Πειραματικό μελϋτη και υπολογιςτικό προςομούωςη τησ επύδραςησ τησ βλϊβησ διϊβρωςησ ςτη ςυμπεριφορϊ εφελκυςμού του αεροπορικού κρϊματοσ αλουμινύου 2024

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΗΜΙΟ ΠΑΣΡΩΝ ΠΟΛΤΣΕΧΝΙΚΗ ΧΟΛΗ ΣΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΚΑΙ ΑΕΡΟΝΑΤΠΗΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΗΡΙΟ ΣΕΦΝΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΑΝΣΟΦΗ ΣΨΝ ΤΛΙΚΨΝ Πειραματικό μελϋτη και υπολογιςτικό προςομούωςη τησ επύδραςησ τησ βλϊβησ διϊβρωςησ ςτη ςυμπεριφορϊ εφελκυςμού του αεροπορικού κρϊματοσ αλουμινύου 2024 ΔΙΔΑΚΣΟΡΙΚΗ ΔΙΑΣΡΙΒΗ Δωροθϋα Δ. ϋτςικα Διπλ. Μηχανολόγοσ & Αεροναυπηγόσ Μηχανικόσ ΠΑΣΡΑ, 2015

2

3 ε όλουσ όςουσ πύςτεψαν ςε μϋνα

4

5 Ευχαριςτύεσ Ολοκληρώνοντασ την παρούςα διδακτορικό διατριβό, θα όθελα να ευχαριςτόςω τουσ ανθρώπουσ που με το δικό τουσ τρόπο με ςτόριξαν ςε όλη αυτόν την πορεύα. Πρωτύςτωσ θα όθελα να εκφρϊςω τισ ευχαριςτύεσ μου ςτον Καθηγητό κ. πύρο Παντελϊκη, επιβλϋποντα τησ διδακτορικόσ διατριβόσ, για την εμπιςτοςύνη του προσ το πρόςωπό μου, την καθημερινό του υποςτόριξη και για τισ επιςτημονικϋσ αλλϊ και τισ ανθρώπινεσ ςυμβουλϋσ του. τη ςυνϋχεια θα όθελα να ευχαριςτόςω ιδιαύτερα τον Καθηγητό κ. Γρηγόρη Φαώδεμενόπουλο, μϋλοσ τησ τριμελούσ ςυμβουλευτικόσ επιτροπόσ, που αν και δεν κατϋςτη δυνατό να παρευρεθεύ ςτην τελικό εξϋταςη, μοιρϊςτηκε αυτϊ τα χρόνια τισ γνώςεισ και την εμπειρύα του με εμϋνα. Επύςησ, θα όθελα να καταθϋςω τισ ευχαριςτύεσ μου ςτον Επύκουρο Καθηγητό κ. Αλϋξη Κερμανύδη, επύςησ μϋλοσ τησ τριμελούσ ςυμβουλευτικόσ μου επιτροπόσ, για τισ χρόςιμεσ ςυμβουλϋσ και την καλοπροαύρετη κριτικό του. Θα όθελα να ευχαριςτόςω τα μϋλη τησ επταμελούσ εξεταςτικόσ επιτροπόσ Καθηγητό κ. Φρόςτο Παπαδόπουλο, Αναπληρώτρια Καθηγότρια κ. Αγγελικό Λεκϊτου και Επύκουρο Καθηγητό κ. Φϊρη Αποςτολόπουλο για το ενδιαφϋρον που επϋδειξαν για την εργαςύα μου και τα θετικϊ ςχόλιϊ τουσ κατϊ τη δημόςια υποςτόριξό τησ. Ιδιαύτερα θα όθελα να εκφρϊςω τισ ευχαριςτύεσ μου ςτον Επύκουρο Καθηγητό κ. Κωνςταντύνο Σςερπϋ, επύςησ μϋλοσ τησ επταμελούσ επιτροπόσ, για την ϋμπρακτη βοόθειϊ του όποτε την εύχα ανϊγκη. Οι ςυμβουλϋσ του Ομότιμου Καθηγητό κ. Θεόδωρου Κερμανύδη και του Αναπληρωτό Καθηγητό κ. Γεωργύου Λαμπϋα όταν πϊντα χρόςιμεσ αυτϊ τα χρόνια, και τουσ ευχαριςτώ γι αυτϋσ. Νιώθω την ανϊγκη να ευχαριςτόςω επύςησ την Δρ. Ελϋνη Καμούτςη για το ενδιαφϋρον που ϋδειξε για την εργαςύα μου και τισ ςυμβουλϋσ τησ. Θα όταν μεγϊλη παρϊλειψη όμωσ αν δεν ευχαριςτούςα ειλικρινϊ την Δρ. Ωννα Ζερβϊκη για τη ςυνεργαςύα μασ, τη ςημαντικό βοόθεια και τισ ςυμβουλϋσ που μου προςϋφερε αυτϊ τα χρόνια. Ψσ μϋλοσ του Εργαςτηρύου Σεχνολογύασ και Αντοχόσ των Τλικών θα όθελα να ευχαριςτόςω όλα τα μϋλη του ΕΣΑΤ που για περύπου πϋντε χρόνια περϊςαμε πολλϋσ ςτιγμϋσ μαζύ. Θα όθελα να εκφρϊςω την ευγνωμοςύνη μου και τισ ευχαριςτύεσ μου ςτον Δρ. Απόςτολο Φϊμο, για τη ςυνεχό του ςυμπαρϊςταςη, την ουςιαςτικό ςυμβολό του ςε αυτό την εργαςύα, την ανεκτύμητη βοόθεια, αλλϊ κυρύωσ για την καθημερινό υποςτόριξό του προσ εμϋνα ςε

6 επαγγελματικό και προςωπικό επύπεδο. τη ςυνϋχεια, θα όθελα να ευχαριςτόςω τον Δρ. Μιχϊλη Παπαδόπουλο για τη ςυνεχό ϋμπρακτη επιςτημονικό και προςωπικό ςτόριξό του από την πρώτη ςτιγμό που ϋγινα μϋλοσ του Εργαςτηρύου, και την καθοδόγηςό του κατϊ την εκπόνηςη τησ Διπλωματικόσ μου εργαςύασ. Ϊνα μεγϊλο ευχαριςτώ ςε όλουσ τουσ ςυνεργϊτεσ μου ςτο ΕΣΑΤ, Αρχοντούλα Κουτςολιϊκου, Βϊλια Ρουμελιώτη, Αγγελικό Φαντϋλη, Νύκο Περόγαμβρο, Βαςύλη Παςιαλό, Δρ. Ιωϊννη Διαμαντϊκο, Δρ. Φρόςτο Κατςιρόπουλο, Δρ. Δημότρη ταματϋλο, Βαγγϋλη Πτωχό, Γιώργο Διαμαντόγιαννη, Κώςτα Υωτόπουλο, Γιϊννη Υλώρο, Αντώνη ταμόπουλο, Ωγγελο Αργυρού, Διονύςη Μαρκϊτο, Αντώνη Κουμπιϊ, Victor Bulungu Watiti, Ηρώ Δρακακϊκη, Βούλα Σζούμα, Φρόςτο Κατςικερό, Γιώτα Πολυδωροπούλου, Marina Vasco, Δρ. Γιώργο Μυλωνϊ, Ελϋνη ωτηροπούλου, κ. Ελϋνη Μοναχογιού, όπωσ επύςησ και τουσ τϋφανο Καρβϋλη και Δημότρη Ντρενογιϊννη για τη ςυνεργαςύα που εύχαμε όλα αυτϊ τα χρόνια. Ιδιαύτερα όμωσ θα όθελα να ευχαριςτόςω τον ςύντροφό μου Δρ. τϋφανο Μπϋλεςη, για τη ςυνεχό ςτόριξη και τη ςυμπαρϊςταςό του ςτισ δύςκολεσ ςτιγμϋσ αλλϊ και για τη χαρϊ που μοιραςτόκαμε ςτισ επιτυχύεσ. Σϋλοσ, το μεγαλύτερο ευχαριςτώ δικαιωματικϊ ανόκει ςτουσ γονεύσ μου, για την κϊθε εύδουσ ςυμπαρϊςταςη και ςτόριξη όλα αυτϊ τα χρόνια, και κυρύωσ για την εμπιςτοςύνη τουσ η οπούα μου δύνει δύναμη και κουρϊγιο ςτην επαγγελματικό και προςωπικό μου πορεύα. Πϊτρα Δωροθϋα ϋτςικα Ιανουϊριοσ 2015

7

8

9 Περιεχόμενα Περιεχόμενα Περύληψη... 1 Αbstract... 3 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 1 ο : ΑΝΣΙΚΕΙΜΕΝΟ ΣΗ ΔΙΑΣΡΙΒΗ Σεχνολογικό πρόβλημα κοπόσ τησ διατριβόσ Ανϊπτυξη τησ διατριβόσ... 9 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 2 ο : ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΥΙΚΗ ΑΝΑΚΟΠΗΗ Μηχανιςμού διϊβρωςησ του κρϊματοσ χηματιςμόσ και κατϊρρευςη του προςτατευτικού φιλμ οξειδύων Ϊναρξη τησ τρημματικόσ διϊβρωςησ Ϊναρξη τησ περικρυςταλλικόσ διϊβρωςησ και εξϋλιξό τησ ςε αποφλούωςη Χαθυροπούηςη του υλικού λόγω προςρόφηςησ υδρογόνου Μϋθοδοι αποτύμηςησ τησ βλϊβησ διϊβρωςησ Επύδραςη τησ διϊβρωςησ ςτην μηχανικό ςυμπεριφορϊ των υλικών υςχϋτιςη τησ βλϊβησ διϊβρωςησ με τη μηχανικό ςυμπεριφορϊ του υλικού και προςομούωςη τησ διϊβρωςησ Διϊβρωςη και φιλοςοφύεσ ςχεδιαςμού ΚΕΥΑΛΑΙΟ 3 ο : ΠΕΙΡΑΜΑΣΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΙΑ Κρϊμα αλουμινύου 2024 Σ Δοκύμια Διεργαςύα διϊβρωςησ αποφλούωςησ Μεταλλογραφικό ανϊλυςη τησ βλϊβησ διϊβρωςησ Μηχανικϋσ δοκιμϋσ εφελκυςμού Φαρακτηριςμόσ των επιφανειών θραύςησ Μηχανικϋσ δοκιμϋσ εφελκυςμού με χρόςη του οπτικού ςυςτόματοσ GOM ARAMIS 5M ΚΕΥΑΛΑΙΟ 4 ο : ΠΕΙΡΑΜΑΣΙΚΑ ΑΠΟΣΕΛΕΜΑΣΑ Μεταλλογραφικό ανϊλυςη Βλϊβη διϊβρωςησ ςτην ϊνω επιφϊνεια Βλϊβη διϊβρωςησ ςτισ παρϊπλευρεσ επιφϊνειεσ υςχϋτιςη τησ βλϊβησ διϊβρωςησ επιταχυνόμενων δοκιμών διϊβρωςησ και πραγματικών διαβρωτικών ςυνθηκών λειτουργύασ... 49

10 Περιεχόμενα 4.2 Μηχανικϋσ δοκιμϋσ εφελκυςμού Ανϊλυςη των επιφανειών θραύςησ Μελϋτη των επιφανειών θραύςησ ςτην ϊνω επιφϊνεια Μελϋτη των επιφανειών θραύςησ ςτην παρϊπλευρη επιφϊνεια Σοπικϋσ παραμορφώςεισ δοκιμύων εφελκυςμού υμπερϊςματα ΚΕΥΑΛΑΙΟ 5 ο : ΠΡΟΟΜΟΙΨΗ ΣΗ ΤΜΠΕΡΙΥΟΡΑ ΕΥΕΛΚΤΜΟΤ ΔΙΑΒΡΨΜΕΝΨΝ ΔΟΚΙΜΙΨΝ Αl 2024 Σ Βαςικϋσ θεωρόςεισ και φυςικό υπόβαθρο Ανϊπτυξη των Αντιπροςωπευτικών Μοναδιαύων Κυψελύδων Γεωμετρύα μοντϋλου πεπεραςμϋνων ςτοιχεύων ςτην μύκρο-κλύμακα Μηχανικό ςυμπεριφορϊ των ςτοιχεύων και διακριτοπούηςη τησ Αντιπροςωπευτικόσ Μοναδιαύασ Κυψελύδασ Υόρτιςη τησ Αντιπροςωπευτικόσ Μοναδιαύασ Κυψελύδασ υμπεριφορϊ ςε εφελκυςμό των ΑΜΚ Ανϊπτυξη των μοντϋλων τησ μϊκρο-κλύμακασ Γεωμετρύα και διακριτοπούηςη Υόρτιςη, ςυνθόκεσ αςτοχύασ και παραδοχϋσ Ειςαγωγό τησ βλϊβησ διϊβρωςησ ςτα μοντϋλα τησ μακροκλύμακασ ΚΕΥΑΛΑΙΟ 6 ο : ΑΠΟΣΕΛΕΜΑΣΑ Επύδραςη τησ βλϊβησ διϊβρωςησ υπό μορφό γεωμετρικών αςυνεχειών ςτισ μηχανικϋσ ιδιότητεσ Επύδραςη τησ βλϊβησ διϊβρωςησ ςτισ μηχανικϋσ ιδιότητεσ λαμβϊνοντασ υπόψη τισ γεωμετρικϋσ αςυνϋχειεσ και την ψαθυροπούηςη λόγω υδρογόνου Εκτύμηςη τησ επύδραςησ τησ ψαθυροπούηςησ λόγω υδρογόνου ςτην υποβϊθμιςη τησ ολκιμότητασ του υλικού ΚΕΥΑΛΑΙΟ 7 ο : ΤΜΠΕΡΑΜΑΣΑ-ΠΑΡΑΣΗΡΗΕΙ Πρωτοτυπύα διατριβόσ και ςυμπερϊςματα Προτϊςεισ για περαιτϋρω διερεύνηςη Βιβλιογραφύα Κατϊλογοσ Πινϊκων Κατϊλογοσ χημϊτων

