλου ανάμεςα ςε αυτζσ τισ οδοφσ αποκολλϊνται και ωκοφνται πάνω από τθν αρχικι επιφάνεια από τα ογκϊδθ προϊόντα διάβρωςθσ ανάμεςα ςτισ οδοφσ *19]. Εικόνα 3.21 : Διάβρωςθ απολζπιςθσ αλουμινίου. [24] 25

26 5. Περικρυςταλλικι διάβρωςθ (integranular corrosion). Ρρόκειται για εντοπιςμζνθ διάβρωςθ των ςυνόρων ι τθσ περιοχισ κοντά ςτα ςφνορα των κόκκων ενόσ μετάλλου ι κράματοσ με ςχετικά μικρι προςβολι των κόκκων (Εικόνα 3.22). Ρροκαλείται από προςμίξεισ ςτα ςφνορα των κόκκων, εμπλουτιςμό τουσ ι απογφμνωςθ από κάποιο κραματικό ςτοιχείο όπωσ π.χ. διαφοριςμόσ Fe ςτα ςφνορα των κόκκων Al [18]. Εικόνα 3.22: Ρερικρυςταλλικι διάβρωςθ ςτα ςφνορα των κόκκων ενόσ υλικοφ. * Διάβρωςθ εςοχισ (crevice corrosion). Είναι ζντονθσ εντοπιςμζνθσ μορφισ διάβρωςθ, θ οποία ςυχνά εμφανίηεται ςε προςτατευόμενεσ περιοχζσ τθσ επιφάνειασ του μετάλλου, που εκτίκεται ςτο διαβρωτικό περιβάλλον (Εικόνα 3.23). Θ διάβρωςθ εςοχισ οφείλεται ςτθν αποςτζρθςθ τθσ περιοχισ τθσ εςοχισ από οξυγόνο [18]. Θ αντοχι των διαφόρων υλικϊν ςε διάβρωςθ εςοχισ εξαρτάται από το ςυνδυαςμό υλικοφ και περιβάλλοντοσ. Τα υλικά που πακθτικοποιοφνται, ιδιαίτερα ο ανοξείδωτοσ χάλυβασ, είναι περιςςότερο επιρρεπι ςε διάβρωςθ εςοχισ απ ότι πιο ενεργά υλικά. [15] 26

27 Εικόνα 3.23 : Αςτοχία τθσ προςτατευτικισ επικάλυψθσ ςε βάςθ ςτιριξθσ, θ οποία είχε ωσ αποτζλεςμα, θ διάβρωςθ εςοχισ να εξαπλωκεί μζςα ςτο προςτατευτικό υλικό. * Μθχανικι διάβρωςθ (erosion corrosion). Ορίηεται ωσ θ αφξθςθ του ρυκμοφ καταςτροφισ ενόσ υλικοφ, εξαιτίασ τθσ ςχετικισ κίνθςθσ μεταξφ του διαβρωτικοφ υγροφ και τθσ επιφάνειασ του μετάλλου. Θ κίνθςθ αυτι είναι ςυνικωσ αρκετά γριγορθ και περιλαμβάνει μθχανικι φκορά. Συνικωσ παρατθρείται ςε υλικά που το επιφανειακό ςτρϊμα του οξειδίου, που ςχθματίηεται, δεν παρζχει ικανοποιθτικι προςταςία. Κατά τθν μθχανικι διάβρωςθ το μζταλλο απομακρφνεται με τθ μορφι διαλυμζνων ιόντων ι προϊόντων διάβρωςθσ και κεωρείται ότι περιλαμβάνει τθν επίδραςθ μικρϊν ςωματιδίων, αραιά διαςκορπιςμζνων ςε jet υγροφ, με τθν επιφάνεια του υλικοφ. Χαρακτθριςτικό τθσ μθχανικισ διάβρωςθσ είναι ότι εμφανίηει αυλακϊςεισ, κυματοειδι υφι και ςτρογγυλζσ οπζσ. Ραράγοντεσ που επθρεάηουν τθν μθχανικι διάβρωςθ είναι θ ςχετικι ταχφτθτα μεταξφ διαβρωτικοφ ρευςτοφ και υλικοφ, θ γωνία πρόςκρουςθσ, θ πυκνότθτα των ςωματιδίων ςτο υγρό, θ ςυχνότθτα πρόςκρουςθσ, το ιξϊδεσ του ρευςτοφ κ.α. *18+ Εικόνα 3.24 : Μθχανικι διάβρωςθ ςε χάλκινο ςωλινα. Το μπλε βζλοσ δείχνει το αρχικό πάχοσ του ςωλινα και το κόκκινο το αιςκθτά μειωμζνο πάχοσ του ςωλινα εξαιτίασ τθσ διάβρωςθσ. *27+ 27

28 8. πθλαίωςθ. Ρρόκειται για ειδικι μορφι μθχανικισ διάβρωςθσ, θ οποία προκαλείται από το ςχθματιςμό και τθ καταςτροφι φυςαλίδων ςτο υγρό κοντά ςτθ μεταλλικι επιφάνεια. Οι φυςαλίδεσ ςχθματίηονται εξαιτίασ τθσ μεταβολισ τθσ πίεςθσ κατά μικοσ των επιφανειϊν, που εκτίκενται ςε ρευςτά, τα οποία ρζουν με υψθλι ταχφτθτα *18+. Θ εμφάνιςθ τθσ ςπθλαιϊδουσ διάβρωςθσ μοιάηει με αυτι τθσ τρθματικισ, εκτόσ από το γεγονόσ ότι θ επιφάνεια τθσ τρθματικισ διάβρωςθσ είναι τραχιά και τα τριματα ςχετικά κοντά. Στο παρακάτω ςχιμα παρουςιάηεται ο μθχανιςμόσ τθσ ςπθλαιϊδουσ διάβρωςθσ. Στθν αρχι ςχθματίηεται θ φυςαλίδα ςτθν επιφάνεια του προςτατευτικοφ φιλμ του υλικοφ, θ οποία ςε δεφτερθ φάςθ καταρρζει και καταςτρζφει το φιλμ. Στθ ςυνζχεια διαβρϊνεται θ νζα επιφάνεια, που ςχθματίηεται και ςιγά - ςιγά «επουλϊνεται» και το επιφανειακό φιλμ. Θ διαδικαςία επαναλαμβάνεται από τθν αρχι. [18] Εικόνα 3.25 : Μθχανιςμόσ ςπθλαιϊδουσ διάβρωςθσ. [18] 9. Εκλεκτικι διάβρωςθ (selective leaching). Συμβαίνει όταν ζνα υλικό αποτελείται από διαφορετικά ςυςτατικά, τα οποία διαβρϊνονται διαφορετικά το ζνα ςε ςχζςθ με το άλλο. Χαρακτθριςτικό παράδειγμα είναι θ εκλεκτικι απομάκρυνςθ του ψευδαργφρου από ζνα κράμα 30%Zn 70% Cu (ορείχαλκοσ), θ οποία ζχει ωσ αποτζλεςμα τθν αλλαγι του χρϊματοσ από το κιτρινωπό του ορείχαλκου ςτο κοκκινωπό του χαλκοφ (Εικόνα 3.26). [17] Εικόνα 3.26 : Αποψευδαργυροποίθςθ ορείχαλκου με εκλεκτικι διάβρωςθ. *28+ 28

29 10. Διάβρωςθ με τριβι. Εμφανίηεται ςε ςθμεία επαφισ εξαρτθμάτων και ςε πολφ μικρζσ ςχετικζσ μετατοπίςεισ (τάξθ μεγζκουσ μικρόμετρου). Επειδι πρακτικά οι επιφάνειεσ δεν είναι ποτζ λείεσ, θ επαφι τουσ πραγματοποιείται ςτισ κορυφζσ των ανωμαλιϊν τουσ. Επομζνωσ θ ςχετικι μετατόπιςθ των δφο επιφανειϊν προκαλεί φκορά των άκρων των επιφανειακϊν ανωμαλιϊν και κατ επζκταςθ κραφςθ του προςτατευτικοφ ςτρϊματοσ οξειδίου, γεγονόσ που επιταχφνει τθ διάβρωςθ. [11] 11. Δυναμοδιάβρωςθ ι εργοδιάβρωςθ (stress corrosion). Αναφζρεται ςε ρωγματϊςεισ, που προκαλοφνται από τθν ταυτόχρονθ παρουςία εφελκυςτικισ τάςθσ και διαβρωτικοφ περιβάλλοντοσ. Κατά τθ διάρκεια τθσ δυναμοδιάβρωςθσ το υλικό επιφανειακά εμφανίηεται ανζπαφο, ενϊ λεπτζσ ρωγμζσ αναπτφςςονται ςε αυτό (Εικόνα 3.27). Οι ρωγμζσ που αναπτφςςονται, παρ όλο που είναι αποτζλεςμα διάβρωςθσ, παρουςιάηουν χαρακτθριςτικά ψακυρισ κραφςθσ. Οι ρωγμζσ αναπτφςςονται είτε διακρυςταλλικά είτε περικρυςταλλικά και κάκετα ςτθν εφαρμοηόμενθ τάςθ. Μποροφν να εμφανίηουν διακλαδϊςεισ ι να είναι μεμονωμζνεσ αλλά ο βακμόσ διακλάδωςθσ των ρωγμϊν ποικίλει και εξαρτάται από τθ δομι και τθ ςφςταςθ του μετάλλου, κακϊσ επίςθσ και από το περιβάλλον. Ραράγοντεσ που επθρεάηουν τθν δυναμοδιάβρωςθ είναι θ ςφςταςθ και θ δομι του υλικοφ, θ κερμοκραςία, θ ςφςταςθ του περιβάλλοντοσ και θ εφαρμοηόμενθ τάςθ. Μια ειδικι περίπτωςθ τθσ δυναμοδιάβρωςθσ, θ οποία κα αναλυκεί εκτενϊσ ςτθ ςυνζχεια, είναι θ κόπωςθ ςε διαβρωτικό περιβάλλον (corrosion fatigue). [15] Εικόνα 3.27 : Σχθματιςμόσ ρωγμϊν λόγω δυναμοδιάβρωςθσ ςε ανοξείδωτο χάλυβα. [22] Κακϊσ θ διάβρωςθ προςβάλει όλα ςχεδόν τα υλικά, άλλα ςε μεγαλφτερο και άλλα ςε μικρότερο βακμό, ζγινε επιτακτικι θ ανάγκθ για εξεφρεςθ μεκόδων προςταςίασ. Οι πιο ςθμαντικζσ μζκοδοι προςταςίασ από τθ διάβρωςθ είναι οι εξισ: 29