11 Περύληψη Περύληψη Η παρουςύα τησ βλϊβησ διϊβρωςησ ςτισ αεροπορικϋσ δομϋσ, ϋχει αποδειχθεύ ότι ςυμβϊλλει ςημαντικϊ ςτην υποβϊθμιςη τησ δομικόσ τουσ ακεραιότητασ. Σαυτόχρονα, οι χρονοβόρεσ και αυξημϋνου κόςτουσ διεργαςύεσ και ϋλεγχοι που πραγματοποιούνται για την αποφυγό ό την επιδιόρθωςη τησ διϊβρωςησ δεν εύναι πϊντα αποδοτικϋσ. την τρϋχουςα βιομηχανικό πρακτικό, ςε περιπτώςεισ ςτατικόσ φόρτιςησ, η βλϊβη διϊβρωςησ αντιμετωπύζεται θεωρώντασ ότι ϋχει επϋλθει μεύωςη τησ φϋρουςασ διατομόσ ύςη με το βϊθοσ τησ διαβρωτικόσ προςβολόσ και ακολουθεύ εκ νϋου υπολογιςμόσ των τϊςεων. τισ δυναμικϋσ φορτύςεισ, τα τρόμματα θεωρούνται ωσ πιθανϊ ςημεύα ϋναρξησ των ρωγμών κόπωςησ. Όμωσ, παρϊ την αναγνώριςη τησ διϊβρωςησ ωσ ϋναν από τουσ μηχανιςμούσ που επιδρούν αρνητικϊ ςτη δομικό ακεραιότητα μιασ αεροπορικόσ δομόσ, ούτε και ςτον ςχεδιαςμό των αεροπορικών καταςκευών με ανοχό ςτη βλϊβη, ο οπούοσ εύναι ο ςύγχρονοσ τρόποσ ςχεδιαςμού και βαςύζεται ςτισ αρχϋσ τησ θραυςτομηχανικόσ, η βλϊβη διϊβρωςησ λαμβϊνεται υπόψη. Ψσ αποτϋλεςμα, η επύδραςη τησ διϊβρωςησ ςτη δομικό ακεραιότητα των υλικών κϊποιεσ φορϋσ υποεκτιμϊται. κοπόσ τησ παρούςασ διδακτορικόσ διατριβόσ εύναι να ςυμβϊλλει ςτην ανϊπτυξη ικανοτότων για την εκτύμηςη τησ υποβϊθμιςησ των μηχανικών ιδιοτότων του διαβρωμϋνου υλικού με δεδομϋνα τα μεταλλογραφικϊ χαρακτηριςτικϊ τησ βλϊβησ διϊβρωςησ. το πλαύςιο αυτό, αναπτύςςεται μια μεθοδολογύα η οπούα επιτρϋπει την υπολογιςτικό προςομούωςη τησ ςυμπεριφορϊσ εφελκυςμού του διαβρωμϋνου υλικού με δεδομϋνα τα μεταλλογραφικϊ χαρακτηριςτικϊ τησ βλϊβησ διϊβρωςησ. Η εργαςύα περιλαμβϊνει ϋνα πειραματικό και ϋνα υπολογιςτικό ςκϋλοσ. Σο πειραματικό ςκϋλοσ περιλαμβϊνει την εκτενό μεταλλογραφικό μελϋτη τησ βλϊβησ διϊβρωςησ, τη διεξαγωγό μηχανικών δοκιμών εφελκυςμού και τη μελϋτη των επιφανειών θραύςησ για την αναγνώριςη των φυςικών μηχανιςμών 1

12 Περύληψη τησ βλϊβησ ςε δοκύμια προ-διαβρωμϋνα για διαφορετικούσ χρόνουσ ϋκθεςησ ςτο διαβρωτικό περιβϊλλον. Σα κύρια αποτελϋςματα τησ πειραματικόσ διαδικαςύασ ςυνοψύζονται ωσ εξόσ: Η βλϊβη διϊβρωςησ ςυςςωρεύεται βαθμιαύα και εξελύςςεται, ςε ςυνϊρτηςη με τον χρόνο ϋκθεςησ, από τρημματικό ςε διϊβρωςη αποφλούωςησ. Οι μηχανικϋσ δοκιμϋσ εφελκυςμού ςτο διαβρωμϋνο υλικό ϋδειξαν μια μϋτρια υποβϊθμιςη των ιδιοτότων αντοχόσ, αλλϊ ταυτόχρονα μια ςημαντικό πτώςη των ιδιοτότων ολκιμότητασ. Η μελϋτη των επιφανειών θραύςησ ανϋδειξε την ύπαρξη ψαθυροποιημϋνων περιοχών κϊτω από το ςτρώμα διϊβρωςησ. Η ύπαρξη τϋτοιων ψαθυροποιημϋνων ζωνών ϋχει αποδοθεύ από προηγούμενεσ εργαςύεσ ςτην προςρόφηςη υδρογόνου που παρϊγεται κατϊ την διαδικαςύα τησ διϊβρωςησ. Σο υπολογιςτικό ςκϋλοσ περιλαμβϊνει την ανϊπτυξη μοντϋλου πεπεραςμϋνων ςτοιχεύων ςε μύκρο και μϊκρο-κλύμακα. Για την προςομούωςη τησ ςυμπεριφορϊσ εφελκυςμού του διαβρωμϋνου υλικού ςε μύκρο-κλύμακα αναπτύχθηκε μια Αντιπροςωπευτικό Μοναδιαύα Κυψελύδα (Representative Unit Cell) που περιλαμβϊνει τρόμματα αντιπροςωπευτικϊ του χρόνου ϋκθεςησ ςε διαβρωτικό περιβϊλλον. Η τοπικϊ υποβαθμιςμϋνη ςυμπεριφορϊ εφελκυςμού του υλικού, λόγω τησ ύπαρξησ των τρημμϊτων, προςδιορύζεται από τισ αντιπροςωπευτικϋσ μοναδιαύεσ κυψελύδεσ και ειςϊγεται τοπικϊ ςε ϋνα μοντϋλο μϊκρο-κλύμακασ. Σο μοντϋλο λαμβϊνει υπόψη την διαφορετικό ϋνταςη τησ βλϊβησ διϊβρωςησ ςτισ διϊφορεσ περιοχϋσ του δοκιμύου. Σα αποτελϋςματα του μοντϋλου ϋδειξαν ικανοποιητικό ςύγκλιςη με τισ μηχανικϋσ δοκιμϋσ ςε ότι αφορϊ ςτισ ιδιότητεσ αντοχόσ. Αντύθετα, ϋδειξαν υποτύμηςη τησ πειραματικϊ παρατηρούμενησ μεύωςησ των ιδιοτότων ολκιμότητασ. Η υποτύμηςη αυτό οφεύλεται ςτο γεγονόσ ότι το μοντϋλο, κα' αρχόν, δεν λαμβϊνει υπόψη τουσ φυςικούσ μηχανιςμούσ τησ ψαθυροπούηςησ του υλικού λόγω διϊβρωςησ. Η μεθοδολογύα που αναπτύχθηκε αποτελεύ βόμα για τη ςύνδεςη τησ βλϊβησ διϊβρωςησ με τισ απομϋνουςεσ μηχανικϋσ ιδιότητεσ του υλικού και, επομϋνωσ, την αςφαλϋςτερη εκτύμηςη τησ απομϋνουςασ αντοχόσ διαβρωμϋνων αεροπορικών δομών. 2

13 Abstract Αbstract Corrosion damage accumulation represents a major threat for the structural integrity of metallic aircraft structures and moreover has a strong effect on the load bearing capacity of aging aircraft structures. Corrosion damage is evaluated by means of metallographic features such as pitting density, depth and shape of pits, onset of exfoliation, etc. For the case of static loading, corrosion damage is usually accounted through reducing the metal thickness by the depth of corrosion attack and then calculating the corresponding stress increase. For the case of fatigue, corrosion pits are considered as possible onsets for fatigue cracks. The aim of the present PhD thesis is to contribute to establish a link between the metallographic features of corrosion damage and the degradation of the mechanical properties of a corroded material. Towards this objective, a methodology is developed which allows the numerical simulation of the tensile behavior of the corroded material based on the metallographic features of the corrosion damage. The present work is divided in two parts: a) the experimental investigation and b) the numerical analysis. The experimental part includes an extensive metallographic investigation of the occurring corrosion damage. Moreover, tensile tests were performed on the precorroded material which was exposed to the corrosive solution for several exposure periods. Finally, an examination of the fracture surfaces for the identification of the physical mechanisms of the damage has also been conducted. The main conclusion extracted from the metallographic procedure is that corrosion damage evolves from pitting to exfoliation progressively. The tensile tests performed on the pre corroded material revealed a moderate reduction concerning the tensile strength but a significant degradation of the tensile ductility even after short exposure periods. The examination of the fracture surfaces revealed the presence of quasi-cleavage zones beneath the depth of corrosion attack. The formation of these zones has been 3

14 Abstract attributed by previous investigations to hydrogen diffusion and trapping into the corroded material during the corrosion process. The simulation procedure involves the development of a multi scale finite element model. The corrosion damage has been accounted for by introducing 3D Representative Unit Cells (RUCs) developed in the micro scale, with geometrical characteristics obtained by the metallographic analysis data of the corroded material. The degradation of the Representative Unit Cell s mechanical properties due to the presence of the damage has been recorded. A 3D Finite Element model of a tensile specimen has been developed. This model has been used to simulate the tensile behavior of the corroded material, by including elements with degraded properties extracted from the RUC analysis. For the different exposure times RUCs with different geometrical characteristics were used so as to account for the evolving corrosion damage. The simulation results correlate well with the respective tensile behavior of the alloy obtained by the mechanical tests. As far as tensile ductility is concerned a significant deviation was observed, due to the fact that the finite element model does not account for the embrittlement of the material due to hydrogen absorption. The developed methodology represents a step towards the establishment of a link between the metallographic features of the corrosion damage and the residual mechanical properties of the material, and thus the more reliable estimation of the residual strength of the corroded aircraft structures. 4

15 Κεφϊλαιο 1 o : Αντικεύμενο τησ διατριβόσ ΚΕΥΑΛΑΙΟ 1 ο Αντικεύμενο τησ διατριβόσ 1.1 Σεχνολογικό πρόβλημα Ϊνα αεροςκϊφοσ από την πρώτη ςτιγμό λειτουργύασ του, αρχύζει να γηρϊςκει. Οι βαςικού μηχανιςμού που ςυντελούν ςτην γόρανςη μιασ αεροπορικόσ δομόσ εύναι η κόπωςη, λόγω των φορτύςεων που δϋχεται το αεροςκϊφοσ, και η διϊβρωςη, φαινόμενο που εξελύςςεται με την πϊροδο τησ διϊρκειασ ζωόσ του [1-3]. Αν η βλϊβη που προκαλούν ςυνδυαςτικϊ ό ανεξϊρτητα αυτού οι δυο μηχανιςμού δεν αντιμετωπιςτεύ εγκαύρωσ, τότε διακυβεύεται η δομικό ακεραιότητα του αεροςκϊφουσ. Ϊνα χαρακτηριςτικό παρϊδειγμα αποτελεύ το ατύχημα του αεροςκϊφουσ τησ εταιρεύασ Aloha Airlines. Σο αεροςκϊφοσ εύχε ςημειώςει μεγϊλο αριθμό κύκλων πτόςησ, ενώ ταυτόχρονα το περιβϊλλον λειτουργύασ του όταν ϋντονα διαβρωτικό. Σο αεροςκϊφοσ βριςκόταν ςε λειτουργύα για 19 χρόνια, δηλαδό ςτο όριο που κατ' αρχόν ςχεδιϊζεται για λειτουργύα (20 χρόνια) [1, 4]. Λόγω των οικονομικών προεκτϊςεων που προκύπτουν από την ενδεχόμενη απόςυρςη των ςε λειτουργύα γηραςκουςών αεροπορικών δομών, η αεροπορικό βιομηχανύα καθώσ και η επιςτημονικό κοινότητα ϋχουν ςτρϋψει το ενδιαφϋρον τουσ ςτην μελϋτη του φαινομϋνου τησ διϊβρωςησ και τησ αντιμετώπιςόσ τησ. Ϊνα ςημαντικό θϋμα διερεύνηςησ αποτελούν τα κόςτη και οι διαδικαςύεσ για την 5

16 Κεφϊλαιο 1 o : Αντικεύμενο τησ διατριβόσ ςυντόρηςη και επιςκευό των διαβρωμϋνων δομών, καθώσ και οι διεργαςύεσ για την προςταςύα του αεροςκϊφουσ από την διϊβρωςη [3, 5]. Σο μεγαλύτερο ενδιαφϋρον όμωσ ϋγκειται ςτη μελϋτη τησ επύδραςησ τησ διϊβρωςησ ςτην αςφαλό λειτουργύα των μεταλλικών αεροπορικών δομών. Σα αποτελϋςματα των ερευνών αναδεικνύουν την ςημαντικό επύδραςη τησ διϊβρωςησ ςτην δομικό ακεραιότητα των μεταλλικών υλικών [4, 6-9]. Η διϊβρωςη υποβαθμύζει τη μηχανικό απόδοςη των υλικών, αφού λόγω τησ βλϊβησ παραμϋνει λιγότερο υλικό ανϋπαφο και ικανό να φϋρει τα φορτύα λειτουργύασ [10-12]. Επιπλϋον, η ύπαρξη διϊβρωςησ πολλαπλαςιϊζει τα πιθανϊ ςημεύα ϋναρξησ ρωγμών [13], αυξϊνει ςημαντικϊ τον ρυθμό διϊδοςόσ τουσ, και ταυτόχρονα μειώνει την αντύςταςη ςτην διϊδοςη ρωγμόσ, με αποτϋλεςμα να μειώνεται η διϊρκεια ζωόσ ςε κόπωςη των μεταλλικών υλικών [14]. Παρϊ τα εκτεταμϋνα ςτοιχεύα αναφορικϊ με τισ ςοβαρϋσ επιπτώςεισ τησ διϊβρωςησ ςτην δομικό ακεραιότητα των υλικών, οι ενϋργειεσ που γύνονται για την αντιμετώπιςό τησ, περιορύζονται ςτην αφαύρεςη του διαβρωμϋνου υλικού και ςτη χρόςη προςτατευτικών επικαλύψεων καθώσ και ςτη θεώρηςη των διαβρωμϋνων περιοχών ωσ πιθανϊ ςημεύα ϋναρξησ ρωγμών [15]. Ο χαρακτηριςμόσ τησ βλϊβησ διϊβρωςησ γύνεται ςτη βϊςη μιασ μεταλλουργικόσ προςϋγγιςησ, κατϊ την οπούα αναγνωρύζεται ο τύποσ τησ διϊβρωςησ και μετρϊται το βϊθοσ προςβολόσ και η απώλεια βϊρουσ ςε περιπτώςεισ ομοιόμορφησ διϊβρωςησ, ό η πυκνότητα και το βϊθοσ των τρημμϊτων ςε περιπτώςεισ τρημματικόσ προςβολόσ [16]. Επιπλϋον, εφαρμόζονται ηλεκτροχημικϋσ μϋθοδοι για την καταγραφό του δυναμικού ςτο οπούο ξεκινϊ η βλϊβη διϊβρωςησ [17-19]. Οι μηχανικϋσ ιδιότητεσ του διαβρωμϋνου υλικού δεν ςυςχετύζονται ϊμεςα με αυτϊ τα χαρακτηριςτικϊ τησ διϊβρωςησ και ϋτςι οι μελϋτεσ αυτϋσ ςτο ςύνολό τουσ δεν επαρκούν για την πλόρη εκτύμηςη τησ επύδραςησ τησ βλϊβησ διϊβρωςησ ςτην δομικό ακεραιότητα του διαβρωμϋνου δομικού ςτοιχεύου. Επιπλϋον, η βλϊβη διϊβρωςησ δεν ςυμπεριλαμβϊνεται ςτον ςχεδιαςμό με ανοχό ςτη βλϊβη των αεροπορικών δομών, ο οπούοσ βαςύζεται ςτισ αρχϋσ τησ θραυςτομηχανικόσ [9, 20]. Ασ ςημειωθεύ, ότι η ύπαρξη διϊβρωςησ επηρεϊζει, εκτόσ από τη διϊρκεια τησ 6

17 Κεφϊλαιο 1 o : Αντικεύμενο τησ διατριβόσ αςφαλούσ λειτουργύασ μιασ καταςκευόσ, και τουσ προγραμματιςμϋνουσ ελϋγχουσ τησ δομόσ [15]. Σα παραπϊνω δεύχνουν την ανϊγκη μιασ ολιςτικόσ αντύληψησ τόςο τησ ϋννοιασ τησ βλϊβησ όςο και τησ δομικόσ ακεραιότητασ και καθιςτούν απαραύτητη την προςπϊθεια για την ανϊπτυξη θεωρητικών και υπολογιςτικών εργαλεύων που θα το επιτρϋπουν. Η ϋλλειψη τϋτοιων εργαλεύων οδηγεύ ςτην ανϊγκη πολύ αυςτηρών ελϋγχων καθώσ και ςε δαπανηρϋσ διαδικαςύεσ ςυντόρηςησ και επιςκευών. Φαρακτηριςτικϊ εύναι τα λόγια του Macferren (1994): Υανταςτεύτε μια ιδανικό κατϊςταςη μιασ δομόσ. Θα όταν γνωςτού όλοι οι τύποι βλϊβησ που εύναι πιθανόν να οδηγόςουν την δομό ςε αςτοχύα. Θα όταν αναγνωρύςιμοι όλοι οι τύποι αςτοχύασ, οι μηχανιςμού που οδηγούν εκεύ, και οι κινούςεσ δυνϊμεισ πύςω από αυτούσ τουσ μηχανιςμούσ. Θα υπόρχαν εξιςώςεισ που θα χαρακτόριζαν τον κϊθε τύπο βλϊβησ και αςτοχύασ, καθώσ και την ςυνϋργειϊ τουσ, καθώσ και εξιςώςεισ που θα περιϋγραφαν τα φορτύα που αςκούνται ςτην δομό. Με βϊςη αυτϋσ τισ πληροφορύεσ θα όταν εφικτόσ ο υπολογιςμόσ τησ πιθανότητασ για αςτοχύα οποιουδόποτε τύπου. Οι περιςςότεροι μηχανικού θεωρούν ϋνα τϋτοιο ςενϊριο αδύνατο - ύςωσ και περιττό [9]. Παρόλο λοιπόν που ςόμερα ο μηχανικόσ δεν εύναι ςε θϋςη να ελϋγχει πλόρωσ κϊθε πιθανό μηχανιςμό βλϊβησ, ςυνϋργειασ, και πιθανότητα αςτοχύασ, υπϊρχει η δυνατότητα ανϊπτυξησ νϋων εργαλεύων που θα εμπλουτύςουν τισ ικανότητεσ ςχεδύαςησ που εύναι διαθϋςιμεσ ςόμερα. 1.2 κοπόσ τησ διατριβόσ κοπόσ τησ παρούςασ διατριβόσ εύναι να ςυμβϊλλει ςτην ανϊπτυξη μιασ μεθοδολογύασ που θα καθιςτϊ δυνατό την εκτύμηςη των μηχανικών ιδιοτότων του διαβρωμϋνου υλικού με δεδομϋνα τα μεταλλογραφικϊ χαρακτηριςτικϊ τησ διϊβρωςησ. Η προτεινόμενη μεθοδολογύα ςτηρύζεται ςε μια ευρεύα βϊςη δεδομϋνων που λαμβϊνονται από πειραματικϋσ μετρόςεισ και την ανϊπτυξη μοντϋλων 7

18 ΠΕΙΡΑΜΑΣΙΚΟ ΜΕΡΟ ΑΡΙΘΜΗΣΙΚΟ ΜΕΡΟ Κεφϊλαιο 1 o : Αντικεύμενο τησ διατριβόσ πεπεραςμϋνων ςτοιχεύων που ςυνδυϊζουν διαφορετικϋσ κλύμακεσ για την αριθμητικό προςομούωςη τησ μηχανικόσ ςυμπεριφορϊσ του υλικού. το διϊγραμμα ροόσ που παρουςιϊζεται ςτο χόμα 1, περιγρϊφεται ςχηματικϊ η μεθοδολογύα που αναπτύχθηκε προκειμϋνου να επιτευχθεύ ο ςτόχοσ τησ διατριβόσ. Η μεθοδολογύα περιλαμβϊνει το πειραματικό μϋροσ τησ εργαςύασ καθώσ και την ανϊπτυξη των μοντϋλων πεπεραςμϋνων ςτοιχεύων τα οπούα αντλούν δεδομϋνα από τα πειραματικϊ αποτελϋςματα. Ϊκθεςη του κρϊματοσ 2024 Σ3 ςε εργαςτηριακό επιταχυνόμενο διαβρωτικό περιβϊλλον Μεταλλογραφικό ανϊλυςη και ποςοτικοπούηςη τησ βλϊβησ διϊβρωςησ Μηχανικϋσ δοκιμϋσ εφελκυςμού του διαβρωμϋνου υλικού Αναγνώριςη των φυςικών μηχανιςμών τησ βλϊβησ διϊβρωςησ που επιδρούν ςτη ςυμπεριφορϊ εφελκυςμού Ανϊπτυξη μοντϋλων πεπεραςμϋνων ςτοιχεύων ςτην μύκρο-κλύμακα που προςομοιώνουν τη ςυμπεριφορϊ εφελκυςμού τοπικϊ για ϋναν ςτοιχειώδη όγκο υλικού με βλϊβη διϊβρωςησ Ανϊπτυξη μοντϋλων πεπεραςμϋνων ςτοιχεύων ςτην μϊκρο-κλύμακα που προςομοιώνουν τη ςυμπεριφορϊ εφελκυςμού των διαβρωμϋνων δοκιμύων εφελκυςμού Εκτύμηςη τησ ςυμπεριφορϊσ εφελκυςμού του διαβρωμϋνου υλικού απευθεύασ από τα χαρακτηριςτικϊ τησ βλϊβησ διϊβρωςησ χόμα 1: Μεθοδολογύα για την ςύνδεςη των μεταλλογραφικών χαρακτηριςτικών τησ διϊβρωςησ με την υποβϊθμιςη των ιδιοτότων εφελκυςμού. Μϋςω τησ ανϊπτυξησ μοντϋλων πεπεραςμϋνων ςτοιχεύων ςτην μύκρο και μϊκρο-κλύμακα, επιδιώκεται μια ςύνδεςη μεταξύ των μεταλλογραφικών χαρακτηριςτικών τησ διϊβρωςησ και τησ υποβϊθμιςησ των μηχανικών ιδιοτότων 8

19 Κεφϊλαιο 1 o : Αντικεύμενο τησ διατριβόσ του υλικού. Η ποςοτικοπούηςη τησ βλϊβησ διϊβρωςησ, ο χαρακτηριςμόσ τησ μηχανικόσ ςυμπεριφορϊσ των διαβρωμϋνων δοκιμύων αλλϊ και οι φυςικού μηχανιςμού που αναγνωρύςτηκαν και οδηγούν ςτην υποβϊθμιςό τησ, λαμβϊνονται υπόψη κατϊ την διαδικαςύα μοντελοπούηςησ τησ βλϊβησ διϊβρωςησ και εν ςυνεχεύα κατϊ την προςομούωςη τησ μηχανικόσ ςυμπεριφορϊσ του διαβρωμϋνου υλικού. 1.3 Ανϊπτυξη τησ διατριβόσ Η διατριβό αναπτύςςεται ςε 7 κεφϊλαια. το πρώτο κεφϊλαιο τησ παρούςασ διατριβόσ, γύνεται μια περιγραφό του τεχνολογικού προβλόματοσ και του αντικειμϋνου τησ ϋρευνασ. το δεύτερο κεφϊλαιο ςυνοψύζεται η βιβλιογραφύα αναφορικϊ με τη βλϊβη διϊβρωςησ και την επύδραςό τησ ςτη δομικό ακεραιότητα των υλικών. Επιπλϋον, παρουςιϊζονται πρόςφατεσ ϋρευνεσ που ϋχουν ωσ ςτόχο τη ςυςχϋτιςη τησ βλϊβησ διϊβρωςησ με την υποβϊθμιςη των μηχανικών ιδιοτότων του υλικού, και την ανϊπτυξη αριθμητικών μοντϋλων για την αριθμητικό προςομούωςη τησ διϊβρωςησ. Σϋλοσ, γύνεται αναφορϊ ςτην αντιμετώπιςη τησ διϊβρωςησ βϊςει των υπαρχουςών φιλοςοφιών ςχεδιαςμού. το τρύτο κεφϊλαιο παρουςιϊζεται η διαδικαςύα που ακολουθόθηκε ςτο πειραματικό μϋροσ τησ παρούςασ εργαςύασ, προκειμϋνου να ποςοτικοποιηθεύ η βλϊβη διϊβρωςησ και να εκτιμηθεύ η επύδραςό τησ ςτισ μηχανικϋσ ιδιότητεσ του υλικού. το τϋταρτο κεφϊλαιο παρουςιϊζονται και ςχολιϊζονται τα αποτελϋςματα τησ μεταλλογραφικόσ ανϊλυςησ τησ βλϊβησ διϊβρωςησ, των δοκιμών εφελκυςμού ςτο διαβρωμϋνο υλικό, καθώσ και τησ μελϋτησ των επιφανειών θραύςησ. το πϋμπτο κεφϊλαιο, αναλύεται η διαδικαςύα προςομούωςησ τησ βλϊβησ διϊβρωςησ που περιλαμβϊνει την ανϊπτυξη του μοντϋλου πεπεραςμϋνων ςτοιχεύων ςτην μύκρο-κλύμακα, καθώσ και τη ςύνδεςό του με το μοντϋλο 9

20 Κεφϊλαιο 1 o : Αντικεύμενο τησ διατριβόσ πεπεραςμϋνων ςτοιχεύων τησ μϊκρο-κλύμακασ που προςομοιώνει ϋνα διαβρωμϋνο δοκύμιο εφελκυςμού. το ϋκτο κεφϊλαιο, παρουςιϊζονται τα αποτελϋςματα τησ αριθμητικόσ προςομούωςησ τησ μηχανικόσ ςυμπεριφορϊσ του υλικού με τη χρόςη των μοντϋλων πεπεραςμϋνων ςτοιχεύων που αναπτύχθηκαν, καθώσ και η ςύγκριςό τουσ με τα πειραματικϊ δεδομϋνα. Σα αποτελϋςματα που προϋκυψαν ςχολιϊζονται εκτενώσ. το ϋβδομο κεφϊλαιο παρουςιϊζονται οι καινοτομύεσ τησ εργαςύασ καθώσ και προτϊςεισ για περαιτϋρω ϋρευνα. Σϋλοσ, δύνονται οι βιβλιογραφικϋσ αναφορϋσ, καθώσ και οι λύςτεσ των ςχημϊτων και των πινϊκων. 10