30 Προςτατευτικι επικάλυψθ. Είναι θ πιο παλιά μζκοδοσ για τθν προςταςία ενόσ μετάλλου από τθ διάβρωςθ. Τα πιο απλά υλικά που μποροφν να χρθςιμοποιθκοφν είναι οργανικά, όπωσ τα χρϊματα ι το γράςο. Ωςτόςο ζχουν το μειονζκτθμα ότι φεφγουν εφκολα από τθν επιφάνεια του υλικοφ, ειδικότερα ςε περιβάλλον αυξθμζνθσ κερμοκραςίασ. Για το λόγο αυτό πολλζσ φορζσ χρθςιμοποιοφνται για επικάλυψθ μζταλλα, όπωσ ο ψευδάργυροσ, ο καςςίτεροσ, ο χαλκόσ, το νικζλιο και ο άργυροσ. Ο γαλβανιςμόσ είναι μια μζκοδοσ επικάλυψθσ με ψευδάργυρο κατά τθν οποία το υλικό, είτε ςαν ςφρμα είτε ςαν φφλλο, περνάει μζςα από λιωμζνο ψευδάργυρο. Στουσ γαλβανιςμζνουσ χάλυβεσ, ακόμα και αν θ επικάλυψθ δεν είναι πλιρθσ, το ςτοιχείο χάλυβασ-ψευδάργυροσ που εμφανίηεται ςτο θλεκτρολυτικό περιβάλλον ζχει τον ψευδάργυρο ϊσ άνοδο (είναι πριν από το ςίδθρο ςτθν θλεκτροχθμικι ςειρά) και επομζνωσ αυτόσ είναι που διαβρϊνεται. Αντίκετα, μια κάλυψθ από καςςίτερο προςτατεφει τον χάλυβα, μόνον όταν είναι πλιρθσ, γιατί διαφορετικά ςτο ςτοιχείο που δθμιουργείται ο χάλυβασ είναι θ άνοδοσ. *17+ Προςταςία με δράςθ επί του διαβρωτικοφ περιβάλλοντοσ. Επιτυγχάνεται με μείωςθ τθσ οξειδωτικισ ικανότθτασ του θλεκτρολφτθ, κακϊσ επίςθσ και με τθ προςκικθ αναςτολζων τθσ διάβρωςθσ ι προςκικθ πακθτικοποιθτϊν ςτο ςφςτθμα. [11] Κακοδικι προςταςία με επιβολι εξωτερικοφ ρεφματοσ. Σε αυτι τθν περίπτωςθ χρθςιμοποιείται ζνα βοθκθτικό αδρανζσ θλεκτρόδιο, το οποίο είναι ςυνδεδεμζνο ςε μια πθγι ςυνεχοφσ ρεφματοσ, ζτςι ϊςτε να λειτουργεί ωσ άνοδοσ και το προςτατευόμενο μζταλλο ςυνδζεται ζτςι ϊςτε να λειτουργεί ωσ κάκοδοσ. [15] Κακοδικι προςταςία με δθμιουργία γαλβανικοφ ηεφγουσ. Το υλικό που χρθςιμοποιείται πρζπει να είναι πιο ανοδικό, από το υλικό που πρόκειται να προςτατευκεί. Τα δφο υλικά ζρχονται ςε θλεκτρονικι και θλεκτρολυτικι επαφι, ζτςι ϊςτε να δθμιουργείται γαλβανικό ηεφγοσ, με κάκοδο το υλικό με το πιο θλεκτροκετικό δυναμικό (προςτατευόμενο υλικό) και άνοδο το υλικό με το πιο θλεκτροαρνθτικό δυναμικό (κυςιαηόμενθ άνοδοσ). Με άλλα λόγια χρθςιμοποιείται θ αρχι τθσ γαλβανικισ διάβρωςθσ για τον ζλεγχο τθσ διάβρωςθσ. [15] Ανοδικι προςταςία. Θ βαςικι αρχι διαφζρει ςε αυτι τθ περίπτωςθ από τθν κακοδικι προςταςία, κακϊσ εδϊ θ τιμι του δυναμικοφ διάβρωςθσ αυξάνεται, ϊςτε να εμπεριζχεται ςτθν περιοχι τθσ πακθτικοποίθςθσ. Θ μζκοδοσ αυτι ςυνεπϊσ μπορεί να εφαρμοςτεί μόνο ςτα μζταλλα, που πακθτικοποιοφνται. Θ ανοδικι προςταςία μπορεί να διαςφαλιςτεί διατθρϊντασ, με τθν βοικεια ενόσ ποτενςιοςτάτθ, ςτακερό το δυναμικό ιςορροπίασ μεταξφ τθσ καταςκευισ που προςτατεφεται και ενόσ θλεκτροδίου αναφοράσ. [11] 30

31 3.6 Κόπωςθ ςε διαβρωτικό περιβάλλον Σε προθγοφμενο κεφάλαιο αναλφκθκε διεξοδικά ο μθχανιςμόσ τθσ κόπωςθσ. Μια μορφι δυναμοδιάβρωςθσ, κατά τθν οποία τα μζταλλα αςτοχοφν από τον ςυνδυαςμό τθσ εφαρμογισ επαναλαμβανόμενων μθχανικϊν τάςεων και επίδραςθσ διαβρωτικοφ περιβάλλοντοσ, ονομάηεται διάβρωςθ με κόπωςθ (corrosion fatigue). Για ζνα μζταλλο θ αντοχι ςε κόπωςθ μειϊνεται λόγω ενδεχόμενθσ φπαρξθσ διαβρωτικοφ περιβάλλοντοσ (Εικόνα 3.28). Αυτοφ του είδουσ θ διάβρωςθ ςυναντάται ςυχνά ςε μεταλλικά ςτοιχεία αντλιϊν, ςε ςωλινεσ εναλλακτϊν κερμότθτασ, ςε πτερφγια ατμοςτροβίλων, ςε τροχοφσ αεροςκαφϊν κ.λ.π. [18] Εικόνα 3.28 : Καμπφλεσ S-N για διαφορετικζσ ςυνκικεσ διαβρωτικοφ περιβάλλοντοσ. [18] Τα κυριότερα χαρακτθριςτικά τθσ διάβρωςθσ με κόπωςθ είναι τα εξισ [18]: Στθ διάβρωςθ με κόπωςθ υπάρχουν προϊόντα διάβρωςθσ ςτθ ρωγμι και ςτθν επιφάνεια κραφςθσ Στθν απλι κόπωςθ υπάρχει ςυνικωσ μία μόνο ρωγμι. Αντίκετα ςτθ διάβρωςθ με κόπωςθ εμφανίηονται ςυνικωσ περιςςότερεσ από μία ρωγμζσ, οι οποίεσ διαδίδονται διακρυςταλλικά Οι ρωγμζσ κινοφνται παράλλθλα μεταξφ τουσ και ευκυγραμμίηονται κάκετα ςτθν διεφκυνςθ τθσ κφριασ τάςθσ Οι ρωγμζσ ςυνικωσ ξεκινοφν από ςθμεία αςυνζχειασ τθσ επιφάνειασ (π.χ. μικρζσ οπζσ), όπου υπάρχει ςθμαντικι ςυγκζντρωςθ τάςεων, όπωσ άλλωςτε και γενικά ςε ςθμεία απότομθσ μεταβολισ διαςτάςεων. 31

32 Θ κόπωςθ ςε διαβρωτικό περιβάλλον εξαρτάται άμεςα από τθν ςυχνότθτα τθσ κυκλικισ φόρτιςθσ, κάτι που δεν ςυμβαίνει ςτθν απλι κόπωςθ. Συγκεκριμζνα, είναι πιο ζντονθ ςε χαμθλζσ ςυχνότθτεσ, αφοφ αυξάνει ο χρόνοσ επαφισ μετάλλουδιαβρωτικοφ περιβάλλοντοσ. Ρεριβαλλοντικοί παράγοντεσ, που επθρεάηουν τθν κόπωςθ με διάβρωςθ, είναι [18]: Θ κερμοκραςία. Θ κερμοκραςία επθρεάηει το ρυκμό διάβρωςθσ των ρωγμϊν και ωσ εκ τοφτου τθ διάβρωςθ με κόπωςθ. Θ αφξθςθ τθσ κερμοκραςίασ του περιβάλλοντοσ οδθγεί ςτθν αφξθςθ του ρυκμοφ μεταφοράσ των ενεργϊν ςτοιχείων (ςτοιχεία που ςυντελοφν ςτο φαινόμενο τθσ διάβρωςθσ) ςτισ άκρεσ των ρωγμϊν. Ζτςι, θ διάδοςθ των ρωγμϊν επιταχφνεται οπότε θ διάρκεια ηωισ του μεταλλικοφ υλικοφ μειϊνεται. Θ ςυχνότθτα των εναλλαςόμενων φορτίςεων. Στθν απλι κόπωςθ θ επίδραςθ τθσ ςυχνότθτασ των εναλλαςςόμενων φορτίςεων είναι ςχεδόν αμελθτζα ςτθν αντοχι του υλικοφ ςε κόπωςθ. Αυτό είναι πολφ ςθμαντικό διότι τα διάφορα πειράματα κόπωςθσ μποροφν να διεξαχκοφν ςε υψθλζσ ςυχνότθτεσ φόρτιςθσ, ϊςτε να μειωκεί θ διάρκεια ηωισ του προσ εξζταςθ υλικοφ και ωσ εκ τοφτου θ διάρκεια διεξαγωγισ του πειράματοσ. Αντίκετα θ αντοχι ςε διάβρωςθ με κόπωςθ επθρεάηεται ςθμαντικά από τθ ςυχνότθτα των εναλλαςςόμενων φορτίςεων. Θ διάβρωςθ με κόπωςθ είναι πιο ζντονθ ςε χαμθλζσ ςυχνότθτεσ επειδι ο χρόνοσ παραμονισ ενόσ μεταλλικοφ ςτοιχείου ςτο διαβρωτικό περιβάλλον αυξάνει. Ζτςι, θ διεξαγωγι των όποιων πειραμάτων διάβρωςθσ με κόπωςθ πρζπει να γίνεται ςε ςυνκικεσ τζτοιεσ, που να προςομοιϊνουν όςο το δυνατόν καλφτερα τισ πραγματικζσ περιβαλλοντικζσ ςυνκικεσ. Το ph του διαλφματοσ εντόσ του οποίου βρίςκεται το μεταλλικό ςτοιχείο. Θ μείωςθ του ph του διαβρωτικοφ περιβάλλοντοσ αυξάνει τθν χθμικι δραςτικότθτά του, με αποτζλεςμα να μειϊνει τθν αντίςταςθ ενόσ μεταλλικοφ ςτοιχείου ςε διάβρωςθ και ειδικότερα ςε διάβρωςθ με κόπωςθ. Θ ςφςταςθ του διαλφματοσ εντόσ του οποίου βρίςκεται το μεταλλικό ςτοιχείο. Θ ςφςταςθ του περιβάλλοντοσ είναι ςθμαντικόσ παράγοντασ ςτθν εξζλιξθ του φαινομζνου τθσ διάβρωςθσ με κόπωςθ. Χαρακτθριςτικό παράδειγμα τθσ επίδραςθσ τθσ ςφςταςθσ του περιβάλλοντοσ ςτθν αντοχι ςε διάβρωςθ με κόπωςθ αποτελεί ο ωςτενιτικόσ ανοξείδωτοσ χάλυβασ, ο οποίοσ ςε καλαςςινό νερό διατθρεί μόνο το 70% με 80% τθσ αντοχισ ςε διάβρωςθ με κόπωςθ, ςε ςχζςθ με όταν βρίςκεται ςε κακαρό νερό. Πςον αφορά τθν προςταςία των υλικϊν από τθν κόπωςθ με διάβρωςθ, μπορεί να επιτευχκεί με πολλοφσ τρόπουσ. Συγκεκριμζνα, θ αντοχι ςε διάβρωςθ με κόπωςθ μπορεί να αυξθκεί με τθν εφαρμογι-δθμιουργία κλιπτικϊν τάςεων ςτθν επιφάνεια ενόσ ςτοιχείου (π.χ. με αμμοβολι ι με ςφυρθλαςία). Επιπλζον, θ χριςθ επικαλφψεων που γίνονται με θλεκτρικι εναπόκεςθ, όπωσ οι επικαλφψεισ ψευδαργφρου ι καδμίου, φαίνεται να προςφζρουν ςθμαντικι αντοχι ςε διάβρωςθ 32

33 με κόπωςθ. Αυτό ςυμβαίνει διότι εκτόσ του ότι χρθςιμεφουν ςαν κυςιαηόμενεσ άνοδοι (κακοδικι προςταςία), ταυτόχρονα δθμιουργοφνται κλιπτικζσ επιφανειακζσ τάςεισ κατά τθν διαδικαςία τθσ θλεκτρικισ εναπόκεςθσ. Ραράλλθλα θ χριςθ υλικϊν που είναι ανκεκτικά ςτθ διάβρωςθ με κόπωςθ, όπωσ θ προςκικθ Ni ςε ανοξείδωτο χάλυβα, κακϊσ και θ προςκικθ αναχαιτιςτϊν ςτο διαβρωτικό περιβάλλον είναι επίςθσ ςθμαντικζσ μζκοδοι προςταςίασ που εφαρμόηονται. Τζλοσ, θ κατάλλθλθ ςχεδίαςθ των μεταλλικϊν ςτοιχείων με τζτοιο τρόπο (π.χ. όχι απότομεσ μεταβολζσ ςτισ διαςτάςεισ, αποφυγι απότομων γωνιϊν, κ.λ.π.), ϊςτε να αποφεφγεται θ ςθμαντικι ςυςςϊρευςθ τάςεων ςε ςθμεία ςτθν επιφάνεια αυτϊν, μπορεί να βοθκιςει ςε μεγάλο βακμό ςτθν αποτελεςματικι προςταςία από το φαινόμενο τθσ κόπωςθσ με διάβρωςθ. * Μθχανιςμόσ τθσ κόπωςθσ με διάβρωςθ [29] Το φαινόμενο τθσ κόπωςθσ με διάβρωςθ, όπωσ αναφζρκθκε και ςτο προθγοφμενο κεφάλαιο, επθρεάηεται από πολλοφσ διαφορετικοφσ παράγοντεσ. Επειδι όμωσ κατά το φαινόμενο αυτό ςχθματίηονται ςτα υλικά ρωγμζσ με υψθλοφσ ρυκμοφσ, είναι αναγκαίο να αναλυκεί ο μθχανιςμόσ, που οδθγεί ςε αυτζσ. Κατά καιροφσ πολλοί μθχανιςμοί ζχουν προτακεί, προκειμζνου να εξθγιςουν τθν ανάπτυξθ των ρωγμϊν. Ο γενικευμζνοσ μθχανιςμόσ ρωγμάτωςθσ ςτθν διάβρωςθ με κόπωςθ περιλαμβάνει τθν ξεχωριςτι ι από κοινοφ εμφάνιςθ ρωγμάτωςθσ λόγω υδρογόνου ι/και ανοδικισ διάλυςθσ τθσ κορυφισ τθσ ρωγμισ. Θ ψακυροποίθςθ του υδρογόνου αποτελείται από τουσ εξισ μθχανιςμοφσ: Λφςθ τθσ ςυνοχισ (decohession) Ρίεςθ (pressure) Ρροςρόφθςθ (adsorption) Ραραμόρφωςθ (deformation) Ψακυρό υδρίδιο (brittle hydride) Θ ανοδικι διάλυςθ αποτελείται από τουσ εξισ τζςςερισ μθχανιςμοφσ: Ολίςκθςθ διάλυςθ (slip dissolution) Διάρρθξθ ψακυροφ φιλμ (brittle film rupture) Διάβρωςθ ςιραγγασ (corrosion tunneling) Εκλεκτικι διάβρωςθ (selective dissolution) Θ ψακυροποίθςθ του υδρογόνου και θ ανοδικι διάλυςθ, είναι δφο διαδικαςίεσ αλλθλοεξαρτϊμενεσ και μποροφν να ενεργοφν ταυτόχρονα ι διαδοχικά ςτθν κορυφι των ρωγμϊν. Ρολλοί επιςτιμονεσ ωςτόςο, υποςτθρίηουν ότι οι δφο διαδικαςίεσ είναι ανταγωνιςτικζσ και ςυνεπϊσ μόνο μία από αυτζσ ζχει μεγάλθ ςυμμετοχι ςτθν ρωγμάτωςθ, ενϊ θ άλλθ μπορεί κεωρθτικά να αγνοθκεί. Με βάςθ αυτό το ςενάριο, κα ιταν χριςιμο να ερευνθκεί ποια από τισ δφο είναι θ γρθγορότερθ. Στθ ςυνζχεια κα αναλυκοφν ςυνοπτικά οι παραπάνω διεργαςίεσ 33

34 διάδοςθσ των ρωγμϊν ςτθν κόπωςθ με διάβρωςθ, κακϊσ και ζνασ ακόμα μθχανιςμόσ που ζχει προτακεί για τθν εξιγθςθ του προβλιματοσ. I. Ρωγμάτωςθ υποβοθκοφμενθ από υδρογόνο (hydrogen-assisted cracking) Στθ διάβρωςθ με κόπωςθ, υδρογόνο είτε ςε μορφι πρωτονίου είτε ατομικό, παράγεται από τθν αντίδραςθ διαφόρων περιβαλλοντικϊν ςυςτατικϊν, όπωσ αζριο υδρογόνο, υδρατμοφσ, νερό και οφτω κακεξισ, με το πρόςφατα ρωγματωμζνο υλικό ςτθν κορυφι τθσ ρωγμισ. Αυτό το υδρογόνο απορροφάται από τθ μεταλλικι επιφάνεια και ςτθ ςυνζχεια μεταφζρεται με μθχανιςμοφσ διάχυςθσ και εξάρμοςθσ ςτθν περιοχι με υψθλζσ τάςεισ (πλαςτικι περιοχι) ςτθν κεφαλι τθσ ρωγμισ, όπου προκαλεί εντοπιςμζνθ βλάβθ και αυξάνει τον ρυκμό ανάπτυξθσ τθσ ρωγμισ λόγω κόπωςθσ. Οι διαδικαςίεσ ι ςτάδια που φαίνονται ςτθν Εικόνα 3.29 είναι διαδοχικζσ, και ο ρυκμόσ διάβρωςθσ και ανάπτυξθσ ρωγμϊν κόπωςθσ ελζγχεται από τθν πιο αργι διαδικαςία ςε αυτι τθν αλλθλουχία. Εικόνα 3.29 : Διαδοχικζσ διεργαςίεσ που πραγματοποιοφνται κατα τθ ρωγμάτωςθ ςτθν κόπωςθ με διάβρωςθ κραμάτων κάτω από διαφορετικζσ ςυνκικεσ. Αξίηει να ςθμειωκεί ότι, εξαιτίασ τθσ πολυπλοκότθτασ του φαινομζνου τθσ κόπωςθσ με διάβρωςθ, δεν είναι δυνατι θ φπαρξθ ενόσ ενοποιθμζνου μθχανιςμοφ, που κα καλφπτει όλουσ τουσ ςυνδυαςμοφσ κραμάτων και ςυνκθκϊν περιβάλλοντοσ. Αντικζτωσ, ο μθχανιςμόσ ρωγμάτωςθσ, βοθκοφμενοσ από υδρογόνο, μπορεί να διαφζρει ανάλογα με το είδοσ του κράματοσ και το υπάρχον περιβάλλον. Μερικοί 34

35 διαφοροποιθμζνοι μθχανιςμοί ρωγμάτωςθσ, βοθκοφμενοι από υδρογόνο, παρουςιάηονται παρακάτω. Μθχανιςμόσ πίεςθσ Ρολλζσ από τισ πρϊτεσ παρατθριςεισ ψακυροποίθςθσ υδρογόνου ςυνδζκθκαν με τον ςχθματιςμό φυςαλίδων αερίου υδρογόνου υψθλισ πίεςθσ ςε εςωτερικά κενά και μικρορωγμζσ. Αυτζσ οι φυςαλίδεσ μπορεί να ςχθματιςτοφν όταν το κράμα εκτίκεται ςε περιβάλλον, όπου υπάρχει παρουςία υδρογόνου ςε υψθλι πίεςθ. Ατομικό υδρογόνο ςχθματίηεται λόγω αντιδράςεων ςτθν επιφάνεια του μετάλλου και ςτθ ςυνζχεια διαχζεται ςε ανομοιογζνειεσ τθσ μικροδομισ ςτθν κορυφι τθσ ρωγμισ, όπωσ κενά και μικρορωγμζσ. Στθ ςυνζχεια επαναςυνδζεται ςτθ μοριακι του μορφι και δθμιουργεί πολφ υψθλι εςωτερικι πίεςθ, που μπορεί να φτάςει και τισ 105 atm ςε ςυνκικεσ κακοδικισ φόρτιςθσ. Με εξαίρεςθ το περιβάλλον υψθλισ πτθτικότθτασ υδρογόνου, ο μθχανιςμόσ πίεςθσ δεν είναι γενικά επαρκισ για να εξθγιςει το φαινόμενο των κραμάτων, που υφίςτανται ρωγμζσ ςε λιγότερο ακραία περιβάλλοντα (πιο ςυνθκιςμζνθ θ διάβρωςθ των μθχανικϊν κραμάτων). Για παράδειγμα, υψθλισ αντοχισ ςιδθροφχα κράματα εμφανίηουν ςθμαντικά υψθλότερoυσ ρυκμοφσ ανάπτυξθσ ρωγμϊν κόπωςθσ διάβρωςθσ ςε αζρια περιβάλλοντα υδρογόνου με πίεςθ ςθμαντικά μικρότερθ από 1 atm, ςε ςφγκριςθ με εκείνα που λαμβάνονται υπό κενό. Αυτζσ οι παρατθριςεισ υποδεικνφουν ότι, από κερμοδυναμικι κεϊρθςθ, θ πίεςθ υδρογόνου, που αναπτφςςεται ςε εςωτερικά κενά ςτθν περιοχι κοντά ςτθ κορυφι τθσ ρωγμισ, δεν πρζπει να υπερβαίνει τθν εξωτερικι πίεςθ υδρογόνου του 1 atm. Επομζνωσ, κα ιταν δφςκολο να ςυμβιβαςτοφν αυτά τα αποτελζςματα με τον κλαςικό μθχανιςμό πίεςθσ. Μθχανιςμόσ λφςθσ τθσ ςυνοχισ του πλζγματοσ Ο μθχανιςμόσ λφςθσ τθσ ςυνοχισ του πλζγματοσ υποκζτει ότι το υδρογόνο όντασ διαλυμζνο, μειϊνει τισ ςυνεκτικζσ δυνάμεισ δεςμϊν μεταξφ των ατόμων του μετάλλου. H ανάπτυξθ ρωγμϊν ςυμβαίνει όταν θ τοπικι εφελκυςτικι τάςθ ςτθν περιοχι τθσ κορυφισ τθσ ρωγμισ υπερβαίνει τθν εξαςκενθμζνθ από το υδρογόνο ενδοατομικι ςυνεκτικι αντοχι. Ζχει επίςθσ προτακεί, ότι το υδρογόνο μεταναςτεφει ςε περιοχζσ μζγιςτων τάςεων με τθ βοικεια μθχανιςμϊν διάχυςθσ και το μζγεκοσ τθσ μείωςθσ τθσ ςυνεκτικισ δφναμθσ εξαρτάται από τθν τοπικι ςυγκζντρωςθ υδρογόνου. Μθχανιςμόσ επιφανειακισ προςρόφθςθσ Ο μθχανιςμόσ επιφανειακισ προςρόφθςθσ προτείνει ότι, ιςχυρά προςροφθμζνο υδρογόνο ςτθν επιφάνεια, χρθςιμεφει ςτο να μειϊςει τθν επιφανειακι ενζργεια του μετάλλου και - αν υιοκετθκεί θ κλαςικι κεωρία των κριτθρίων Griffith για τθ διάδοςθ ρωγμϊν - διευκολφνει τθν επζκταςθ των ρωγμϊν και αυξάνει τον ρυκμό ανάπτυξισ τουσ. Ο μθχανιςμόσ επιφανειακισ προςρόφθςθσ και ο μθχανιςμόσ λφςθσ τθσ ςυνοχισ του 35