21 Κεφϊλαιο 2 o : Βιβλιογραφικό αναςκόπηςη ΚΕΥΑΛΑΙΟ 2 ο Βιβλιογραφικό αναςκόπηςη το παρόν κεφϊλαιο γύνεται αναφορϊ ςτουσ μηχανιςμούσ διϊβρωςησ του αεροπορικού κρϊματοσ αλουμινύου 2024 Σ3. Επύςησ, παρατύθεται εκτενόσ βιβλιογραφικό αναςκόπηςη με εργαςύεσ που αφορούν ςτην επύδραςη τησ διϊβρωςησ ςτισ μηχανικϋσ ιδιότητεσ του υλικού, καθώσ και προςπϊθειεσ που ϋχουν πραγματοποιηθεύ προκειμϋνου να μοντελοποιηθεύ η βλϊβη διϊβρωςησ και να προςομοιωθεύ η επύδραςό τησ ςτην μηχανικό απόδοςη του υλικού. 2.1 Μηχανιςμού διϊβρωςησ του κρϊματοσ Σχηματιςμόσ και κατϊρρευςη του προςτατευτικού φιλμ οξειδύων Σο προςτατευτικό φιλμ οξειδύων δημιουργεύται τη ςτιγμό που το αλουμύνιο ϋρθει ςε επαφό με το διαβρωτικό μϋςο, και εύναι αποτϋλεςμα τησ οξεύδωςησ που λαμβϊνει χώρα ςτη διεπιφϊνεια μεταξύ μετϊλλου και ηλεκτρολύτη. Ο ςχηματιςμόσ του οξειδύου του αλουμινύου περιγρϊφεται από την αντύδραςη οξεύδωςησ : 2Al + 3 O 2 2 Al 2 O 3 (2.1) Γενικϊ αυτό το φιλμ εύναι ϊμορφο, μπορεύ όμωσ να αναπτύξει και κϊποιεσ κρυςταλλικϋσ δομϋσ (γ Al2O3, α- Al2O3 κ.ϊ.) [8]. Η δομό αλλϊ και το πϊχοσ του 11

22 Κεφϊλαιο 2 o : Βιβλιογραφικό αναςκόπηςη προςτατευτικού φιλμ εξαρτϊται από παρϊγοντεσ όπωσ: η χημικό ςύνθεςη του κρϊματοσ, η παρουςύα και η κατανομό ατελειών (κενϋσ θϋςεισ, ςωματύδια δευτερογενούσ δομόσ), η ςύςταςη και η θερμοκραςύα του διαβρωτικού μϋςου. Οι παραπϊνω παρϊγοντεσ, αλλϊ κυρύωσ η μικροδομό του μετϊλλου και η ςύςταςη του διαβρωτικού μϋςου, παύζουν κυρύαρχο ρόλο ςτην κατϊρρευςη του προςτατευτικού φιλμ του αλουμινύου και των κραμϊτων του [21, 22]. το αλουμύνιο υψηλόσ καθαρότητασ, η κατϊρρευςη του προςτατευτικού φιλμ οξειδύων μπορεύ να προϋλθει από ϋναν από τουσ εξόσ παρϊγοντεσ, ό από τον ςυνδυαςμό αυτών: i) την ειςχώρηςη ιόντων χλωρύου από τον διαλύτη ςτο προςτατευτικό φιλμ, ii) τη μεύωςη του πϊχουσ του φιλμ λόγω τησ παρουςύασ χλωριόντων και iii) την ύπαρξη ατελειών ςτο προςτατευτικό φιλμ [21, 23]. τα κρϊματα όμωσ του αλουμινύου, η παρουςύα των κραματικών ςτοιχεύων, τα ςωματύδια δευτερεύουςασ δομόσ και τα γαλβανικϊ κελιϊ που αυτϊ δημιουργούν με το μητρικό αλουμύνιο, ευνοούν την κατϊρρευςη του προςτατευτικού φιλμ και την επακόλουθη επαφό του κρϊματοσ με τoν διαλύτη, ξεκινώντασ με αυτόν τον τρόπο την τρημματικό διϊβρωςη [17, 21, 22, 24-30]. Πιο ςυγκεκριμϋνα, ςτην εργαςύα [22] βρϋθηκε ότι η παρουςύα S-φϊςησ (Al2CuMg) ςτο κρϊμα αλουμινύου 2024 αλλϊζει τισ τοπικϋσ ιδιότητεσ του προςτατευτικού φιλμ οξειδύων, δημιουργώντασ ευνοώκϊ ςημεύα για την ειςχώρηςη χλωριόντων ςτο φιλμ και την ϋναρξη τησ διϊβρωςησ ςτο κρϊμα Έναρξη τησ τρημματικόσ διϊβρωςησ Η χημικό ςύςταςη του κρϊματοσ αλουμινύου 2024 Σ3 παρουςιϊζεται ςτον Πύνακα 1. Σα κραματικϊ ςτοιχεύα χαλκόσ (Cu) και μαγνόςιο (Mg), προςτύθενται ςτο αλουμύνιο προκειμϋνου να αυξηθούν οι ιδιότητεσ αντοχόσ του [17, 31], ενώ ταυτόχρονα η μικροδομό που ςχηματύζουν με το μητρικό αλουμύνιο εύναι υπεύθυνη για την ευαιςθηςύα του κρϊματοσ ςτην τρημματικό διϊβρωςη [16, 17, 21, 22, 27-30]. 12

23 Κεφϊλαιο 2 o : Βιβλιογραφικό αναςκόπηςη Πύνακασ 1: Φημικό ςύςταςη του κρϊματοσ αλουμινύου 2024 Σ3 Κραματικϊ ςτοιχεύα Al Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Si Ωλλα Περιεκτικότητα (wt%) Μετϊ την κατϊρρευςη του προςτατευτικού φιλμ, το κρϊμα ϋρχεται ςε επαφό με το διαβρωτικό μϋςον και ξεκινϊ η ηλεκτροχημικό αλληλεπύδραςη των κραματικών ςτοιχεύων και του διαλύτη, ξεκινώντασ από την διεπιφϊνειϊ τουσ. Η ηλεκτροχημικό φύςη τησ διϊβρωςησ περιγρϊφεται από ανοδικϋσ και καθοδικϋσ ηλεκτροχημικϋσ αντιδρϊςεισ. Απαραύτητη προώπόθεςη για την ηλεκτροχημικό διϊβρωςη εύναι η ύπαρξη δύο ηλεκτροδύων (μιασ ανόδου και μιασ καθόδου) και ενόσ ηλεκτρολύτη. τα κρϊματα αλουμινύου ςυνόθωσ ωσ ϊνοδοσ λειτουργεύ το ύδιο το αλουμύνιο, ενώ ωσ κϊθοδοσ ενώςεισ ϊλλων κραματικών ςτοιχεύων, κυρύωσ του χαλκού, ο οπούοσ εύναι ςημαντικϊ ηλεκτροθετικότεροσ του αλουμινύου. Ψσ ηλεκτρολύτησ δρα το νερό ό η υγραςύα τησ ατμόςφαιρασ. Γενικϊ η ηλεκτροχημικό διϊβρωςη μπορεύ να παραςταθεύ ςαν ϋνα ηλεκτροχημικό κελύ ςτο οπούο λαμβϊνουν χώρα αντιδρϊςεισ οξεύδωςησ ςτο ϋνα ηλεκτρόδιο και αντιδρϊςεισ αναγωγόσ ςτο ϊλλο. Από τα επιφανειακϊ ςτρώματα του αλουμινύου, δημιουργούνται οριςμϋνα ιόντα αλουμινύου, λόγω τησ μεγϊλησ τϊςησ του μετϊλλου να οξειδωθεύ. Η αντύδραςη που λαμβϊνει χώρα εύναι η εξόσ: Al Al e (2.2) Σα ιόντα αυτϊ διαλύονται ςτο νερό. Λόγω τησ περύςςειασ ηλεκτρονύων που βρύςκονται ςτην επιφϊνεια του μετϊλλου, τα θετικϊ φορτιςμϋνα ιόντα αλουμινύου θα μεύνουν πολύ κοντϊ ςτην αρνητικϊ φορτιςμϋνη επιφϊνεια του αλουμινύου. Με τον τρόπο αυτό δημιουργεύται μια διαφορϊ δυναμικού μεταξύ του μετϊλλου και του υδατικού διαλύματοσ που περιϋχει τα ιόντα αλουμινύου. Σο ύδιο ςυμβαύνει και με το ηλεκτρόδιο του Cu, με τη διαφορϊ ότι το ηλεκτροςτατικό δυναμικό που δημιουργεύται ϋχει διαφορετικό τιμό. Αν, με τη βοόθεια του ηλεκτρολύτη, γύνει 13

24 Κεφϊλαιο 2 o : Βιβλιογραφικό αναςκόπηςη δυνατό η ςυνεχόσ παραγωγό και μεταφορϊ ηλεκτρονύων, τότε το ηλεκτρόδιο με την μικρότερη τιμό ηλεκτροςτατικού δυναμικού λειτουργεύ ωσ ϊνοδοσ ενώ το ηλεκτρόδιο με την μεγαλύτερη τιμό ηλεκτροςτατικού δυναμικού ωσ κϊθοδοσ. Αυτό ϋχει ωσ αποτϋλεςμα την ςυνεχό μεταφορϊ και επομϋνωσ κατανϊλωςη ηλεκτρονύων από την ϊνοδο προσ την κϊθοδο όπου λαμβϊνει χώρα, ςε ιςχυρϊ όξινα περιβϊλλοντα, η αναγωγό: 2Η + + 2e H 2 (2.3) Αυτού οι ηλεκτροχημικόσ φύςεωσ μηχανιςμού αναπτύςςονται ςτην μικροδομό του κρϊματοσ αλουμινύου 2024, η οπούα χαρακτηρύζεται από φϊςεισ διαφορετικόσ χημικόσ ςύςταςησ, με τισ πιο χαρακτηριςτικϋσ από αυτϋσ να εύναι η S-φϊςη (Al2CuMg), η θ-φϊςη (Al2Cu) και η α-φϊςη (AlCuFeMn), καθώσ και τα ςυμπλϋγματα αυτών (χόμα 2)[22, 31-33]. S-φάση θ-φάση (α) (β) S-φάση θ-φάση S-φάση α-φάση (γ) (δ) χόμα 2: Υϊςεισ του κρϊματοσ 2024 Σ3 : α) S-φϊςη, β) θ-φϊςη, γ) α-φϊςη και δ) ςύμπλεγμα S- φϊςησ και θ-φϊςησ [22] 14

25 Κεφϊλαιο 2 o : Βιβλιογραφικό αναςκόπηςη Κϊθε φϊςη από αυτϋσ αποτελεύ πιθανό ςημεύο ϋναρξησ τησ διϊβρωςησ, με διαφορετικό μηχανιςμό η καθεμύα. Σο δυναμικό τησ S-φϊςησ εύναι μικρότερο από το αντύςτοιχο του κρϊματοσ 2024, ενώ αντύθετα το δυναμικό τησ α-φϊςησ και θ- φϊςησ εύναι μεγαλύτερο [27]. Σο καθαρό αλουμύνιο λειτουργεύ ωσ ϊνοδοσ και ϋχει το χαμηλότερο δυναμικό. Ο χαλκόσ ο οπούοσ εύναι πιο ηλεκτροθετικόσ και λειτουργεύ ωσ κϊθοδοσ, δεν διαλύεται, αλλϊ λόγω τησ γαλβανικόσ διϊβρωςησ υπόκειται ςε διϊλυςη το περιβϊλλον αλουμύνιο. Η επύδραςη του δυναμικού ςυντελεύ ςτο να υπϊρχει διαφορετικόσ μηχανιςμόσ διϊβρωςησ για κϊθε φϊςη [17, 22, 27-30, 34-42]. Ο μηχανιςμόσ αυτόσ περιγρϊφεται ωσ εξόσ: Μηχανιςμόσ διϊβρωςησ τησ S-φϊςησ (Al2CuMg) : Η χημικό τησ ςύνθεςη την καθιςτϊ την πιο ενεργό από τισ υπόλοιπεσ φϊςεισ, αποτελώντασ την κύρια αιτύα τησ τρημματικόσ διϊβρωςησ του κρϊματοσ Επύςησ, το ποςοςτό τησ μϋςα ςτο κρϊμα υπερτερεύ του ποςοςτού των υπολούπων φϊςεων [22]. Σο δυναμικό τησ εύναι μικρότερο από αυτό του κρϊματοσ, γι αυτό και ςυμπεριφϋρεται ανοδικϊ. Αρχικϊ λαμβϊνει χώρα η επιλεκτικό διϊβρωςη μϋςα ςτην S-φϊςη, με τα πιο ηλεκτροαρνητικϊ ςτοιχεύα τησ (Al και Mg) να διαλύονται πρώτα. Αυτό ϋχει ωσ ςυνϋπεια να παραμϋνει περύςςεια χαλκού (Cu), ο οπούοσ λόγω τησ θϋςησ του ςτην ηλεκτροαρνητικό ςειρϊ λειτουργεύ ωσ κϊθοδοσ, με αποτϋλεςμα να διαλύεται το μητρικό αλουμύνιο γύρω του. την εργαςύα [22] μετρόθηκε η χημικό ςύςταςη τησ S φϊςησ πριν και μετϊ την ϋκθεςη του κρϊματοσ ςε διαβρωτικό διϊλυμα. Βρϋθηκε ότι η περιεκτικότητα ςε Μg μειώθηκε δραματικϊ (από 10.3% ςε 1.8%) ενώ η περιεκτικότητα ςε Cu παρϋμεινε ςταθερό. Η περιεκτικότητα ςε αλουμύνιο μειώθηκε ελαφρώσ, ενώ παρατηρόθηκε αύξηςη τησ περιεκτικότητασ ςε Ο, φαινόμενο που αποδόθηκε ςτην εναπόθεςη των προώόντων διϊβρωςησ μϋςα ςτο κρϊμα. Παρόμοια αποτελϋςματα βρϋθηκαν και ςε ϊλλη εργαςύα [42]. το χόμα 3 παριςτϊνεται η ςύςταςη τησ S φϊςησ μετϊ από διϊβρωςη ςε διαφορετικούσ χρόνουσ ςε διϊλυμα 0.6Μ NaCl [42]. 15