36 πλζγματοσ ςυνδζονται ςτενά μεταξφ τουσ. Ενϊ ο μθχανιςμόσ προςρόφθςθσ υποδθλϊνει, ότι προςροφθμζνο υδρογόνο μειϊνει τθν επιφανειακι ενζργεια, που απαιτείται για τθν επζκταςθ τθσ ρωγμισ, ο μθχανιςμόσ λφςθσ τθσ ςυνοχισ του πλζγματοσ προτείνει, ότι το υδρογόνο μειϊνει τθν ατομικι ςυνδετικι αντοχι ςτθ κορυφι τθσ ρωγμισ. Τα τελικά αποτελζςματα αυτϊν των δφο μθχανιςμϊν είναι τα ίδια, ωσ προσ το γεγονόσ ότι θ κρίςιμθ κινθτιρια δφναμθ ςτθν κορυφι τθσ ρωγμισ, που απαιτείται για τθν ανάπτυξι τθσ, μειϊνεται με τθν παρουςία υδρογόνου. Ο μθχανιςμόσ τθσ επιφανειακισ προςρόφθςθσ ωςτόςο, υςτερεί ςε πολλά ςθμεία. Μία από τισ ςθμαντικζσ ελλείψεισ αυτοφ του μθχανιςμοφ βρίςκεται ςτθν γενικά μεγάλθ ποςότθτα ενζργειασ πλαςτικισ παραμόρφωςθσ που ςυνοδεφει τθν ανάπτυξθ ρωγμϊν. Θ ενζργεια πλαςτικισ παραμόρφωςθσ είναι ςυνικωσ πολφ μεγαλφτερθ από τθ ςχετικά μικρότερθ ενζργεια επιφανείασ (περίπου 1000 προσ 1). Ζτςι, ακόμθ και μια μεγάλθ μείωςθ ςτθν ενζργεια επιφανείασ, λόγω τθσ προςρόφθςθσ υδρογόνου, δεν κα ζπρεπε να επθρεάηει ςθμαντικά τθν τάςθ κραφςθσ. Μια άλλθ διαφορά είναι ότι άλλα περιβαλλοντικά ςτοιχεία, όπωσ το οξυγόνο και το άηωτο, επίςθσ προςροφϊνται ςτισ μεταλλικζσ επιφάνειεσ και ζχουν τθ δυνατότθτα να μειϊςουν τθν επιφανειακι ενζργεια ςε μεγαλφτερο βακμό από ό,τι το υδρογόνο. Ωςτόςο, οφτε το οξυγόνο οφτε το άηωτο επιταχφνουν τον ρυκμό ανάπτυξθσ ρωγμϊν, όπωσ το υδρογόνο. Τδριδικόσ μθχανιςμόσ Είναι γνωςτό ότι πολλά μζταλλα, που είναι επιρρεπι ςε ρωγματϊςεισ, υποβοθκοφμενεσ από το περιβάλλον, ςχθματίηουν ςτακερά ι μεταςτακι υδρίδια. Αυτά τα υδρίδια είναι ςυνικωσ ψακυρά και ςε ςυςτιματα κράματοσ-περιβάλλοντοσ, ςτα οποία θ κατακριμνιςθ υδριδίων είναι δυνατι, θ διάδοςθ τθσ ρωγμισ υποβοθκάται είτε από ρωγμάτωςθ διαμζςω των υδριδίων είτε κατά μικοσ τθσ διεπαφισ υδριδίου-μεταλλικοφ πλζγματοσ. Λόγω τθσ διαςτολισ όγκου, που λαμβάνει χϊρα κατά τον ςχθματιςμό των μεταλλικϊν υδριδίων, υψθλι εφελκυςτικι τάςθ ςτθν περιοχι τθσ κορυφισ τθσ ρωγμισ κα προιγε το ςχθματιςμό υποβοθκοφμενων από υδρίδια τάςεων. Σε κράματα που ςχθματίηουν ςτακερά υδρίδια, ο ςχθματιςμόσ υδριδίου είναι ζνασ εφλογοσ μθχανιςμόσ για τθ διάβρωςθ και ρωγμάτωςθ λόγω κόπωςθσ. Σε κράματα που ςχθματίηουν ι τα ίδια είναι μεταςτακι υδρίδια, όπωσ AlH, ι αςτακι υδρίδια, όπωσ FeH, τα αποδεικτικά ςτοιχεία, που ςυνδζουν τα υδρίδια άμεςα με τισ ςχθματιηόμενεσ ρωγμζσ, λείπουν και κατά ςυνζπεια θ υιοκζτθςθ του υδριδικοφ μθχανιςμοφ ςε αυτά τα κράματα είναι αμφιςβθτιςιμθ. Μθχανιςμόσ ενίςχυςθσ τθσ πλαςτικότθτασ λόγω υδρογόνου Σε αντίκεςθ με τουσ προθγοφμενουσ μθχανιςμοφσ ρωγμισ, υποβοθκοφμενουσ από υδρογόνο, που υποδεικνφουν ότι το υδρογόνο ψακυροποιεί το υλικό και ζτςι μειϊνει τθν κινθτιρια δφναμθ, που απαιτείται για τθν επζκταςθ τθσ ρωγμισ, ο υδρογονο-ενιςχυμζνοσ πλαςτικόσ 36

37 μθχανιςμόσ προτείνει, ότι το υδρογόνο βοθκά τισ διαδικαςίεσ τθσ πλαςτικισ ροισ κάνοντασ τισ εξαρμόςεισ να μετακινοφνται ςε μειωμζνεσ τάςεισ ι μειϊνοντασ τθν δθμιουργία εξαρμόςεων ςτθ κορυφι τθσ ρωγμισ. Αυτόσ ο μθχανιςμόσ ζχει λάβει κάποια πειραματικι υποςτιριξθ πρόςφατα από το γεγονόσ ότι, χρθςιμοποιϊντασ προθγμζνα θλεκτρονικά μικροςκόπια, φαίνεται το υδρογόνο να ενιςχφει τθν κινθτικότθτα των εξορμόςεων ςτο νικζλιο μζςω μείωςθσ τθσ ενκαλπίασ ενεργοποίθςισ τουσ. II. Ανοδικι Διάλυςθ Σφμφωνα με αυτό το μθχανιςμό, ο ρυκμόσ διάδοςθσ τθσ ρωγμισ αυξάνεται λόγω ανοδικισ διάλυςθσ κατά μικοσ ευαίςκθτων περιοχϊν, όπωσ όρια κόκκων ι μζταλλα υπό εφελκυςτικι τάςθ ςτθν κορυφι τθσ ρωγμισ, οι οποίεσ είναι ανοδικζσ ςε ςχζςθ με το υπάρχον κρυςταλλικό πλζγμα. Κατά τον ςχθματιςμό ρωγματϊςεων ςτθ κόπωςθ με διάβρωςθ, ο μθχανιςμόσ τθσ ανοδικισ διάλυςθσ εξαρτάται από τθν διάρρθξθ του προςτατευτικοφ φιλμ ςτθν κορυφι τθσ ρωγμισ εξαιτίασ τθσ κόπωςθσ και τθν ακόλουκθ επαναπακθτικοποίθςθ του προςφάτωσ εκτεκειμζνου μετάλλου. Ο ρυκμόσ ανάπτυξθσ τθσ ρωγμισ εξαρτάται από τον ρυκμό ανοδικισ διάλυςθσ του γυμνοφ μετάλλου ςτθν κορυφι τθσ ρωγμισ, το ρυκμό επαναπακθτικοποίθςθσ, το ρυκμό διάρρθξθσ του οξειδίου, το ρυκμό μεταφοράσ μάηασ αντιδραςτθρίων ςτθν διαλυόμενθ επιφάνεια και τθν ροι διαλυμζνων μεταλλικϊν κατιόντων μακριά από τθν επιφάνεια. Ο ρυκμόσ εκ νζου επαναπακθτικοποίθςθσ είναι κρίςιμοσ παράγοντασ ςτθν όλθ διαδικαςία. Συγκεκριμζνα πρζπει να είναι αρκετά γριγοροσ, ζτςι ϊςτε να αποφευχκεί εκτεταμζνθ διάλυςθ, θ οποία μπορεί να οδθγιςει ςε άμβλυνςθ τθσ κεφαλισ τθσ ρωγμισ και ςχθματιςμό τρθμάτων, αντί για αιχμθρι κορυφι και κατευκυνόμενθ διάδοςθ ρωγμισ αλλά ταυτόχρονα και αρκετά αργόσ, ϊςτε να επιτρζπει ςθμαντικι διάλυςθ ςτθν κορυφι τθσ ρωγμισ. Θ δυναμικι φφςθ των διαδικαςιϊν ανοδικισ διάλυςθσ και εκ νζου πακθτικοποίθςθσ απεικονίηεται ςτθν Εικόνα Κατά τθν διαδικαςία τθσ κόπωςθσ, ζνα βιμα ολίςκθςθσ ςχθματίηεται ςτθν άκρθ τθσ ρωγμισ και προκαλεί ριξθ τθσ προςτατευτικισ επιφάνειασ τθσ μεμβράνθσ (Εικ. 2Β). Θ νζα επιφάνεια αντιδρά με το περιβάλλον και εν μζρει διαλφεται μζχρι θ περιοχι τθσ κορυφισ τθσ ρωγμισ εκ νζου να πακθτικοποιείκεί εντελϊσ και θ επιφάνεια τθσ προςτατευτικισ μεμβράνθσ να επιδιορκωκεί (Εικ. 2C και 2D). Οι διαδικαςίεσ αυτζσ επαναλαμβάνονται, όταν ζνα νζο βιμα ολίςκθςθσ εκ νζου προκαλζςει ριξθ τθσ προςτατευτικισ μεμβράνθσ και εκκζςει περιςςότερθ γυμνι επιφάνεια. 37

38 Εικόνα 3.30 : Αλλθλουχία γεγονότων, που πραγματοποιοφνται ςτθν κορυφι τθσ ρωγμισ, κατά τθν ανοδικι διάλυςθ. Θ ανοδικι διάλυςθ μπορεί να μειωκεί ι να ελεγχκεί με κακοδικζσ μεκόδουσ προςταςίασ, οι οποίεσ ςυνικωσ χρθςιμοποιοφνται για τθν αφξθςθ τθσ αντοχισ κραμάτων ςε ρωγματϊςεισ υπό καλάςςια περιβάλλοντα. Αυτό το φαινόμενο είναι ςυνεπζσ με το μθχανιςμό ανοδικισ διάλυςθσ, ωσ προσ το ότι υποδθλϊνει μια ανοδικι μζκοδο ελζγχου τθσ ρωγμάτωςθσ. Θ κακοδικι προςταςία κα μειϊςει το ρυκμό ανάπτυξθσ ρωγμϊν, με τθν προϊκθςθ εκ νζου πακθτικοποίθςθσ, τθ μείωςθ του ρυκμοφ διάλυςθσ και διευκολφνοντασ τθν επιςκευι τθσ μεμβράνθσ. Ενϊ ο μθχανιςμόσ ανοδικισ διάλυςθσ χρθςιμοποιείται ςυχνά για να εξθγιςει το ςχθματιςμό ρωγματϊςεων λόγω κόπωςθσ διάβρωςθσ κραμάτων, που εκτίκενται ςε δθλθτθριϊδθ υδατικά περιβάλλοντα, είναι δφςκολο να εφαρμοςκεί αυτόσ ο μθχανιςμόσ ςτθ διαβρωτικι κόπωςθ κραμάτων ςε αζρια περιβάλλοντα (όπωσ υδρατμοφσ, υδρογόνο, ι κειοφχο υδρογόνο) ι ςε απαεριωμζνο απεςταγμζνο νερό, όπου θ θλεκτροχθμικι αντίδραςθ, θ οποία είναι απαραίτθτθ για τθ διάλυςθ ςτο άκρο ρωγμισ είναι ανζφικτθ. Επίςθσ, το φαινόμενο τθσ μερικισ αναςτρεψιμότθτασ λόγω προθγοφμενθσ ζκκεςθσ ςε κερμικι επεξεργαςία δεν είναι ςφμφωνο με το μθχανιςμό τθσ ανοδικισ διάλυςθσ. Θ ανοδικι διάλυςθ επίςθσ αποτυγχάνει να εξθγιςει διάφορεσ φαινομενολογικζσ παρατθριςεισ, ειδικά τα κραυςτογραφικά χαρακτθριςτικά των χαλφβων. Σε αυτι τθ περίπτωςθ οι μθχανιςμοί 38

39 ψακυροποίθςθσ υδρογόνου ζχουν το πλεονζκτθμα ότι μποροφν να εξθγιςουν τα κραυςτογραφικά χαρακτθριςτικά αλλά είναι δφςκολο να ποςοτικοποιθκεί θ επίδραςθ του υδρογόνου. Μια άλλθ ανθςυχία είναι ότι ο μθχανιςμόσ διάλυςθσ δεν μπορεί να εξθγιςει το όριο τθσ παρατθροφμενθσ ςυμπεριφοράσ και τθν εξάρτθςθ τθσ ςυχνότθτασ ςτον ρυκμό αφξθςθσ των ρωγμϊν κόπωςθσ ςε χάλυβεσ, χωρίσ να επικαλείται μια ιςχυρι ανταγωνιςτικι διαδικαςία. Για χαμθλζσ αναλογίεσ φορτίου R (από 0,1 ζωσ 0,2), ζχει αποδειχκεί, ότι πολφ μεγάλεσ κυκλικζσ περίοδοι παράγουν λίγθ ι καμία περιβαλλοντικι βοικεια *30+, ενϊ για πολφ υψθλζσ αναλογίεσ φορτίου R (από 0,8 εϊσ 0.9), το μζγιςτο του ρυκμοφ ανάπτυξθσ επιτυγχάνεται ςε υψθλζσ ςυχνότθτεσ, μζχρι περίπου 10 ι 20 Hz *31+. Από μόνθ τθσ, θ ανοδικι διάλυςθ κα προζβλεπε ςυνεχι αφξθςθ των ρυκμϊν ανάπτυξθσ ςε αυξανόμενεσ κυκλικζσ περιόδουσ. Υποςτθρικτζσ του μθχανιςμοφ διάλυςθσ ςυνικωσ επικαλοφνται φαινόμενα ερπυςμοφ και άμβλυνςθσ ρωγμϊν για να εξθγιςουν το πρόβλθμα τθσ χαμθλισ ςυχνότθτασ. III. Μθχανιςμόσ Μείωςθσ τθσ επιφανειακισ ενζργειασ Αυτόσ ο μθχανιςμόσ είναι παρόμοιοσ με τον μθχανιςμό προςρόφθςθσ επιφάνειασ υδρογόνου, που ςυηθτικθκε προθγουμζνωσ ςτο ότι τα ςτοιχεία (εκτόσ του υδρογόνου), που απορροφϊνται ςτισ επιφάνειεσ, χρθςιμεφουν ςτο να μειϊςουν τθν επιφανειακι ενζργεια, που απαιτείται για το ςχθματιςμό μιασ ρωγμισ και με αυτό το τρόπο να αυξιςουν τουσ διαβρωτικοφσ ρυκμοφσ ανάπτυξθσ ρωγμϊν. Ο μθχανιςμόσ μείωςθσ τθσ επιφανειακισ ενζργειασ είναι επίςθσ δφςκολο να ςυμβιβαςτεί με τα προβλιματα, που εμποδίηουν τθν αποδοχι του μθχανιςμοφ προςρόφθςθσ υδρογόνου Παράγοντεσ που επθρεάηουν τθν κόπωςθ με διάβρωςθ Ρολλοί παράγοντεσ μποροφν να επθρεάςουν τθν ανάπτυξθ ρωγμισ κατά τθ διάβρωςθ κόπωςθσ. Ρολλοί από αυτοφσ τουσ ςθμαντικοφσ παράγοντεσ ζχουν εξεταςτεί και τα αποτελζςματα είναι διακζςιμα ςε πολλζσ ςχετικζσ ζρευνεσ. Οι επιδράςεισ οριςμζνων από αυτοφσ τουσ παράγοντεσ, που ςυμβάλλουν ςτθν ανάπτυξθ τθσ ρωγμισ κατά τθ διάβρωςθ κόπωςθσ, περιγράφονται εν ςυντομία ςτισ ακόλουκεσ παραγράφουσ. Μερικοί από αυτοφσ είναι οι ακόλουκοι: 39