26 Κεφϊλαιο 2 o : Βιβλιογραφικό αναςκόπηςη χόμα 3: Περιεκτικότητα ςτοιχεύων ςτην S φϊςη πριν και μετϊ την ϋκθεςό τησ ςε διαβρωτικό διϊλυμα [42] Φαρακτηριςτικό εύναι ότι το αλουμύνιο που περιβϊλλει την S-φϊςη ξεκινϊ να διαβρώνεται πριν την πλόρη μετατροπό τησ δεύτερησ ςε κϊθοδο. Μηχανιςμόσ διϊβρωςησ τησ θ φϊςησ (Al2Cu): Η θ φϊςη ςυμπεριφϋρεται εξ αρχόσ καθοδικϊ απϋναντι ςτο περιβϊλλον κρϊμα αλουμινύου. Η περιεκτικότητϊ τησ ςε χαλκό (54% Cu και 46% Al [22]), χαρακτηρύζει το δυναμικό τησ που εύναι υψηλότερο από αυτό του κρϊματοσ ΑΑ 2024 Σ3 και ςυνεπώσ μεγαλύτερο και από αυτό τησ S - φϊςησ. Όταν η φϊςη αυτό εκτεθεύ ςτο διαβρωτικό διϊλυμα, δεν διαλύεται, αλλϊ παρατηρεύται διϊβρωςη ςτην περύμετρό τησ, αφού διαβρώνεται το ηλεκτροαρνητικότερο μητρικό αλουμύνιο γύρω τησ. Μηχανιςμόσ διϊβρωςησ τησ α φϊςησ (AlCuFeMn): Η α-φϊςη παραμϋνει αδρανόσ κατϊ την διϊβρωςη. Η διϊλυςη κϊποιων ςτοιχεύων τησ, γύνεται αν αυτϊ βρύςκονται ςε επαφό με το διαβρωτικό διϊλυμα, ό αν υπϊρχουν ατϋλειεσ ςτην περύμετρό τησ λόγω τησ μηχανουργικόσ κατεργαςύασ, ό λόγω των διαφορετικών ιδιοτότων μεταξύ τησ α-φϊςησ και του μητρικού αλουμινύου. Γενικϊ θεωρεύται καθοδικό ϋναντι του περιβϊλλοντοσ κρϊματοσ, και ςε οριςμϋνεσ περιπτώςεισ παρατηρεύται διϊλυςη του μητρικού αλουμινύου. Ενδεικτικϊ ςτην εργαςύα [42] παρατηρόθηκε ότι για μικρούσ χρόνουσ ϋκθεςησ το μητρικό 16

27 Κεφϊλαιο 2 o : Βιβλιογραφικό αναςκόπηςη υλικό δεν υπϋςτη διϊλυςη, αλλϊ με την πϊροδο του χρόνου ϋκθεςησ παρατηρόθηκαν μικρορωγμϋσ περιμετρικϊ τησ α-φϊςησ, που πιθανόν να οφεύλονται ςτην διϊβρωςη του περιβϊλλοντοσ αλουμινύου. Επύςησ, πραγματοποιεύται μϋςα ςτην α-φϊςη επιλεκτικό διϊβρωςη, και ενώ μειώνεται η περιεκτικότητϊ τησ ςε Al, αυξϊνεται η περιεκτικότητα τησ ςε Cu [35] Έναρξη τησ περικρυςταλλικόσ διϊβρωςησ και εξϋλιξό τησ ςε αποφλούωςη Περικρυςταλλικό διαβρωςη εύναι η επιλεκτικό διϊβρωςη των ορύων των κόκκων, χωρύσ να προςβϊλλονται ςημαντικϊ οι ύδιοι οι κόκκοι [22, 43-47]. Η περικρυςταλλικό διϊβρωςη ςυχνϊ αναπτύςςεται ςτα κρϊματα τησ ςειρϊσ 2xxx, τα οπούα ϋχουν υποςτεύ θερμικό κατεργαςύα Σ3 ό Σ4. Όταν τα κρϊματα ψύχονται αργϊ, ςχηματύζονται ςωματύδια πλούςια ςε Cu (CuAl3 και CuMgAl3) ςτα όρια των κόκκων. Η κατακρόμνιςη αυτών των ςωματιδύων πραγματοποιεύται ςτα όρια των κόκκων και δημιουργούνται γειτονικϊ των ορύων περιοχϋσ φτωχϋσ ςε Cu, όπωσ φαύνεται ςτο χόμα 4. Σα ςωματύδια πλούςια ςε Cu λειτουργούν ωσ κϊθοδοι και οι φτωχϋσ ςε Cu περιοχϋσ ωσ ϊνοδοι, με αποτϋλεςμα οι δεύτερεσ να υπόκεινται ςε διϊλυςη. χόμα 4: Κατανομό Cu ςτην περιοχό ςτα όρια των κόκκων [43] 17

28 Κεφϊλαιο 2 o : Βιβλιογραφικό αναςκόπηςη την εργαςύα [22] βρϋθηκε ότι η περικρυςταλλικό διϊβρωςη ςτο κρϊμα αλουμινύου ΑΑ 2024 Σ3 ξεκύνηςε από το κϊτω μϋροσ ενόσ διαβρωμϋνου ςυμπλϋγματοσ S φϊςησ και θ φϊςησ, και προχώρηςε μϋχρι την επιφϊνεια του υλικού, μακριϊ από το ςημεύο ϋναρξόσ τησ. ε παλαιότερη ϋρευνα βρϋθηκε ότι ςτο κρϊμα αλουμινύου που ϋχει υποςτεύ τεχνητό γόρανςη (ΑΑ 2024 Σ8), αναπτύχθηκε μόνο τρημματικό διϊβρωςη, ενώ ςτο κρϊμα 2024 Σ3 την δημιουργύα τρημμϊτων ακολούθηςε η ανϊπτυξη περικρυςταλλικόσ διϊβρωςησ [45]. Επιπλϋον, με την αύξηςη του χρόνου γόρανςησ ςτο κρϊμα αλουμινύου 2024 Σ3 αυξόθηκε η περιεκτικότητϊ του ςε θ φϊςη, η οπούα με την ςειρϊ τησ δημιούργηςε πιο ενεργϋσ ανοδικϋσ περιοχϋσ φτωχϋσ ςε Cu, η παρουςύα των οπούων ευνοεύ την ανϊπτυξη τησ περικρυςταλλικόσ διϊβρωςησ [47]. Η διϊβρωςη αποφλούωςησ, εύναι ϋνα εύδοσ ϋντονησ περικρυςταλλικόσ διϊβρωςησ, που αναπτύςςεται κατϊ μόκοσ των επιμηκυμϋνων, μετϊ από διεργαςύεσ, ορύων των κόκκων, παρϊλληλα ςτην επιφϊνεια του υλικού. Δεν αναπτύςςεται όμωσ ςε όλα τα υλικϊ που παρουςιϊζουν περικρυςταλλικό διϊβρωςη, αλλϊ η ύπαρξό τησ εύναι ςυνϊρτηςη του πϊχουσ του υλικού, καθώσ και του βαθμού επιμόκυνςησ των κόκκων του [43]. Ο μηχανιςμόσ τησ διϊβρωςησ αποφλούωςησ εύναι ύδιοσ με αυτόν τησ περικρυςταλλικόσ, ενώ εύναι χαρακτηριςτικό η διόγκωςη των ςτρωμϊτων κοντϊ ςτην επιφϊνεια του υλικού λόγω τησ ςυςςώρευςησ των προώόντων διϊβρωςησ ςτα όρια των κόκκων. Επύςησ, με την αύξηςη του χρόνου γόρανςησ, αυξϊνεται και η ευαιςθηςύα του κρϊματοσ 2024 ςτην διϊβρωςη αποφλούωςησ [47]. Η πιθανότητα ανϊπτυξησ τησ διϊβρωςησ αποφλούωςησ ςε ϋνα κρϊμα αλουμινύου, εύναι επύςησ ςυνϊρτηςη των διαβρωτικών ςυνθηκών ςτισ οπούεσ εκτύθεται το υλικό. Μύα ςύγκριςη τησ ϋνταςησ τησ διϊβρωςησ αποφλούωςησ του κρϊματοσ αλουμινύου 2124 μετϊ από ϋκθεςη ςε διϊφορα πραγματικϊ διαβρωτικϊ περιβϊλλοντα, δύνεται ςτο χόμα 5 [48]. 18

29 Κεφϊλαιο 2 o : Βιβλιογραφικό αναςκόπηςη χόμα 5: Ϊνταςη τησ διϊβρωςησ αποφλούωςησ του κρϊματοσ αλουμινύου 2124 μετϊ από ϋκθεςη ςε διϊφορα διαβρωτικϊ περιβϊλλοντα [48] Ψαθυροπούηςη του υλικού λόγω προςρόφηςησ υδρογόνου Σα ςωματύδια διαςπορϊσ και οι κατακρημνύςεισ τουσ, διαδραματύζουν τον κύριο ρόλο ςτην ανϊπτυξη τησ τρημματικόσ διϊβρωςησ, ςτην εξϋλιξό τησ ςε περικρυςταλλικό προςβολό και πιθανόν ςε αποφλούωςη, επιπλϋον όμωσ παύζουν ρόλο και ςτην ανϊπτυξη ενόσ ϊλλου μηχανιςμού τησ βλϊβησ διϊβρωςησ, αυτόν τησ προςρόφηςησ υδρογόνου και την επερχόμενη ψαθυροπούηςη του υλικού. Εκτόσ λοιπόν από τισ ηλεκτροχημικϋσ αντιδρϊςεισ που λαμβϊνουν χώρα κατϊ την διϊβρωςη του κρϊματοσ αλουμινύου (καθοδικϋσ και ανοδικϋσ), πραγματοποιούνται και επιπλϋον καθοδικϋσ αντιδρϊςεισ, όπωσ: - Η αναγωγό των ιόντων υδρογόνου 2Η + + 2e H 2 (2.4) - Η αναγωγό οξυγόνου διαλυμϋνου ςτο Η2Ο (ςε όξινα περιβϊλλοντα) Ο 2 + 4Η + + 4e 2Η 2 Ο (2.5) - Η αναγωγό οξυγόνου διαλυμϋνου ςτο Η2Ο (ςε βαςικϊ περιβϊλλοντα) Ο 2 + 2Η 2 Ο + 4e 4ΟΗ (2.6) 19

30 Κεφϊλαιο 2 o : Βιβλιογραφικό αναςκόπηςη Και τϋλοσ η διϊςπαςη του νερού: Η 2 Ο + e OH + H (2.7) Ϊνα μϋροσ του υδρογόνου που παρϊγεται ςτην επιφϊνεια του υλικού ειςϋρχεται ςτο υλικό υπό ατομικό μορφό. Αρχικϊ, αναγνωρύςτηκαν οι ενεργειακϋσ παγύδεσ μϋςα ςτισ οπούεσ αποθηκεύεται το διαχεόμενο ςτο υλικό υδρογόνο [11, 49]. Σισ παγύδεσ αυτϋσ αποτελούν ατϋλειεσ του υλικού: οι κενϋσ θϋςεισ, οι καταναγκαςμού, τα όρια των κόκκων καθώσ και οι φϊςεισ ςκλόρυνςησ τησ μικροδομόσ [11, 49-51]. Ανϊλογα με την ενϋργεια που απαιτεύται για να απελευθερωθεύ το υδρογόνο που ϋχει παγιδευτεύ ςε αυτϋσ, τα παραπϊνω ςημεύα δϋςμευςησ του υδρογόνου κατηγοριοποιόθηκαν ςε αντιςτρεπτϋσ και μη αντιςτρεπτϋσ παγύδεσ [52, 53]. Για να απελευθερωθεύ το υδρογόνο από τισ μη αντιςτρεπτϋσ παγύδεσ, το υλικό θα πρϋπει να θερμανθεύ ςε μια ςυγκεκριμϋνη θερμοκραςύα, διαφορετικό για κϊθε παγύδα, ενώ αντύθετα οι αντιςτρεπτϋσ παγύδεσ απελευθερώνουν το υδρογόνο ςυνεχώσ. ε παλαιότερεσ εργαςύεσ [10, 11, 49, 54-57] ερευνόθηκε η ςυμπεριφορϊ του διαχεόμενου υδρογόνου ςτο κρϊμα αλουμινύου Βρϋθηκε ότι το υδρογόνο αποθηκεύεται ςε διϊφορεσ ενεργειακϋσ παγύδεσ, οι οπούεσ αντιςτοιχούν ςε διαφορετικϊ ςημεύα τησ μικροδομόσ, όπωσ ςτα όρια των κόκκων, ςτα κενϊ ςτην μικροδομό, ςτισ γραμμοαταξύεσ και ςτην θ-φϊςη. Οι παγύδεσ αυτϋσ απελευθερώνουν το υδρογόνο τουσ ςε διαφορετικϋσ θερμοκραςύεσ. Πιο ςυγκεκριμϋνα, ωσ Σ1 ορύςτηκε η κατϊςταςη η οπούα ςχετύζεται με τισ θϋςεισ παρεμβολόσ του υδρογόνου ςτο πλϋγμα, η Σ2 ςχετύζεται με την διεπιφϊνεια των ςωματιδύων δεύτερησ φϊςησ και του μητρικού υλικού, η Σ3 με το υδρύδιο που ςχηματύζεται από την περύςςεια Mg ςτο υλικό και η Σ4 με τισ φϊςεισ ςκλόρυνςησ τησ μικροδομόσ [11]. ε μια πρόςφατη εργαςύα [49] αποδεύχθηκε ότι η ενεργειακό παγύδα Σ4 ςχετύζεται με την ύπαρξη τησ S-φϊςησ ςτο κρϊμα, ενώ η Σ3 με τουσ καταναγκαςμούσ που βρύςκονται ςτο υλικό. Οι ενεργειακϋσ παγύδεσ Σ2, Σ3 και Σ4 χαρακτηρύζονται ωσ μη αντιςτρεπτϋσ, ενώ η Σ4 βρϋθηκε να εύναι η πιο ιςχυρό, αφού απαιτεύται υψηλότερη θερμοκραςύα προκειμϋνου να απελευθερωθεύ το παγιδευμϋνο υδρογόνο. Αντύθετα, η Σ1 χαρακτηρύςτηκε αντιςτρεπτό, αφού απελευθϋρωνε το υδρογόνο όδη από χαμηλϋσ θερμοκραςύεσ κατϊ τη θϋρμανςη του 20