40 A. Μθχανικοί παράγοντεσ Συχνότθτα καταπόνθςθσ Λόγοσ καταπονιςεων R Κυματομορφι των καταπονιςεων Εναπομζνουςεσ τάςεισ Αλλθλεπίδραςθ μεταξφ των φορτίων Μζγιςτοσ ςυντελεςτισ ζνταςθσ τάςθσ K max και εφροσ ςυντελεςτι ζνταςθσ τάςθσ ΔΚ B. Γεωμετρικοί παράγοντεσ Μζγεκοσ ρωγμισ Γεωμετρία ρωγμισ Ράχοσ δοκιμίου Γ. Μεταλλουργικοί παράγοντεσ Σφςταςθ του κράματοσ Μικροδομι και κρυςταλλικι δομι Σχιμα και μζγεκοσ των κόκκων Τφποσ παραμόρφωςθσ Θερμικι κατεργαςία Δομι των ορίων των κόκκων Κατανομι κραματικϊν ςτοιχείων και ακακαρςιϊν Μθχανικζσ ιδιότθτεσ Δ. Ρεριβαλλοντικοί παράγοντεσ Τφποσ του περιβάλλοντοσ (υγρό ι αζριο) Θερμοκραςία ph Ιξϊδεσ του περιβάλλοντοσ Θλεκτροχθμικό δυναμικό Συγκζντρωςθ του ηθμιογόνου αερίου ςε υδατικό ι άλλο υγρό περιβάλλον Μερικι πίεςθ του ηθμιογόνου αερίου ςε αζριο περιβάλλον Ραρακάτω αναλφονται οι ςθμαντικότεροι από αυτοφσ τουσ παράγοντεσ: υχνότθτα καταπόνθςθσ. Ο ρυκμόσ ανάπτυξθσ τθσ ρωγμισ (da/dn) επθρεάηεται ςθμαντικά από τθ ςυχνότθτα καταπόνθςθσ. Συγκεκριμζνα, θ επίδραςθ του περιβάλλοντοσ είναι εντονότερθ ςε χαμθλζσ ςυχνότθτεσ απ ότι ςε υψθλζσ (Εικόνα 3.31). Επιπλζον διάφορα πειράματα ζχουν δείξει, ότι ςτθν περίπτωςθ του χάλυβα AISI 4340 θ ςχζςθ ανάμεςα ςτον αυξανόμενο ρυκμό ανάπτυξθσ τθσ ρωγμισ και ςτθν περίοδο φόρτιςθσ είναι γραμμικι (Εικόνα 3.32). Σε χαμθλζσ ςυχνότθτεσ, όπου θ επίδραςθ του περιβάλλοντοσ είναι ςθμαντικι, θ διαδρομι τθσ κραφςθσ του χάλυβα ςε υδρατμοφσ είναι περικρυςταλλικι, όπωσ ακριβϊσ είναι και θ κραφςθ 40

41 υπό ςτακερό φορτίο ςε νερό ι υδρογόνο. Αντίκετα, ςε υψθλζσ ςυχνότθτεσ θ διαδρομι τθσ κραφςθσ είναι διακρυςταλλικι, παρόμοια με τθ μορφι τθσ κραφςθσ κάτω από ςυνκικεσ κόπωςθσ. Εικόνα 3.31 : Κινθτικι τθσ ανάπτυξθσ τθσ ρωγμισ λόγω κόπωςθσ ςε κερμοκραςία δωματίου του χάλυβα AISI 4340 ςε ςυνκικεσ παρουςίασ αργοφ και υδρατμϊν (R=0.1). 41

42 Εικόνα 3.32 : Σχζςθ του εξαρτϊμενου από το περιβάλλον παράγοντα ανάπτυξθσ τθσ ρωγμισ C-C 0 ςε ςυνάρτθςθ με τθν κυκλικι περίοδο φόρτιςθσ S για AISI χάλυβα ςε κερμοκραςία δωματίου μζςα ςε υδρατμοφσ. Τα κράματα τιτανίου, ςτθν περίπτωςθ τθσ κόπωςθσ με διάβρωςθ, παρουςιάηουν μία αςυνικιςτθ εξάρτθςθ από τθ ςυχνότθτα κατά τθν ανάπτυξθ τθσ ρωγμισ ςε περιβάλλοντα με καλαςςινό νερό. Αυτι θ εξάρτθςθ τθσ ςυχνότθτασ απεικονίηεται ςτθν Εικόνα 3.33 από τα δεδομζνα του κράματοσ Ti-6Al-4V μζςα ςε διάλυμα χλωριοφχου νατρίου (NaCl) 0.6M. Οι ρυκμοί ανάπτυξθσ των ρωγμϊν αυξικθκαν με τθν μείωςθ τθσ ςυχνότθτασ και ζφταςε ςε ζνα μζγιςτο που εξαρτιόταν από το ΔΚ. Στθ ςυνζχεια μειϊκθκαν ςε ρυκμοφσ που είναι ςυγκρίςιμοι με εκείνουσ που παρατθρικθκαν ςε κενό ι άλλα αδρανι περιβάλλοντα. Ρεραιτζρω αναλφςεισ, κατζδειξαν ότι ςε υψθλότερεσ ςυχνότθτεσ, ο ρυκμόσ ανάπτυξθσ των ρωγμϊν λόγω διάβρωςθσ κόπωςθσ, ιταν αντιςτρόφωσ ανάλογοσ προσ τθ τετραγωνικι ρίηα τθσ ςυχνότθτασ. Αυτι θ εξάρτθςθ ςε ςυνδυαςμό με τθν επιφανειακι αντιδραςτικότθτα του τιτανίου, είναι ςφμφωνθ με τθν ελεγχόμενθ λόγω διάχυςθσ υδρογόνου ανάπτυξθ τθσ ρωγμισ και ουςιαςτικά προτείνει ζναν υδριδικό μθχανιςμό. 42

43 Εικόνα 3.33 : Επίδραςθ τθσ ςυχνότθτασ ςτον ρυκμό ανάπτυξθσ τθσ ρωγμισ κράματοσ Ti-6Al-4V εκτεκειμζνου ςε διάλυμα 0,6Μ NaCl ςε κερμοκραςία δωματίου (R=0,1). Επίδραςθ του περιβάλλοντοσ (πίεςθ υδρατμϊν). Ο ρυκμόσ ανάπτυξθσ τθσ ρωγμισ επθρεάηεται ςτθν περίπτωςθ αερίου παράγοντα από τθν μερικι του πίεςθ. Μάλιςτα ζχει αποδειχτεί ότι ςε κράμα αλουμινίου υπό τθ παρουςία υδρατμϊν νεροφ, ο ρυκμόσ ανάπτυξθσ δεν επθρεάηεται από τουσ υδρατμοφσ μζχρι κάποια ςυγκεκριμζνθ τιμι οριακισ πίεςθσ. Ρζρα από αυτι τθν τιμι, αυξάνει εκκετικά και φτάνει ςε μία μζγιςτθ τιμι μζςα ςε μία τάξθ μεγζκουσ από τθν οριακι αυτι τιμι. 43

44 Εικόνα 3.34 : Επίδραςθ τθσ πίεςθσ υδρατμϊν ςτον ρυκμό ανάπτυξθσ ρωγμϊν για κράμα αλουμινίου ςε κερμοκραςία δωματίου. Επίδραςθ του μεγζκουσ των κόκκων. Θ επίδραςθ του μεγζκουσ των κόκκων ςτον ρυκμό ανάπτυξθσ των ρωγμϊν ενόσ κράματοσ εξαρτάται από τον τφπο κραφςθσ του ςυγκεκριμζνου κράματοσ ςτο περιβάλλον. Σε ζνα ευνοϊκό περιβάλλον, όπωσ για παράδειγμα ςτο κενό, θ ρωγμι τθσ κόπωςθσ διαδίδεται περικρυςταλλικά, επομζνωσ μεγαλφτερο μζγεκοσ κόκκων ζχει ωσ αποτζλεςμα τθν εμφάνιςθ μικρότερων ταχυτιτων διάδοςθσ τθσ ρωγμισ. Σε επικετικά περιβάλλοντα, αν θ διάδοςθ τθσ ρωγμισ είναι περικρυςταλλικι, τότε οι μεγαλφτεροι κόκκοι κα οδθγιςουν και ςε αυτι τθ περίπτωςθ ςε μικρότερθ ταχφτθτα διάδοςθσ τθσ ρωγμισ, ενϊ αντίκετα, αν είναι διακρυςταλλικι, όπωσ για παράδειγμα ςε κράμα Al-5.7Zn- 2.5Mg-1.5Cu ςε αλατόνερο και ςε χαμθλά ΔΚ, το μζγεκοσ των κόκκων δεν κα ζχει ςχεδόν καμία επίδραςθ ςτθν ταχφτθτα διάδοςθσ τθσ ρωγμισ (Εικόνα 3.35). 44

45 Εικόνα 3.35 : Επίδραςθ του μεγζκουσ των κόκκων ςτον ρυκμό ανάπτυξθσ τθσ ρωγμισ κράματοσ Al- 5.7Zn-2.5Mg-1.5Cu ςε κενό και ςε διάλυμα 3.5% NaCl. Επίδραςθ του λόγου καταπονιςεων. Θ επίδραςθ του λόγου καταπονιςεων ςτον ρυκμό ανάπτυξθσ τθσ ρωγμισ εξαρτάται, τόςο από το κράμα, όςο και από το περιβάλλον. Γενικά, ιςχφει ότι μεγαλφτεροι λόγοι καταπονιςεων οδθγοφν ςε μεγαλφτερουσ ρυκμοφσ ανάπτυξθσ ρωγμϊν. Επίδραςθ τθσ κυματομορφισ. Ενϊ θ κυματομορφι κυκλικισ καταπόνθςθσ ζχει μικρι επίδραςθ ςτον ρυκμό αφξθςθσ τθσ ρωγμισ κόπωςθσ ςε ευνοϊκά περιβάλλοντα, τα διακζςιμα ςτοιχεία δείχνουν ότι το ακριβϊσ αντίκετο ςυμβαίνει ςε επικετικά περιβάλλοντα. Αυτι θ επίδραςθ τθσ κυματομορφισ απεικονίηεται ςτισ Εικόνεσ 3.36 και 3.37 για χάλυβα 15Ni-5Cr-3Mo παρουςία αζρα και διαλφματοσ 3% NaCl αντίςτοιχα. Συγκεκριμζνα ςε περιβάλλον αζρα το είδοσ τθσ κυματομορφισ ζχει μθδενικι επίδραςθ ςτθν ταχφτθτα ρωγμάτωςθσ. Σε περιβάλλον διαλφματοσ NaCl, τετράγωνεσ και αρνθτικά πριονωτζσ κυματομορφζσ, οι οποίεσ ζχουν πολφ μικρό χρόνο ανόδου φορτίου, οδθγοφν ςε ρυκμοφσ ανάπτυξθσ ρωγμισ παρόμοιουσ με αυτοφσ ςτον αζρα, ενϊ τριγωνικζσ, θμιτονοειδείσ και πριονωτζσ κυματομορφζσ οδθγοφν ςε ρυκμοφσ ρωγμάτωςθσ τριπλάςιουσ ςε ςχζςθ με τισ άλλεσ κυματομορφζσ ςτο ίδιο διάλυμα και ςτον αζρα. 45