31 Κεφϊλαιο 2 o : Βιβλιογραφικό αναςκόπηςη υλικού. το χόμα 6 παρουςιϊζεται η ποςότητα τησ ϋκλυςησ υδρογόνου ςε δοκύμια του κρϊματοσ αλουμινύου 2024 Σ3 για ςυνεχό θϋρμανςη ϋωσ τουσ 600 C [57]. Οι θερμοκραςύεσ Σ1 ϋωσ Σ4 αντιςτοιχούν ςτη θερμοκραςύα που απαιτεύται προκειμϋνου να απελευθερωθεύ το υδρογόνο από τισ ενεργειακϋσ παγύδεσ. χόμα 6: Ποςότητα τησ ϋκλυςησ υδρογόνου ςε δοκύμια του κρϊματοσ αλουμινύου 2024 Σ3 για ςυνεχό θϋρμανςη ϋωσ τουσ 600 C [57]. την εργαςύα [55], βρϋθηκε ότι το υδρογόνο ςυγκεντρώνεται ςτα ςημεύα κϊτω από την βλϊβη διϊβρωςησ και ειςχωρεύ ακόμα περιςςότερο ςτο βϊθοσ του μη διαβρωμϋνου υλικού κϊτω από το ςτρώμα διϊβρωςησ, μϋςω τησ περικρυςταλλικόσ προςβολόσ. Όταν το υδρογόνο διαχϋεται ςτο εςωτερικό του υλικού, δημιουργεύται μια ψαθυροποιημϋνη ζώνη ακριβώσ κϊτω από την επιφανειακό βλϊβη διϊβρωςησ. Η επύδραςη τησ προςρόφηςησ υδρογόνου από το υλικό και τησ δημιουργύασ ψαθυροποιημϋνησ ζώνησ κϊτω από την βλϊβη διϊβρωςησ ςτην μηχανικό ςυμπεριφορϊ του υλικού, παρουςιϊζονται μεταξύ ϊλλων ςε επόμενη παρϊγραφο. 2.2 Μϋθοδοι αποτύμηςησ τησ βλϊβησ διϊβρωςησ Οι μϋθοδοι αποτύμηςησ τησ βλϊβησ διϊβρωςησ, εξαρτώνται από τον τύπο τησ διϊβρωςησ που ϋχει αναπτυχθεύ ςτο υλικό [16]. 21

32 Κεφϊλαιο 2 o : Βιβλιογραφικό αναςκόπηςη Ομοιόμορφη διϊβρωςη: τισ περιςςότερεσ περιπτώςεισ, ο ρυθμόσ εξϋλιξησ τησ ομοιόμορφησ διϊβρωςησ παρουςιϊζεται ωσ η απώλεια του πϊχουσ του υλικού ςε ςυνϊρτηςη με τον χρόνο ϋκθεςησ ςτο διαβρωτικό περιβϊλλον. Αυτό το μϋγεθοσ μπορεύ να μετρηθεύ από τα πειραματικϊ δεδομϋνα, ό ακόμα να ςυςχετιςτεύ και να υπολογιςτεύ βϊςει τησ απώλειασ μϊζασ του υλικού [16]. Σρημματικό διϊβρωςη: Η αποτύμηςη τησ τρημματικόσ διϊβρωςησ, πραγματοποιεύται με μετρόςεισ μικροςκοπύου ό με την χρόςη μη καταςτροφικών μεθόδων, όπωσ για παρϊδειγμα ραδιογραφύα και ηλεκτρομαγνητικϋσ μεθόδουσ, ςύμφωνα με την προδιαγραφό ASTM G46 [58]. Μετρϊται η πυκνότητα των τρημμϊτων, τα γεωμετρικϊ τουσ χαρακτηριςτικϊ όπωσ η διϊμετροσ και το βϊθοσ τουσ, όπωσ επύςησ χαρακτηρύζεται και το ςχόμα τουσ. Σα τρόμματα μπορούν να χαρακτηριςτούν ωσ ημι-ελλειπτικϊ, υποςκαμμϋνα, κλπ. [16]. πηλαιώδησ διϊβρωςη: Η ςπηλαιώδησ διϊβρωςη μπορεύ να θεωρηθεύ ωσ μια μεγϋθυνςη τησ τρημματικόσ διϊβρωςησ. Εμφανύζεται ςε περιοχϋσ που η κύνηςη του διαβρωτικού διαλύματοσ εύναι περιοριςμϋνη, αλλϊζοντασ ϋτςι την ςύςταςό του ςε ςχϋςη με το κυρύωσ διϊλυμα. Η αποτύμηςη τησ ςπηλαιώδουσ διϊβρωςησ γύνεται μϋςω μετρόςεων των γεωμετρικών χαρακτηριςτικών των κοιλοτότων που ςχηματύζονται, καθώσ και υπολογύζοντασ τον λόγο του ανούγματοσ τησ οπόσ προσ την κοιλότητα [43]. Περικρυςταλλικό διϊβρωςη: Για τη μϋτρηςη τησ περικρυςταλλικόσ διϊβρωςησ ςτα κρϊματα αλουμινύου, εφαρμόζεται μια ποςοτικό προςϋγγιςη ςύμφωνα με την προδιαγραφό ASTM G67 [59], όπου μετρϊται η απώλεια μϊζασ του υλικού ωσ ςυνϋπεια τησ απομϊκρυνςησ ακόμα και ολόκληρων κόκκων από το υλικό λόγω τησ ανϊπτυξησ περικρυςταλλικόσ διϊβρωςησ. Επύςησ, μετρϊται και το βϊθοσ προςβολόσ τησ περικρυςταλλικόσ διϊβρωςησ [60]. Διϊβρωςη αποφλούωςησ: Η ϋνταςη τησ διϊβρωςησ αποφλούωςησ μετρϊται οπτικϊ, μϋςω του βϊθουσ προςβολόσ. Επύςησ μετρϊται και η απώλεια μϊζασ του μετϊλλου [16]. 22

33 Κεφϊλαιο 2 o : Βιβλιογραφικό αναςκόπηςη 2.3 Επύδραςη τησ διϊβρωςησ ςτην μηχανικό ςυμπεριφορϊ των υλικών Σα τελευταύα χρόνια ϋχουν δημοςιευτεύ αρκετϊ αποτελϋςματα ερευνών ςχετικϊ με την ςυμπεριφορϊ εφελκυςμού των διαβρωμϋνων κραμϊτων αλουμινύου [10, 12, 60, 61]. Η διϊβρωςη επιδρϊ αρνητικϊ ςτην μηχανικό ςυμπεριφορϊ των κραμϊτων αλουμινύου, με αποτϋλεςμα οριςμϋνεσ φορϋσ το υλικό να υφύςταται δραματικό απώλεια των μηχανικών του ιδιοτότων, και κυρύωσ τησ ολκιμότητασ. Φαρακτηριςτικϊ εύναι τα αποτελϋςματα τησ εργαςύασ [12], όπου μελετόθηκε η υποβϊθμιςη των μηχανικών ιδιοτότων των διαβρωμϋνων κραμϊτων αλουμινύου 2024, 6013 και Σα αποτελϋςματα των δοκιμών αναφορικϊ με το κρϊμα αλουμινύου 2024 Σ3, μετϊ από ϋκθεςη ςε διαφορετικϊ περιβϊλλοντα επιταχυνόμενησ διϊβρωςησ, παρουςιϊζονται ςτο χόμα 7. χόμα 7: Απομϋνουςεσ ιδιότητεσ εφελκυςμού κρϊματοσ αλουμινύου 2024 Σ3 διαβρωμϋνο ςε διϊφορεσ διαβρωτικϋσ ςυνθόκεσ [12] Σα αποτελϋςματα τησ εργαςύασ αναδεικνύουν μια μϋτρια υποβϊθμιςη των ιδιοτότων αντοχόσ, αλλϊ ταυτόχρονα μια δραματικό πτώςη των ιδιοτότων ολκιμότητασ. Η ύδια ςυμπεριφορϊ για κρϊματα αλουμινύου παρατηρόθηκε και ςε ϊλλεσ ϋρευνεσ [10, 60, 61]. την εργαςύα [10] η μελϋτη των επιφανειών θραύςησ 23

34 Κεφϊλαιο 2 o : Βιβλιογραφικό αναςκόπηςη των δοκιμύων εφελκυςμού του κρϊματοσ 2024 Σ3, ανϋδειξε την ύπαρξη ψαθυροποιημϋνων περιοχών λόγω τησ απορρόφηςησ υδρογόνου κϊτω από την βλϊβη διϊβρωςησ. την ςυνϋχεια πραγματοποιόθηκε αφαύρεςη του διαβρωμϋνου ςτρώματοσ από την ϊνω και τισ παρϊπλευρεσ επιφϊνειεσ του δοκιμύου. Οι μηχανικϋσ δοκιμϋσ εφελκυςμού ανϋδειξαν την πλόρη επαναφορϊ των ιδιοτότων αντοχόσ, αλλϊ η επαναφορϊ τησ ολκιμότητασ του υλικού όταν μόνο μερικό (χόμα 8). Όταν όμωσ ϋγιναν δοκιμϋσ ςε δοκύμια ςτα οπούα αφαιρϋθηκε και η ψαθυροποιημϋνη ζώνη κϊτω από την βλϊβη διϊβρωςησ, οι ιδιότητεσ ολκιμότητασ επανακτόθηκαν πλόρωσ. χόμα 8: Απομϋνουςεσ μηχανικϋσ ιδιότητεσ κρϊματοσ αλουμινύου 2024 Σ3 μετϊ από αφαύρεςη του διαβρωμϋνου ςτρώματοσ και τησ ψαθυροποιημϋνησ ζώνησ [10] ε ςυνδυαςμό και με τα αποτελϋςματα ϊλλων ερευνών [11, 55], η πτώςη των ιδιοτότων αντοχόσ αποδόθηκε ςτην ύπαρξη τρημμϊτων ό περιοχών αποφλούωςησ που δρουν ωσ γεωμετρικϋσ αςυνϋχειεσ και ςημεύα ςυγκϋντρωςησ τϊςεων. Αντύθετα βρϋθηκε ότι η πτώςη τησ ολκιμότητασ οφεύλεται μόνο μερικώσ, και πιθανώσ δευτερευόντωσ, ςτισ παραπϊνω γεωμετρικϋσ αςυνϋχειεσ και ςε μεγϊλο βαθμό οφεύλεται ςτην προςρόφηςη υδρογόνου από το υλικό η οπούα προκαλεύ την ψαθυροπούηςό του. Ενδεικτικϋσ μελϋτεσ [9, 13-15, 62-65] αποδεικνύουν την μεύωςη τησ διϊρκειασ ζωόσ ςε κόπωςη του υλικού λόγω διϊβρωςησ. την εργαςύα [14] βρϋθηκε 24

35 Κεφϊλαιο 2 o : Βιβλιογραφικό αναςκόπηςη ότι η διϊρκεια ζωόσ ςε κόπωςη του κρϊματοσ αλουμινύου 2024 μετϊ από ϋκθεςη ςε διαβρωτικϊ διαλύματα διαφορετικόσ ϋνταςησ, μειώνεται ϋωσ και 50%. την εργαςύα [62] ςημειώνεται πωσ η ϋναρξη των ρωγμών κόπωςησ μπορεύ να ξεκινόςει ακόμα και από τα μικρότερα τρόμματα, λόγω τησ ςυγκϋντρωςησ τϊςεων που αυτϊ επιφϋρουν. Η μελϋτη όμωσ τησ επύδραςησ τησ διϊβρωςησ ςτην ςυμπεριφορϊ ςε κόπωςη του διαβρωμϋνου υλικού ξεπερνϊ τα όρια τησ παρούςασ διδακτορικόσ διατριβόσ. Ασ ςημειωθεύ ότι υπϊρχουν δοκιμϋσ ςε προδιαβρωμϋνα υλικϊ και δοκιμϋσ όπου το μηχανικό φορτύο εφαρμόζεται παρουςύα διαβρωτικού περιβϊλλοντοσ. Οι δοκιμϋσ αυτϋσ εξομοιώνουν διαφορετικϋσ πρακτικώσ περιπτώςεισ. τισ πτϋρυγεσ του αεροςκϊφουσ κατϊ την διϊρκεια τησ πτόςησ, τη ςτιγμό δηλαδό που οι αεροπορικϋσ δομϋσ δϋχονται μηχανικϊ φορτύα, η χαμηλό θερμοκραςύα δεν ευνοεύ την ανϊπτυξη τησ διϊβρωςησ. Αντύθετα, όταν ϋνα αεροςκϊφοσ εύναι προςγειωμϋνο ςτο ϋδαφοσ και απουςύα μηχανικών φορτύων, το περιβϊλλον ενδϋχεται να εύναι διαβρωτικό. Αυτό ςημαύνει ότι κατϊ την ϋναρξη τησ πτόςησ η αεροπορικό δομό ενδεχομϋνωσ να ϋχει όδη διαβρωθεύ, και τα φορτύα να εφαρμόζονται πϊνω ςτην όδη υπαρκτό βλϊβη διϊβρωςησ. 2.4 υςχϋτιςη τησ βλϊβησ διϊβρωςησ με τη μηχανικό ςυμπεριφορϊ του υλικού και προςομούωςη τησ διϊβρωςησ Πρόςφατεσ ϋρευνεσ ϋχουν ωσ αντικεύμενο τη ςυςχϋτιςη τησ βλϊβησ διϊβρωςησ με την υποβϊθμιςη των μηχανικών ιδιοτότων του υλικού. O αριθμόσ αυτών των ερευνών παραμϋνει μϋχρι ςόμερα περιοριςμϋνοσ. Σα αποτελϋςματα που ϋχουν δημοςιευτεύ περιλαμβϊνουν: τη ςυςχϋτιςη των πειραματικών μετρόςεων τησ βλϊβησ διϊβρωςησ και των μηχανικών ιδιοτότων με χρόςη Νευρωνικών Δικτύων, την ανϊπτυξη αναλυτικών ςχϋςεων και τη χρόςη μοντϋλων πεπεραςμϋνων ςτοιχεύων. 25

36 Κεφϊλαιο 2 o : Βιβλιογραφικό αναςκόπηςη την εργαςύα [60] μετρόθηκε το βϊθοσ προςβολόσ τησ διϊβρωςησ ςε κρϊμα αλουμινύου 2024 και υπολογύςτηκε η εναπομϋνουςα αντοχό του υλικού. Με βϊςη αυτϊ τα πειραματικϊ δεδομϋνα, αναπτύχθηκαν εμπειρικϋσ εξιςώςεισ που ςυςχετύζουν το βϊθοσ προςβολόσ τησ διϊβρωςησ με την αντοχό του διαβρωμϋνου υλικού. Επιπλϋον, ςτην εργαςύα [66] ςυςχετύςτηκε η απώλεια μϊζασ λόγω διϊβρωςησ του κρϊματοσ αλουμινύου 7075 με τισ εναπομϋνουςεσ μηχανικϋσ ιδιότητϋσ του. Σην τελευταύα δεκαετύα, πραγματοποιόθηκαν ϋρευνεσ με αντικεύμενο την προςομούωςη τησ διϊβρωςησ μϋςω τησ ανϊπτυξησ μοντϋλων πεπεραςμϋνων ςτοιχεύων [66-75]. την εργαςύα [66], τα τρόμματα προςομοιώθηκαν ωσ ελλειπτικϋσ γεωμετρικϋσ αςυνϋχειεσ ςε ϋνα δοκύμιο κόπωςησ ςε ποικύλεσ θϋςεισ. την ανϊλυςη περιλαμβϊνονται ϋωσ 2 τρόμματα, ενώ βρϋθηκε ότι η θϋςη τουσ ςτο δοκύμιο επηρεϊζει το ςυντελεςτό τησ ςυγκϋντρωςησ τϊςεων που προκαλούν. Η διϊβρωςη αποφλούωςησ του κρϊματοσ αλουμινύου 7178 Σ6 ςτην εργαςύα [69], προςομοιώθηκε ωσ ςτοιχεύα όγκου με μηδενικϋσ μηχανικϋσ ιδιότητεσ ενςωματωμϋνα ςε ϋνα 3D μοντϋλο πεπεραςμϋνων ςτοιχεύων. την εργαςύα [72] ερευνόθηκε η επύδραςη τησ τρημματικόσ βλϊβησ διϊβρωςησ ςε ςυνδυαςμό με αξονικϋσ φορτύςεισ ςε ςωλόνεσ χϊλυβα. Παρατηρόθηκε ότι η ϋναρξη των πλαςτικών παραμορφώςεων ςτην ϊκρη του τρόμματοσ εύναι ςυνϊρτηςη τησ γεωμετρύασ του τρόμματοσ. Η κατανομό των τϊςεων γύρω από ϋνα τρόμμα και η εξϋλιξό τουσ ςε ςυνϊρτηςη με το ςχόμα του και με το χρόνο ϋκθεςησ μελετόθηκε ςτην εργαςύα [74]. Σα αποτελϋςματα ϋδειξαν ότι ενώ αρχικϊ οι τϊςεισ αυξϊνονται ςημαντικϊ, με την πϊροδο του χρόνου ϋκθεςησ και τισ αλλαγϋσ ςτη γεωμετρύα του τρόμματοσ αυτϋσ οι τϊςεισ μειώνονται. Αυτό το φαινόμενο αποδόθηκε ςτην πιθανό ϋναρξη ρωγμών από τα τρόμματα. την εργαςύα [67] μελετόθηκε η ςυγκϋντρωςη τϊςεων ςτην περιοχό των τρημμϊτων τησ διϊβρωςησ, αναπτύςςοντασ 3D μοντϋλα με τρόμματα διαφορετικόσ γεωμετρύασ. Βρϋθηκε ότι ο λόγοσ του βϊθουσ προσ την διϊμετρο του τρόμματοσ εύναι η κύρια παρϊμετροσ που επηρεϊζει τη ςυγκϋντρωςη τϊςεων γύρω από το τρόμμα. Επύςησ, ςυμπεραύνεται, βϊςει αυτών των αποτελεςμϊτων, ότι η ύπαρξη τρόμματοσ οποιαςδόποτε γεωμετρύασ μπορεύ να οδηγόςει ςτην ϋναρξη ρωγμών κϊτω από μηχανικϋσ φορτύςεισ. Σϋλοσ, ςε μια 26

37 Κεφϊλαιο 2 o : Βιβλιογραφικό αναςκόπηςη πρόςφατη εργαςύα [75] μελετόθηκε η επύδραςη τησ γεωμετρύασ ενόσ τρόμματοσ ςτισ μηχανικϋσ ιδιότητεσ του οπλιςμού ςκυροδϋματοσ. Βρϋθηκε ότι εκτόσ από το βϊθοσ του τρόμματοσ, ςημαντικό επύδραςη ςτισ μηχανικϋσ ιδιότητεσ και ειδικϊ ςτην ολκιμότητα ϋχει και το ςχόμα του τρόμματοσ. την εργαςύα [76] η προςπϊθεια ςύνδεςησ των μεταλλογραφικών χαρακτηριςτικών τησ βλϊβησ διϊβρωςησ με τισ μηχανικϋσ ιδιότητεσ του διαβρωμϋνου κρϊματοσ μαγνηςύου ΑΖ31 επετεύχθη με τη χρόςη Νευρωνικών Δικτύων. Μειονϋκτημα αυτόσ τησ προςϋγγιςησ θεωρεύται το γεγονόσ ότι δεν λαμβϊνονται υπόψη οι φυςικού μηχανιςμού που λαμβϊνουν χώρα κατϊ την υποβϊθμιςη των μηχανικών ιδιοτότων. 2.5 Διϊβρωςη και φιλοςοφύεσ ςχεδιαςμού Η διϊβρωςη αντιμετωπύζεται διαφορετικϊ ςε κϊθε περύπτωςη ςχεδιαςμού των καταςκευών και των δομικών ςτοιχεύων: χεδιαςμόσ για προκαθοριςμϋνη διϊρκεια ζωόσ (Safe-life design)[1, 9, 77]: το ςχεδιαςμό για προκαθοριςμϋνη διϊρκεια ζωόσ, οι καταςκευϋσ και τα δομικϊ ςτοιχεύα πιςτοποιούνται μϋςω δοκιμών ςε εργαςτηριακό περιβϊλλον (ακόμη και δοκιμϋσ μεγϊλησ κλύμακασ) και αριθμητικόσ προςομούωςησ. Η επιταχυνόμενη φύςη των δοκιμών ςε εργαςτηριακό περιβϊλλον ςυντελεύ ςτο να μην αναπτυχθεύ βλϊβη διϊβρωςησ. Λαμβϊνοντασ αυτό υπόψη, οι καταςκευϋσ ςχεδιϊζονται με υψηλούσ ςυντελεςτϋσ αςφαλεύασ. Επιπλϋον, ο ςχεδιαςμόσ αυτόσ βαςύζεται ςτη φιλοςοφύα ότι όςο οι τϊςεισ αλλϊ και οι παραμορφώςεισ ςε ϋνα δομικό ςτοιχεύο δεν ξεπερϊςουν μια κρύςιμη τιμό, δεν θα δημιουργηθούν ρωγμϋσ κατϊ την αναμενόμενη διϊρκεια ζωόσ τησ καταςκευόσ. Όμωσ η ανϊπτυξη τησ βλϊβησ διϊβρωςησ (πχ. τρόμματα) οδηγεύ ςε ςυγκϋντρωςη τϊςεων που ευνοεύ την πρόωρη ανϊπτυξη ρωγμών. χεδιαςμόσ για αςφαλό λειτουργύα (Fail-safe design)[1, 9]: 27

38 Κεφϊλαιο 2 o : Βιβλιογραφικό αναςκόπηςη το ςχεδιαςμό για αςφαλό λειτουργύα η καταςκευό μπορεύ να φϋρει τα επιθυμητϊ φορτύα, παρόλο που κύρια τμόματϊ τησ ϋχουν υποςτεύ ολικό ό μερικό αςτοχύα, για μια ςυγκεκριμϋνη χρονικό περύοδο μϋχρι τον επόμενο προγραμματιςμϋνο ϋλεγχο. ε αυτϋσ τισ πιθανϋσ αςτοχύεσ περιλαμβϊνεται και η ύπαρξη διϊβρωςησ. Οι βαςικϋσ τεχνολογικϋσ ανϊγκεσ για την εφαρμογό του ςχεδιαςμού για αςφαλό λειτουργύα ςυμπεριλαμβανομϋνησ τησ βλϊβησ διϊβρωςησ, εύναι [2]: i) η βελτιςτοπούηςη των μεθόδων για την πρόβλεψη τησ ϋναρξησ των ρωγμών κόπωςησ, λαμβϊνοντασ υπόψη και την πιθανό επύδραςη τησ διϊβρωςησ ςτην ϋναρξη των ρωγμών και την διϊδοςό τουσ, και ii) η βελτιςτοπούηςη των μη καταςτροφικών ελϋγχων για τον εντοπιςμό των μικρών ρωγμών κόπωςησ, πριν αυτϋσ οδηγόςουν ςε ευρεύασ ϋκταςησ βλϊβη κόπωςησ, αλλϊ και τον εντοπιςμό πιθανόσ ύπαρξησ διϊβρωςησ. Σο 1973, η απώλεια τησ ςχεδιαςμϋνησ για αςφαλό λειτουργύα πτϋρυγασ του αεροςκϊφουσ F-4 Phantom II, απϋδειξε ότι μια καταςκευό δεν μπορεύ να εύναι πλόρωσ αςφαλόσ χωρύσ τουσ απαραύτητουσ ελϋγχουσ [78]. Η ανϊγκη για τον εντοπιςμό των ρωγμών ςε μια καταςκευό, οδόγηςε ςτον καθοριςμό προγραμματιςμϋνων ελϋγχων τησ βλϊβησ, που με τη ςειρϊ τουσ οδόγηςαν ςτην ανϊπτυξη τησ θεωρύασ τησ ανοχόσ ςτη βλϊβη. χεδιαςμόσ με ανοχό ςτη βλϊβη (Damage Tolerance Design)[1, 9, 79, 80]: Ο ςχεδιαςμόσ με ανοχό ςτη βλϊβη, ο οπούοσ εφαρμόζεται αμιγώσ ςτισ αεροπορικϋσ δομϋσ, ϋχει ςχεδόν την ύδια φιλοςοφύα με αυτόν τησ αςφαλούσ λειτουργύασ: μια δομό ςυνεχύζει τη λειτουργύα τησ παρόλο που εμπεριϋχει ρωγμϋσ. Σο ςενϊριο όμωσ αυτό εύναι εμπλουτιςμϋνο με γνώςεισ και πληροφορύεσ αναφορικϊ με τον χρόνο που χρειϊζεται η ατϋλεια για να οδηγόςει ςε αςτοχύα. Οι πληροφορύεσ αυτϋσ αντλούνται από τη θραυςτομηχανικό, ςτην οπούα εύναι πλόρωσ βαςιςμϋνοσ ο ςχεδιαςμόσ με ανοχό ςτη βλϊβη. Αυτό ϋχει ωσ ςυνϋπεια την υποεκτύμηςη τησ επύδραςησ τησ βλϊβησ διϊβρωςησ, λόγω τησ οπούασ εύναι πιθανό η ανϊπτυξη βλϊβησ πολλών ςημεύων (Μulti-site damage) ό ακόμα και πολλαπλόσ βλϊβησ κόπωςησ (Widespread fatigue). 28

39 Κεφϊλαιο 3 ο : Πειραματικό διαδικαςύα ΚΕΥΑΛΑΙΟ 3 ο Πειραματικό διαδικαςύα το παρόν κεφϊλαιο περιγρϊφεται η πειραματικό διαδικαςύα που ακολουθόθηκε με ςκοπό την ποςοτικοπούηςη τησ βλϊβησ διϊβρωςησ, αλλϊ και την εκτύμηςη τησ επύδραςόσ τησ ςτισ μηχανικϋσ ιδιότητεσ εφελκυςμού του διαβρωμϋνου υλικού. Περιγρϊφεται αναλυτικϊ η διαδικαςύα τησ μεταλλογραφικόσ ανϊλυςησ τησ βλϊβησ διϊβρωςησ, των μηχανικών δοκιμών εφελκυςμού και τησ μελϋτησ των επιφανειών θραύςησ. 3.1 Κρϊμα αλουμινύου 2024 Σ3 Σο υλικό που χρηςιμοποιόθηκε ςτην παρούςα εργαςύα όταν το κρϊμα αλουμινύου Αl 2024 ςτη θερμικό κατεργαςύα Σ3 και διατϋθηκε ςε μορφό ελϊςματοσ πϊχουσ 1.27mm. Σο ςυγκεκριμϋνο κρϊμα χρηςιμοποιεύται ευρϋωσ ςτην αεροπορικό βιομηχανύα λόγω των υψηλών ειδικών ιδιοτότων του (μηχανικϋσ ιδιότητεσ προσ ειδικό βϊροσ). Ανόκει ςτην ςειρϊ 2xxx, εύναι θερμικϊ κατεργϊςιμο και επιδϋχεται θερμικό κατεργαςύα διαλυτοπούηςησ, ενώ ακολουθεύ η διεργαςύα τησ γόρανςησ με ςκοπό την αύξηςη τησ αντοχόσ και τησ ςκληρότητϊσ του. Ο ςυμβολιςμόσ Σ3 χαρακτηρύζει την θερμικό κατεργαςύα του κρϊματοσ, η οπούα περιλαμβϊνει θερμικό κατεργαςύα ςτερεόσ διαλυτοπούηςησ, βαφό, κατεργαςύα εν ψυχρώ και φυςικό 29