46 Εικόνα 3.36 : Επίδραςθ κυματομορφισ ςτον ρυκμό ανάπτυξθσ τθσ ρωγμισ χάλυβα 15Ni-5Cr-3Mo ςτον αζρα. Εικόνα 3.37 : Επίδραςθ κυματομορφισ ςτον ρυκμό ανάπτυξθσ τθσ ρωγμισ χάλυβα 15Ni-5Cr-3Mo ςε διάλυμα 3% NaCl. 46

47 Αξίηει να ςθμειωκεί, ότι επικρατεί ολοζνα και περιςςότερο θ άποψθ, ότι θ περιβαλλοντικι ενίςχυςθ τθσ ανάπτυξθσ τθσ ρωγμισ ςε κόπωςθ, προκαλείται κυρίωσ από τθν αλλθλεπίδραςθ μεταξφ του περιβάλλοντοσ και του χάλυβα κατά τθν περίοδο ανόδου φορτίου ςε κάκε κφκλο φόρτιςθσ. Πςο μεγαλφτερθ είναι θ περίοδοσ αυτι, τόςο μεγαλφτερθ κα είναι και θ επίδραςθ του επικετικοφ περιβάλλοντοσ. Επίδραςθ τθσ κερμοκραςίασ. Θ κερμοκραςία ζχει τθ δυνατότθτα να επθρεάηει τον ρυκμό ανάπτυξθσ τθσ ρωγμισ, αφοφ αποτελεί και τον βαςικό παράγοντα, που επθρεάηει και τισ αντιδράςεισ του περιβάλλοντοσ με τθν μεταλλικι επιφάνεια του υλικοφ. Σε πολλά ςυςτιματα, ο ρυκμόσ ανάπτυξθσ των ρωγμϊν αυξάνει με τθν αφξθςθ τθσ κερμοκραςίασ. Αυτι θ διαδικαςία ρωγμάτωςθσ ενεργοποιείται κερμικά. Εάν μπορεί να μετρθκεί θ ενζργεια ενεργοποίθςθσ τθσ ρωγμάτωςθσ, τότε είναι δυνατόν να προςδιοριςτεί και ο ίδιοσ ο μθχανιςμόσ. Ζνα παράδειγμα τθσ επίδραςθσ τθσ κερμοκραςίασ φαίνεται ςτθν Εικόνα 3.38 για ωςτενιτικό χάλυβα (ςφςταςθ wt%: 0.27C-0.43Mn-0.09Si-11.95Cr-1.90Mo-7.96Ni) ςε αποςταγμζνο νερό. Ππωσ φαίνεται και ςτο ςχιμα, κακϊσ αυξικθκε θ κερμοκραςία, αυξικθκε παράλλθλα και ο ρυκμόσ ανάπτυξθσ τθσ ρωγμισ. Εικόνα 3.38 : Επίδραςθ τθσ κερμοκραςίασ ςτον ρυκμό ανάπτυξθσ των ρωγμϊν ωςτενιτικοφ χάλυβα ςε απιονιςμζνο νερό. 47

48 3.7 Δοκίμια τφπου C-Ring Τα δοκίμια που χρθςιμοποιοφνται ςε μια πειραματικι διαδικαςία, παίηουν ςθμαντικό ρόλο ςτθν ςωςτι αξιολόγθςθ των αποτελεςμάτων. Για αυτό το λόγο τα δοκίμια ακολουκοφν ςυγκεκριμζνα πρότυπα καταςκευισ, προκειμζνου να μπορεί εφκολα να γίνει ςφγκριςθ των αποτελεςμάτων, κακϊσ το πείραμα επαναλαμβάνεται. Στθν παροφςα πειραματικι διαδικαςία, χρθςιμοποιικθκαν δοκίμια ςχιματοσ C (C-Rings), τα οποία καταςκευάςτθκαν ςφμφωνα με το πρότυπο τθσ ASTM G Ρροκειμζνου να προςδιοριςτεί ποςοτικά θ ευαιςκθςία ςε εργοδιάβρωςθ όλων των τφπων κραμάτων, χρθςιμοποιοφνται τα C-Rings, κυρίωσ επειδι είναι ευζλικτα αλλά και οικονομικά. Καταςκευάηονται από υλικά με τζτοιο προςανατολιςμό και από τζτοια περιοχι, ζτςι ϊςτε να αντιπροςωπεφουν ικανοποιθτικά το υλικό, που είναι προσ εξζταςθ. Συγκεκριμζνα, αν εξετάηονται περιοχζσ με κόκκουσ, που ζχουν ςυγκεκριμζνθ κατεφκυνςθ, κα πρζπει τα C-Rings να είναι καταςκευαςμζνα ζτςι, ϊςτε θ διεφκυνςθ τθσ κφριασ τάςθσ (παράλλθλα ςτον κοχλία εφαρμογισ τθσ τάςθσ) να είναι και θ διεφκυνςθ με τθν ελάχιςτθ αντοχι ςε εργοδιάβρωςθ. Θ ςυνικθσ μζκοδοσ φόρτιςθσ είναι μζςω ςτακερισ παραμόρφωςθσ (με χριςθ κοχλία και περικοχλίου), με εφελκυςτικζσ τάςεισ να αςκοφνται ςτο εξωτερικό του δαχτυλιδιοφ. Τα δοκίμια όμωσ μποροφν να υποβλθκοφν και ςε ςτακερό φορτίο (με χριςθ κοχλία και περικοχλίου και ελατθρίου) ι ςε ςτακερι παραμόρφωςθ, με τισ εφελκυςτικζσ τάςεισ ςτο εςωτερικό του δαχτυλιδιοφ. Επιπλζον μποροφν να χρθςιμοποιθκοφν δοκίμια με ι χωρίσ εγκοπι ςτο ςθμείο μζγιςτθσ τάςθσ. Στθν Εικόνα 3.39 φαίνονται οι διάφοροι δυνατοί τρόποι φόρτιςθσ των δοκιμίων τφπου C- Ring. Εικόνα 3.39 : Διάφοροι δυνατοί τρόποι φόρτιςθσ δοκιμίων τφπου C-Ring. (a) με ςτακερι παραμόρφωςθ, (b) ςτακερό φορτίο, (c) ςτακερι παραμόρφωςθ μζςω άςκθςθσ τάςθσ εςωτερικά του δαχτυλιδιοφ και (d) ςε δοκίμια με εγκοπι ςτο ςθμείο μζγιςτθσ τάςθσ. 48

49 Θ μορφολογία των δοκιμίων τφπου C-Ring είναι τζτοια, ϊςτε να μθν υπάρχει ομοιομορφία μεταξφ των τάςεων. Αρχικά υπάρχει κλίςθ τάςεων κατά μικοσ του πάχουσ, με τισ μζγιςτεσ εφελκυςτικζσ τάςεισ ςτθν εξωτερικι πλευρά και τισ μζγιςτεσ κλιπτικζσ ςτθν εςωτερικι. Ταυτόχρονα, θ τάςθ μεταβάλλεται από μθδζν ςτισ οπζσ ςυγκράτθςθσ ζωσ τθν μζγιςτθ τιμι τθσ, θ οποία είναι και θ ονομαςτικι τιμι, ςτθν ευκεία που βρίςκεται ςτθν μζγιςτθ απόςταςθ από αυτζσ. Ανάλογα με τισ διαςτάςεισ του C-Ring θ τάςθ μπορεί να διαφζρει ακόμθ και πάνω ςτθ ςυγκεκριμζνθ ευκεία. Γενικότερα, οι μζγιςτεσ εφελκυςτικζσ τάςεισ βρίςκονται ςτα άκρα τθσ εξωτερικισ επιφάνειασ όταν θ φόρτιςθ προζρχεται από το εξωτερικό του δαχτυλιδιοφ και προκαλεί ςτακερι παραμόρφωςθ (Εικόνα 3.39). Ρριν τθν καταςκευι των δοκιμίων, είναι απαραίτθτο, να παρκοφν διάφορα προλθπτικά μζτρα για τθν αποφυγι πρακτικϊν, που υπερκερμαίνουν, παραμορφϊνουν πλαςτικά ι αναπτφςςουν εναπομείναςεσ τάςεισ ςτθ μεταλλικι επιφάνεια. Θ κατεργαςία κα πρζπει να γίνει ςε πολλά βιματα, ϊςτε θ τελικι κοπι να αποτελείται από φινίριςμα ζωσ 0,7μm. Τα κατάλλθλα ςτάδια κατεργαςίασ και τα είδθ εργαλείων, που απαιτοφνται για τθν καταςκευι των δοκιμίων, εξαρτϊνται, τόςο από το κράμα, όςο και από τθν κερμικι κατεργαςία, που αυτά ζχουν υποςτεί. Επιπλζον, κατεργαςίεσ που μποροφν να προκαλζςουν ροι μετάλλου, όπωσ για παράδειγμα θ γλφφανςθ και θ μθχανικι ςτίλβωςθ, κα πρζπει να αποφεφγονται για να μθν επθρεάηονται τα αποτελζςματα των πειραμάτων από ελαττωματικζσ καταςκευαςτικζσ λεπτομζρειεσ. Κατά τθ πραγματοποίθςθ δοκιμϊν διάβρωςθσ, απαιτείται πολφ υψθλι ποιότθτα επιφάνειασ του δοκιμίου. Διάφοροι χθμικοί ι θλεκτροχθμικοί παράγοντεσ χρθςιμοποιοφνται για τθν απομάκρυνςθ τυχόν κερμικά επθρεαςμζνου ςτρϊματοσ ι παραμορφϊςεων κατά τθν κατεργαςία. Επίςθσ, κα πρζπει να διατθρθκεί θ ακεραιότθτα τθσ επιφάνειασ μετά τθν τελικι προετοιμαςία μζςω αποφυγισ του χειριςμοφ με γυμνά χζρια ι τραχείσ χειριςμοφσ, που κα μποροφςαν να βλάψουν τθν επιφάνεια. Τζλοσ, κα πρζπει να δοκεί προςοχι, ϊςτε να μθν επιλεγοφν υλικά, τα οποία κα προςβάλουν επιλεκτικά το υλικό και δεν κα αφινουν κατάλοιπα ςτθν επιφάνεια. 49

50 4. κοπόσ τθσ εργαςίασ Σκοπόσ τθσ παροφςασ εργαςίασ είναι θ μελζτθ τθσ ςυμπεριφοράσ δοκιμίων κράματοσ μνιμθσ ςχιματοσ ςε κόπωςθ και κόπωςθ ςε διαβρωτικό περιβάλλον. Τα δοκίμια που παραλιφκθκαν είναι 22 C-Rings, εκ των οποίων χρθςιμοποιικθκαν τα 7 λόγω μθ αποδεκτϊν αποκλίςεων των μετριςεων ςτθ κζςθ τθσ μζγιςτθσ καταπόνθςθσ. Πλα τα πειράματα πραγματοποιικθκαν ςτο εργαςτιριο Μεταλλογνωςίασ των Μθχανολόγων Μθχανικϊν του Αριςτοτελείου Ρανεπιςτθμίου Θεςςαλονίκθσ ςε ειδικι μθχανι, που καταςκευάςτθκε αποκλειςτικά για τθ μελζτθ πειραμάτων κόπωςθσ. Ωσ διαβρωτικό μζςο, ςτθν περίπτωςθ τθσ κόπωςθσ διάβρωςθσ, χρθςιμοποιικθκε υδατικό διάλυμα χλωριοφχου νατρίου (NaCl) 3,5% w/v ςε απιονιςμζνο νερό. Οι δοκιμζσ κόπωςθσ πραγματοποιικθκαν ςτον αζρα. Δεδομζνου του γεγονότοσ ότι το κράμα μνιμθσ ςχιματοσ είναι ζνα ιδιαίτερο υλικό με πολλζσ εφαρμογζσ ςτθν μθχανικι, τα πειραματικά αποτελζςματα μποροφν να οδθγιςουν ςε χριςιμα ςυμπεράςματα, τόςο για τθν αντοχι ςε κόπωςθ του υλικοφ υπό διαφορετικζσ ςυνκικεσ περιβάλλοντοσ, όςο και για το μθχανιςμό, που οδθγεί ςτθν αςτοχία, μετά από ςυγκεκριμζνουσ κφκλουσ φόρτιςθσ. Τα ςυμπεράςματα αυτά κα βοθκιςουν περαιτζρω ςτθν μελζτθ και ανάπτυξθ υπαρχόντων ι και μελλοντικϊν εφαρμογϊν, βελτιϊνοντασ κατά κφριο λόγο το χρόνο ηωισ και τθ ςυμπεριφορά τουσ. 50

51 5. Εξοπλιςμόσ 5.1 Μθχανι δοκιμϊν κόπωςθσ και κόπωςθσ διάβρωςθσ Θ ςυγκεκριμζνθ μθχανι αποτελεί ιδιοκαταςκευι, θ οποία ζχει ςχεδιαςτεί και καταςκευαςτεί ςτο Εργαςτιριο Μεταλλογωςίασ, με ςκοπό τθ διεξαγωγι πειραμάτων κόπωςθσ και κόπωςθσ διάβρωςθσ (Εικόνα 5.1). Τα ςτοιχεία που τθν αποτελοφν είναι τα εξισ: Σερβοκινθτιρασ Ζκκεντρα τετραγωνικοφ ςχιματοσ Ζμβολο Δοχείο Ζδραςθ Κοχλίασ ρφκμιςθσ Βάςθ ςτιριξθσ Ο ςερβοκινθτιρασ (M o =0,78Nm, I o =2,15A, n N =6800rpm, M N =0,66Nm) προζρχεται από τθν εταιρία FESTO. Τα ζκκεντρα, τα οποία είναι τετραγωνικοφ ςχιματοσ, χρθςιμοποιοφνται για τθν μετατροπι τθσ περιςτροφικισ κίνθςθσ του άξονα του ςερβοκινθτιρα ςε παλινδρομικι του εμβόλου. Σε κάκε περιςτροφι του άξονα, το ζμβολο πραγματοποιεί τζςςερισ κροφςεισ ςτο δοκίμιο. Το δοκίμιο βρίςκεται ςτακεροποιθμζνο μζςω ενόσ μικροφ άξονα, για τθν αποφυγι μετατόπιςισ του, εντόσ δοχείου καταςκευαςμζνου από Plexiglass, μζςα ςτο οποίο τοποκετείται ο περιβαλλοντικόσ παράγοντασ κατά τθ δοκιμι κόπωςθσ διάβρωςθσ. Μζςα ςτο δοχείο βρίςκεται και θ βάςθ τοποκζτθςθσ του δοκιμίου με τον μικρό άξονα, που αναφζρκθκε προθγουμζνωσ. Άλλα ςτοιχεία, που αποτελοφν τθν καταςκευι, είναι θ ζδραςθ ςτθν οποία τοποκετείται το δοχείο, ο κοχλίασ ρφκμιςθσ, που χρθςιμοποιείται για τθν κατακόρυφθ μετακίνθςθ του δοχείου και ςυνεπϊσ για τθ ρφκμιςθ τθσ εφαρμοηόμενθσ φόρτιςθσ και τζλοσ θ βάςθ ςτιριξθσ ολόκλθρθσ τθσ καταςκευισ. Το δοχείο με τον διαβρωτικό παράγοντα μπορεί να αποςπάται και να τοποκετείται εφκολα από τθν ιδιοκαταςκευι, ϊςτε να είναι ευκολότεροσ ο κακαριςμόσ του. 51

52 Εικόνα 5.1: Ιδιοκαταςκευι του τμιματοσ Μεταλλογνωςίασ για τθ διεξαγωγι πειραμάτων κόπωςθσ και διάβρωςθσ κόπωςθσ. 5.2 Θλεκτρονικόσ εξοπλιςμόσ Στον θλεκτρονικό εξοπλιςμό περιλαμβάνεται θ κάρτα ςιματοσ, ο ενιςχυτισ, θ τροφοδοςία και ο θλεκτρονικόσ υπολογιςτισ για τθ λειτουργία του ςερβοκινθτιρα. Μζςω του υπολογιςτι πραγματοποιείται θ ρφκμιςθ και θ παρακολοφκθςθ τθσ αςκοφμενθσ δφναμθσ, κακϊσ επίςθσ και θ καταγραφι, επεξεργαςία και μελζτθ τθσ ςυμπεριφοράσ του δοκιμίου. Το λογιςμικό ελζγχου, παρακολοφκθςθσ και καταγραφισ των δεδομζνων ςτον θλεκτρονικό υπολογιςτι είναι το Wmemoc LabView Signal Express. 52

53 5.3 Ηυγαριά ακριβείασ Θ ηυγαριά ακριβείασ (Εικόνα 5.2) χρθςιμοποιικθκε για τθ μζτρθςθ των ποςοτιτων των αντιδραςτθρίων κατά τθν πραγματοποίθςθ τθσ δοκιμισ κόπωςθσ ςε διαβρωτικό περιβάλλον χλωριοφχου νατρίου (NaCl). Επιπλζον, χρθςιμοποιικθκε για τθν μζτρθςθ των ποςοτιτων αντιδραςτθρίων, που απαιτοφνται για τθν επιτυχι χθμικι προςβολι του δοκιμίου, πριν τθ παρατιρθςθ του τελευταίου ςε οπτικό μικροςκόπιο. Εικόνα 5.2 : Ηυγαριά ακριβείασ που χρθςιμοποιικθκε για τθ μζτρθςθ ποςοτιτων αντιδραςτθρίων 5.4 Οπτικό ςτερεοςκόπιο Ζνα οπτικό ςτερεοςκόπιο τθσ εταιρίασ Leica και το οποίο ανικει ςτο τμιμα Μεταλλογνωςίασ, χρθςιμοποιικθκε επίςθσ κατά τθ μελζτθ των δοκιμίων (Εικόνα 5.3). Το ςτερεοςκόπιο ςυνοδεφεται από κάμερα και είναι ςυνδεδεμζνο με θλεκτρονικό υπολογιςτι μζςω κατάλλθλου προγράμματοσ για τθν παρακολοφκθςθ και αποκικευςθ φωτογραφιϊν. 53

54 Εικόνα 5.3 : Οπτικό ςτερεοςκόπιο Leica, παρόμοιο με αυτό που χρθςιμοποιικθκε για τθ παρατιρθςθ και τθ λιψθ φωτογραφιϊν των δοκιμίων. 5.5 Eξοπλιςμόσ προετοιμαςίασ δοκιμίου για μελζτθ ςτο οπτικό μικροςκόπιο Ο εξοπλιςμόσ αυτόσ περιλαμβάνει μθχανι κοπισ για τθν κοπι δοκιμίου ςτο κατάλλθλο μζγεκοσ για τθν μελζτθ του ςτο μικροςκόπιο, διάταξθ εγκιβωτιςμοφ ςε βακελίτθ, για να γίνει ευκολότεροσ ο χειριςμόσ και θ μελζτθ του δοκιμίου, περιςτρεφόμενοι δίςκοι λείανςθσ, χαρτιά λείανςθσ καρβιδίου του πυριτίου (SiC) και φφαςμα ςτίλβωςθσ με αλουμίνα διαλυμζνθ ςε νερό για τθν λείανςι του. Τζλοσ, ειδικό αντιδραςτιριο χθμικισ προςβολισ, το οποίο παραςκευάςτθκε ςτο Εργαςτιριο Διάβρωςθσ, για τθν προετοιμαςία του δοκιμίου για μελζτθ ςτο οπτικό μικροςκόπιο. 5.6 Οπτικό μικροςκόπιο Εκτόσ από το οπτικό ςτερεοςκόπιο χρθςιμοποιικθκε και οπτικό μικροςκόπιο, επίςθσ τθσ εταιρείασ Leica του εργαςτθρίου Μεταλλογνωςίασ (Εικόνα 5.4). Το 54

55 μικροςκόπιο ςυνοδεφεται από κάμερα και θλεκτρονικό υπολογιςτι με κατάλλθλο λογιςμικό για τθν μελζτθ και παρακολοφκθςθ τθσ μικροδομισ των δοκιμίων κακϊσ επίςθσ και για τθν αποκικευςθ φωτογραφιϊν. Εικόνα 5.4 : Οπτικό μικροςκόπιο Leica για τθ μελζτθ τθσ μικροδομισ και τθ λιψθ φωτογραφιϊν των δοκιμίων. 5.7 Αντιδραςτιρια Για τθν δοκιμι κόπωςθσ ςε διαβρωτικό περιβάλλον χρθςιμοποιικθκε απιονιςμζνο H 2 O και υδατικό διάλυμα 2,5% w/v NaCl. Για τθ χθμικι προςβολι χρθςιμοποιικθκε υδροφκόριο (HF), νιτρικό οξφ (HNO 3 ) και αικανικό οξφ (CH 3 COOH). 55

56 5.8 Μζτρα προςταςίασ Κατά τθν εκτζλεςθ των πειραμάτων και ειδικότερα κατά τθν χθμικι προςβολι ςτθν οποία εφαρμόςτθκαν δυνθτικά επικίνδυνα αντιδραςτιρια (κυρίωσ λόγω τθσ χριςθσ υδροφκορίου), λιφκθκαν όλα τα απαραίτθτα μζτρα προςταςίασ τα οποία περιλαμβάνουν: Ζλεγχο του εργαςτθριακοφ περιβάλλοντοσ πριν τθν πραγματοποίθςθ του πειράματοσ Ρροςτατευτικά γάντια Ρροςτατευτικι μάςκα Ρροςτατευτικι ποδιά Χριςθ απαγωγοφ ανακυμιάςεων κατα τθν πραγματοποίθςθ τθσ χθμικισ προςβολισ Ρυροςβεςτιρασ Κίτ πρϊτων βοθκειϊν 56

57 Πάχος (μm) 6. Πειραματικι διαδικαςία 6.1 υνκικεσ πειράματοσ Πλα τα πειράματα πραγματοποιικθκαν ςτον Εργαςτιριο Μεταλλογνωςίασ του τμιματοσ Μθχανολόγων Μθχανικϊν τθσ Ρολυτεχνικισ Σχολισ του Α.Ρ.Θ. Οι ςυνκικεσ, ζγινε προςπάκεια, να διατθρθκοφν όςο το δυνατόν ςτακερζσ και κοντά ςτθ κερμοκραςία δωματίου των 25 C, χωρίσ ωςτόςο να αποκλείονται μικρζσ διακυμάνςεισ, ειδικά ςτθν ατμοςφαιρικι υγραςία, θ οποία μπορεί να ζχει ςθμαντικι επίδραςθ ςτα αποτελζςματα των δοκιμϊν κόπωςθσ ςτον αζρα. 6.2 Μορφι και επεξεργαςία δοκιμίων Πλα τα δοκίμια ζχουν τθ μορφι δαχτυλιδιϊν ςχιματοσ C (C-Rings), καταςκευαςμζνων ςφμφωνα με το πρότυπο ASTM G38-01, που αναλφκθκε διεξοδικά ςτο κεφάλαιο 3.7. Συνολικά παραλιφκθκαν 22 δοκίμια, εκ των οποίων χρθςιμοποιικθκαν τα 7, διότι εμφανίςτθκαν αποκλίςεισ ςτο πάχοσ οριςμζνων από αυτά, ειδικά ςτθ περιοχι όπου εμφανίηεται θ μζγιςτθ τάςθ και αναμζνεται θ ζναρξθ τθσ ρωγμισ. Στον παρακάτω Ρίνακα παρουςιάηονται οι μετριςεισ του πάχουσ των δοκιμίων. Θ ονομαςτικι διάςταςθ του πάχουσ των δοκιμίων είναι 150μm. Οι μετριςεισ ζγιναν με οπτικό ςτερεοςκόπιο Leica. 200,00 180,00 160,00 140,00 120,00 100,00 80,00 60,00 40,00 20,00 0, Δοκίμιο Πίνακασ 6.1 : Αποκλίςεισ του πάχουσ των δοκιμίων μετά από μετριςεισ ςε οπτικό ςτερεοςκόπιο. 57

58 Πλα τα δοκίμια παραλιφκθκαν μορφοποιθμζνα ςτο τελικό τουσ ςχιμα και επομζνωσ δεν χρειάςτθκαν περαιτζρω κατεργαςίεσ πριν τθ διεξαγωγι των πειραμάτων. 6.3 Πραγματοποίθςθ δοκιμϊν κόπωςθσ και κόπωςθσ διάβρωςθσ Αρχικά το δοκίμιο τοποκετικθκε ςτο δοχείο από Plexiglass και ςτερεϊκθκε ςε μία βάςθ, μζςω ενόσ μικροφ άξονα, που περνά μζςα από τθ οπι του δοκιμίου. Στθ ςυνζχεια το δοχείο τοποκετικθκε με τθ ςειρά του ςτθν πειραματικι διάταξθ, που περιγράφθκε ςτθν παράγραφο 5.1 (Εικόνα 5.1). Με τθ βοικεια του κοχλία ρυκμιηόταν θ απόςταςθ από τον άξονα και θ αςκοφμενθ θμιτονοειδισ φόρτιςθ (kg) φαινόταν μζςω του κατάλλθλου λογιςμικοφ ςτθν οκόνθ του θλεκτρονικοφ υπολογιςτι (Εικόνα 6.2). Ο υπολογιςτισ κατζγραφε τθν ζναρξθ τθσ δοκιμισ, κακϊσ επίςθσ και τθν θμιτονοειδι φόρτιςθ. Τακτικι επίβλεψθ γινόταν ανά διαςτιματα, προκειμζνου να γίνουν διορκϊςεισ ςτο φορτίο, το οποίο ζπρεπε να είναι ςτακερό και ςυχνά μειωνόταν, λόγω πλαςτικισ παραμόρφωςθσ του δοκιμίου. Εικόνα 6.2 : Καταγραφι δεδομζνων με χριςθ κατάλλθλου λογιςμικό ςε θλεκτρονικό υπολογιςτι κατά τθ πραγματοποίθςθ δοκιμϊν κόπωςθσ και κόπωςθσ διάβρωςθσ. 58

59 Σε όλεσ τισ δοκιμζσ ο ςερβοκινθτιρασ λειτουργοφςε με ςτακερι περιςτροφικι ταχφτθτα 750rpm, που αντιςτοιχοφν ςε 12,5 ςτροφζσ το δευτερόλεπτο. Το τετραγωνικό ζκκεντρο μετζτρεπε τισ περιςτροφζσ αυτζσ ςε 50 κροφςεισ το δευτερόλεπτο, ςυχνότθτα δθλαδι ίςθ με 50 Hz. Ο αρικμόσ των κφκλων μζχρι να επζλκει θ αςτοχία μπορεί να εξαχκεί, μετρϊντασ το χρονικό διάςτθμα ςε second, από τθν ζναρξθ μίασ δοκιμισ μζχρι τθν αςτοχία και πολλαπλαςιάηοντάσ το με 50 Hz. Οι δοκιμζσ που πραγματοποιικθκαν ιταν οι εξισ: Δοκιμι κόπωςθσ ςτον αζρα με φορτίο 50, 30, 15 και 10 Kg. Δοκιμι κόπωςθσ με διάβρωςθ ςε υδατικό διάλυμα χλωριοφχου νατρίου (NaCl) 3,5% w/v με φορτίο 15, 10 και 7,5 kg. Τα δοκίμια 1, 2, 7, 10, 11, 13 και 14 χρθςιμοποιικθκαν ςτα πειράματα, ενϊ τα υπόλοιπα απορρίφκθκαν λόγω μεγάλθσ απόκλιςθσ του πάχουσ τουσ από τθν ονομαςτικι τιμι. Τζλοσ ςτο δοκίμιο 7 πραγματοποιικθκε μεταλλογραφικόσ ζλεγχοσ μετά από τθν αςτοχία του για να μελετθκεί θ μικροδομι του. Τα δοκίμια που τοποκετικθκαν μζςα ςτο υδατικό διάλυμα χλωριοφχου νατρίου αμζςωσ μετά τθν κραφςθ τουσ και τθν ολοκλιρωςθ τθσ εκάςτοτε δοκιμισ, ξεπλικθκαν πολφ καλά με απιονιςμζνο νερό και ςτθ ςυνζχεια αφαιρζκθκε κάκε υγραςία, προκειμζνου να μθν ςυνεχιςτεί θ διάβρωςθ και υπάρξουν παραπλανθτικά αποτελζςματα. Στο δοκίμιο, ςτο οποίο πραγματοποιικθκε θ εξζταςθ τθσ επιφάνειάσ του με το οπτικό μικροςκόπιο, ζγινε εγκιβωτιςμόσ ςε βακελίτθ για να διευκολυνκεί ςε πρϊτθ φάςθ θ μεταλλογραφικι προετοιμαςία και ςε δεφτερθ φάςθ ο ζλεγχοσ τθσ μικροδομισ. Στθ ςυνζχεια το εγκιβωτιςμζνο δοκίμιο λειάνκθκε ςτθ μία πλευρά του ςε λειαντικι μθχανι, με λειαντικοφσ δίςκουσ SiC 100, 200, 500, 800, 1000 και 1200 κόκκων/cm 2. Ζπειτα ακολοφκθςε θ διαδικαςία τθσ ςτίλβωςθσ με διάλυμα αλουμίνασ (Al2O3), με ςκοπό να επιτευχκεί λεία, κακαρι επιφάνεια για τον μεταλλογραφικό ζλεγχο. Ακολοφκθςε χθμικι προςβολι του με εμβάπτιςθ ςε ειδικό αντιδραςτιριο, που αποτελείτο από υδροφκόριο (HF) 10%w/v, νιτρικό οξφ (HNO 3 ) 18%w/v και αικανικό οξφ (CH 3 COOH) 72%w/v, που παραςκευάςτθκε ςτο εργαςτιριο διάβρωςθσ. Τζλοσ εξετάςτθκε ςε οπτικό μικροςκόπιο Leica ςε μεγεκφνςεισ 50x, 100x, 200x και 500x και καταγράφθκαν οι αντίςτοιχεσ φωτογραφίεσ ςε θλεκτρονικό υπολογιςτι με χριςθ κατάλλθλου λογιςμικοφ. 59

60 Αριθμός κύκλων 7. Αποτελζςματα 7.1 Πειραματικά αποτελζςματα Στον Ρίνακα 7.1 φαίνονται τα αποτελζςματα των δοκιμϊν κόπωςθσ ςε αζρα, ενϊ ςτον Ρίνακα 7.2 φαίνονται τα αποτελζςματα των δοκιμϊν κόπωςθσ ςε διαβρωτικό περιβάλλον χλωριοφχου νατρίου (NaCl) 3,5% w/v. Στισ ςτιλεσ διακρίνονται το φορτίο που αςκικθκε, ο χρόνοσ από τθν αρχι του πειράματοσ μζχρι τθν αςτοχία του εκάςτοτε δοκιμίου και ο αρικμόσ των κφκλων φόρτιςθσ μζχρι να επζλκει θ αςτοχία. Α/Α Δοκιμίου Φόρτιςθ (Kg) Χρόνοσ μζχρι τθν αςτοχία (min) Αρικμόσ κφκλων μζχρι τθν αςτοχία Πίνακασ 7.1 : Αποτελζςματα δοκιμϊν κόπωςθσ ςε αζρα Α/Α Δοκιμίου Φόρτιςθ (Kg) Χρόνοσ μζχρι τθν αςτοχία (min) Αρικμόσ κφκλων μζχρι τθν αςτοχία 11 7, Πίνακασ 7.2 : Αποτελζςματα δοκιμϊν κόπωςθσ ςε διαβρωτικό περιβάλλον NaCl 3% w/v. Στθ ςυνζχεια παρουςιάηονται τα αποτελζςματα διαγραμματικά, κακϊσ επίςθσ και οι καμπφλεσ S-N (Wöelher) για κάκε περίπτωςθ: Αριθμός δοκιμίου Διάγραμμα 7.3 : Αποτελζςματα δοκιμϊν κόπωςθσ ςε αζρα. 60

61 Φόρτιση (Kg) Αριθμός κύκλων Αριθμός δοκιμίου Διάγραμμα 7.4 : Αποτελζςματα δοκιμϊν κόπωςθσ ςε διαβρωτικό περιβάλλον 3,5% NaCl Αριθμός κύκλων Διάγραμμα 7.5 : Καμπφλθ wöhler δοκιμϊν κόπωςθσ ςε αζρα. 61

62 Αριθμός κύκλων Φόρτιση (Kg) Αριθμός κύκλων Διάγραμμα 7.6 : Καμπφλθ wöhler δοκιμϊν κόπωςθσ ςε διαβρωτικό περιβάλλον 3,5% NaCl. Στο διάγραμμα 7.7 γίνεται ςφγκριςθ μεταξφ των διαφορετικϊν διαβρωτικϊν περιβαλλόντων για τθν ίδια φόρτιςθ. Στθ πρϊτθ περίπτωςθ το φορτίο είναι 15Kg και ςτθ δεφτερθ 10Kg ,5% NaCl Αέρας Φόρτιση (Kg) Διάγραμμα 7.7 : Σφγκριςθ των κφκλων κόπωςθσ ςε αζρα και 3,5% NaCl για τθν ίδια φόρτιςθ. 62

63 7.2 Αποτελζςματα μικροςκοπικισ εξζταςθσ Στισ παρακάτω εικόνεσ παρουςιάηεται θ μικροδομι του δοκιμίου 7, που επιλζχκθκε για μελζτθ ςε οπτικό μικροςκόπιο ςε διαφορετικά ςθμεία και μεγεκφνςεισ: Εικόνα 7.8 : Μικροδομι δοκιμίου C-Ring (50x) Εικόνα 7.8 : Μικροδομι δοκιμίου C-Ring (20x και 50x) Στισ φωτογραφίεσ, που ακολουκοφν, γίνεται ταξινόμθςθ ςε ςχζςθ με τθν περιοχι του δοκιμίου, που απεικονίηεται (εξωτερικι ι εςωτερικι πλευρά, κοντά ι μακριά από το ςθμείο τθσ ρωγμισ): 63

64 Εικόνα 7.9 : Μικροδομι δοκιμίου C-Ring (200x) κοντά ςτθ ρωγμι Εικόνα 7.10 : Μικροδομι δοκιμίου C-Ring (200x) κοντά ςτθ ρωγμι και ςτθν εςωτερικι πλευρά. 64

65 Εικόνα 7.11 : Μικροδομι δοκιμίου C-Ring (200x) κοντά ςτθ ρωγμι Εικόνα 7.12 : Μικροδομι δοκιμίου C-Ring (200x) κοντά ςτθ ρωγμι και κεντρικά. 65

66 Εικόνα 7.13 : Μικροδομι δοκιμίου C-Ring (200x) κοντά ςτθ ρωγμι και κεντρικά. Εικόνα 7.14 : Μικροδομι δοκιμίου C-Ring (200x) κοντά ςτθ ρωγμι και ςτθν εςωτερικι πλευρά. 66

67 Εικόνα 7.15 : Μικροδομι δοκιμίου C-Ring (200x) μακριά από τθ ρωγμι και ςτθν εξωτερικι πλευρά. Εικόνα 7.16 : Μικροδομι δοκιμίου C-Ring (200x) κοντά ςτθ ρωγμι και κεντρικά 67

68 Εικόνα 7.17 : Μικροδομι δοκιμίου C-Ring (200x) κοντά ςτθ ρωγμι και ςτθν εξωτερικι πλευρά. Εικόνα 7.18 : Μικροδομι δοκιμίου C-Ring (500x) ςτο κζντρο και ςτθν εξωτερικι πλευρά. 68

69 Εικόνα 7.19 : Μικροδομι δοκιμίου C-Ring (500x) ςτο κζντρο και ςτθν εςωτερικι πλευρά. Εικόνα 7.20 : Μικροδομι δοκιμίου C-Ring (500x) ςτο κζντρο και ςτθν εςωτερικι πλευρά. 69

70 Εικόνα 7.21: Μικροδομι δοκιμίου C-Ring (500x) ςτο κζντρο και ςτθν εςωτερικι πλευρά. Εικόνα 7.22: Μικροδομι δοκιμίου C-Ring (500x) κοντά ςτθ ρωγμι. 70

71 Εικόνα 7.23: Μικροδομι δοκιμίου C-Ring (1000x) ςτο κζντρο και ςτθν εςωτερικι πλευρά. Εικόνα 7.24: Μικροδομι δοκιμίου C-Ring (1000x) ςτο κζντρο και μακριά από τθ ρωγμι. 71

72 Εικόνα 7.25: Μικροδομι δοκιμίου C-Ring (200x) εςωτερικι πλευρά μακριά από τθ ρωγμι. Εικόνα 7.26: Μικροδομι δοκιμίου C-Ring (500x) εςωτερικι πλευρά μακριά από τθ ρωγμι. 72

73 Εικόνα 7.27: Μικροδομι δοκιμίου C-Ring (500x) εςωτερικι πλευρά μακριά από τθ ρωγμι. 73