40 Κεφϊλαιο 3 ο : Πειραματικό διαδικαςύα γόρανςη [81]. τον Πύνακα 2 παρουςιϊζονται οι χαρακτηριςτικϋσ μηχανικϋσ ιδιότητϋσ του κρϊματοσ [82]. Τλικό Πύνακασ 2: Φαρακτηριςτικϋσ μηχανικϋσ ιδιότητεσ του κρϊματοσ Αl 2024 Σ3 Όριο θραύςησ [MPa] Όριο διαρροόσ [MPa] Παραμόρφωςη θραύςησ Α 50 [%] Μϋτρο Ελαςτικότητασ [GPa] 2024 Σ Δοκύμια Σα δοκύμια που χρηςιμοποιόθηκαν ςτη μεταλλογραφικό ανϊλυςη όταν ορθογώνια παραλληλεπύπεδα. Σο πλϊτοσ τουσ όταν 50mm, ενώ το μόκοσ τουσ 100mm. Η μια πλευρϊ των δοκιμύων προςτατεύθηκε με φυςικό κερύ προκειμϋνου να μην διαβρωθεύ. Η γεωμετρύα τουσ φαύνεται ςτο χόμα 9. χόμα 9: Γεωμετρύα δοκιμύου μεταλλογραφικόσ ανϊλυςησ Σα δοκύμια εφελκυςμού καταςκευϊςτηκαν ςύμφωνα με την προδιαγραφό ASTM E8M-04 [83]. Σα δοκύμια κόπηκαν κατϊ μόκοσ τησ διεύθυνςησ τησ ϋλαςησ (L) και η γεωμετρύα τουσ παρουςιϊζεται ςτο χόμα 10. χόμα 10: Γεωμετρύα δοκιμύων εφελκυςμού [83] 30

41 Κεφϊλαιο 3 ο : Πειραματικό διαδικαςύα το διαβρωτικό περιβϊλλον εκτϋθηκε μόνο η μύα πλευρϊ του δοκιμύου, ενώ οι υπόλοιπεσ προςτατεύτηκαν με φυςικό κερύ, όπωσ φαύνεται ςτο χόμα 11. χόμα 11: Προςτατευμϋνεσ περιοχϋσ με φυςικό κερύ ςτο δοκύμιο εφελκυςμού. 3.3 Διεργαςύα διϊβρωςησ αποφλούωςησ Για την διϊβρωςη των δοκιμύων επιλϋχθηκε η επιταχυνθεύςα εργαςτηριακό δοκιμό τησ διϊβρωςησ αποφλούωςησ, ςύμφωνα με την προδιαγραφό ASTM G34-01 [84]. ε παλαιότερεσ ϋρευνεσ [85, 86], ϋχει βρεθεύ ότι αυτό η δοκιμό προςομοιώνει ςτο εργαςτόριο ικανοποιητικϊ την φυςικό διϊβρωςη ςτα κρϊματα αλουμινύου. ύμφωνα με την προδιαγραφό, το δοκύμιο εμβαπτύζεται ςε διαβρωτικό διϊλυμα που περιϋχει τισ χημικϋσ ενώςεισ : χλωριούχο νϊτριο (NaCl), νιτρικό κϊλιο (KNO3) και νιτρικό οξύ (HNO3) αραιωμϋνεσ ςε 1lt απιονιςμϋνο νερό ςτισ ακόλουθεσ αναλογύεσ: 234 gr NaCl, 50gr KNO3 και 6.3mL HNO3. Η θερμοκραςύα του διαλύματοσ διατηρόθηκε ςταθερό ςτουσ 25±3 C και η τιμό του ph όταν 0.4. O όγκοσ του διαλύματοσ προσ την επιφϊνεια των δοκιμύων όταν 20mL/cm 2. Μετϊ την ϋκθεςη των δοκιμύων για 6 διαφορετικούσ χρόνουσ ϋκθεςησ ςτο διαβρωτικό διϊλυμα (2, 4, 8, 12, 16 και 24 ώρεσ), ακολουθούςε καθαριςμόσ των δοκιμύων που περιελϊμβανε τοποθϋτηςη των δοκιμύων ςε νιτρικό οξύ, ςτη ςυνϋχεια ξϋπλυμα με ακετόνη και ςτϋγνωμα με παροχό ζεςτού αϋρα. τη ςυνϋχεια τα δοκύμια τοποθετούνταν ςε θϊλαμο ελεγχόμενησ θερμοκραςύασ ςτουσ -21 C μϋχρι να πραγματοποιηθεύ η μεταλλογραφικό ανϊλυςη και οι μηχανικϋσ δοκιμϋσ εφελκυςμού προκειμϋνου να μην διαβρωθεύ περαιτϋρω το υλικό. 31

42 Κεφϊλαιο 3 ο : Πειραματικό διαδικαςύα 3.4 Μεταλλογραφικό ανϊλυςη τησ βλϊβησ διϊβρωςησ Για την ποςοτικοπούηςη τησ εξϋλιξησ τησ βλϊβησ διϊβρωςησ που αναπτύχθηκε ςτο υλικό μετϊ από την ϋκθεςη του υλικού ςτισ 6 διαφορετικϋσ χρονικϋσ περιόδουσ, μετρόθηκαν τα χαρακτηριςτικϊ τησ διϊβρωςησ ςτα ορθογώνια παραλληλεπύπεδα δοκύμια ςύμφωνα με την προδιαγραφό ASTM G46 [58]. Μελετόθηκε η διϊβρωςη που αναπτύχθηκε ςτην ϊνω αλλϊ και ςτην παρϊπλευρη επιφϊνεια του δοκιμύου, όπωσ φαύνεται ςτο χόμα 12. Πιο ςυγκεκριμϋνα ςτην ϊνω επιφϊνεια, επιλϋχθηκαν τυχαύα 4 περιοχϋσ ύδιου εμβαδού (10x10mm) ςτισ οπούεσ μετρόθηκαν τα χαρακτηριςτικϊ τησ βλϊβησ διϊβρωςησ. χόμα 12: Επιφϊνειεσ μελϋτησ για την ποςοτικοπούηςη τησ βλϊβησ διϊβρωςησ Για τισ μετρόςεισ τησ βλϊβησ διϊβρωςησ χρηςιμοποιόθηκε οπτικό μικροςκόπιο τύπου LEICA DM LM. Επιπλϋον, πραγματοποιόθηκαν και τομϋσ ςτην ϊνω αλλϊ και ςτην παρϊπλευρη επιφϊνεια με ςκοπό τον πλόρη χαρακτηριςμό τησ διϊβρωςησ, ο οπούοσ ςτο ςύνολό του περιλαμβϊνει: o Μϋτρηςη του μϋςου και μϋγιςτου βϊθουσ των τρημμϊτων/περιοχών αποφλούωςησ: Προςδιορύςτηκε το μϋςο βϊθοσ των τρημμϊτων που εντοπύςτηκαν ςτισ επιλεγμϋνεσ περιοχϋσ. Ψσ μϋγιςτο βϊθοσ προςδιορύςτηκε το μϋςο βϊθοσ των 10 βαθύτερων τρημμϊτων που εντοπύςτηκαν ςτισ περιοχϋσ, αφού λόγω τησ τυχαύασ επιλογόσ αυτών, το απολύτωσ μεγαλύτερο τρόμμα ςτο ςύνολο τησ επιφϊνειασ ενδεχομϋνωσ να μην εντοπύςτηκε. 32

43 Κεφϊλαιο 3 ο : Πειραματικό διαδικαςύα o Μϋτρηςη τησ διαμϋτρου των τρημμϊτων/περιοχών αποφλούωςησ: Για κϊθε τρόμμα που εντοπύςτηκε, μετρόθηκαν οι δύο κϊθετεσ διϊμετρού του και εξόχθη ο μϋςοσ όροσ τουσ ο οπούοσ χαρακτόριςε την διϊμετρο του τρόμματοσ. o Μϋτρηςη τησ πυκνότητασ των τρημμϊτων/ περιοχών αποφλούωςησ: Μετρόθηκε ο αριθμόσ των τρημμϊτων ςε κϊθε τυχαύα επιλεγμϋνη περιοχό. o Φαρακτηριςμό του ςχόματοσ των τρημμϊτων: Οι τομϋσ ςτο υλικό ανϋδειξαν το ςχόμα των τρημμϊτων, το οπούο χαρακτηρύςτηκε ςύμφωνα με την προδιαγραφό ASTM G46 [58]. Σα παραπϊνω χαρακτηριςτικϊ αξιολογόθηκαν και για την περύπτωςη τησ βλϊβησ διϊβρωςησ ςτην παρϊπλευρη επιφϊνεια. Η μϋτρηςη αυτών πραγματοποιόθηκε με τη χρόςη τομών, λειαύνοντασ ςταδιακϊ κατϊ το πϊχοσ των δοκιμύων και καταγρϊφοντασ κϊθε φορϊ την παρατηρούμενη βλϊβη. 3.5 Μηχανικϋσ δοκιμϋσ εφελκυςμού Για τον προςδιοριςμό τησ επύδραςησ τησ βλϊβησ διϊβρωςησ ςτισ μηχανικϋσ ιδιότητεσ του υλικού, πραγματοποιόθηκαν δοκιμϋσ εφελκυςμού ςτα προδιαβρωμϋνα δοκύμια εφελκυςμού, καθώσ και ςε μη διαβρωμϋνα δοκύμια αναφορϊσ. Οι δοκιμϋσ εφελκυςμού πραγματοποιόθηκαν ςύμφωνα με την προδιαγραφό ASTM E8M-04 [83]. Για την διεξαγωγό τουσ χρηςιμοποιόθηκε ςερβοώδραυλικό μηχανό γενικών δοκιμών MTS με ικανότητα εφαρμογόσ φορτύου 100 kn, καθώσ και επιμηκυνςιόμετρο για την καταγραφό τησ παραμόρφωςησ. Ο ρυθμόσ μετατόπιςησ διατηρόθηκε ςταθερόσ και ύςοσ με 2mm/min. Οι πειραματικϋσ δοκιμϋσ που πραγματοποιόθηκαν παρουςιϊζονται ςτον Πύνακα 3. 33

44 Κεφϊλαιο 3 ο : Πειραματικό διαδικαςύα Πύνακασ 3: Μηχανικϋσ δοκιμϋσ εφελκυςμού Τλικό Αριθμόσ δοκιμύων Διεύθυνςη κοπόσ Φρόνοσ ϋκθεςησ (ώρεσ) 3 L 0 3 L 2 3 L 4 Al 2024 T3 3 L 8 3 L 12 3 L 16 3 L 24 Η διαδικαςύα αποτύμηςησ των μηχανικών δοκιμών περιελϊμβανε τη μϋτρηςη των παρακϊτω μεγεθών: o Σου ορύου διαρροόσ (Rp0.2): η τϊςη που αντιςτοιχεύ ςτην παραμόρφωςη 0.2%. o Σου ορύου θραύςησ (Rm): η μϋγιςτη τϊςη ςτο διϊγραμμα ονομαςτικών τϊςεων-ονομαςτικών παραμορφώςεων. o Σησ παραμόρφωςησ θραύςησ Α50: η τιμό τησ παραμϋνουςασ παραμόρφωςησ κατϊ την αςτοχύα του δοκιμύου. o Σησ ειδικόσ ενϋργειασ παραμόρφωςησ W: Τπολογύζεται ωσ το εμβαδό που περικλεύεται ςτην καμπύλη τϊςησ παραμόρφωςησ και εκφρϊζει την ανϊ μονϊδα όγκου ενϋργεια που αποταμιεύει ϋνα υλικό μϋχρι την αςτοχύα του. 3.6 Φαρακτηριςμόσ των επιφανειών θραύςησ Για την μελϋτη των χαρακτηριςτικών των επιφανειών θραύςησ των διαβρωμϋνων δοκιμύων εφελκυςμού χρηςιμοποιόθηκε ηλεκτρονικό μικροςκόπιο ςϊρωςησ SEM. 34

45 Κεφϊλαιο 3 ο : Πειραματικό διαδικαςύα 3.7 Μηχανικϋσ δοκιμϋσ εφελκυςμού με χρόςη του οπτικού ςυςτόματοσ GOM ARAMIS 5M Προκειμϋνου να βρεθεύ η τιμό τησ μϋγιςτησ τοπικόσ παραμόρφωςησ πριν τη θραύςη του δοκιμύου, πραγματοποιόθηκαν μετρόςεισ των τοπικών παραμορφώςεων ςτο δοκύμιο αναφορϊσ και ςτα προ-διαβρωμϋνα δοκύμια με την χρόςη τησ τεχνολογύασ Digital Image Correlation. Σο οπτικό ςύςτημα που χρηςιμοποιόθηκε όταν το GOM Aramis 5M. Η διϊμετροσ του φακού που χρηςιμοποιόθηκε για τη μϋτρηςη όταν 50mm, ενώ ο ρυθμόσ καταγραφόσ των δεδομϋνων όταν 1 frame/sec. το χόμα 13 παρουςιϊζεται η πειραματικό διϊταξη του οπτικού ςυςτόματοσ και το προσ εξϋταςη δοκύμιο που ϋχει υποςτεύ προεργαςύα με την δημιουργύα αςπρόμαυρου μοτύβου για την μϋτρηςη των τοπικών παραμορφώςεών του. (α) (β) χόμα 13: (α) Πειραματικό διϊταξη οπτικού ςυςτόματοσ GOM Aramis 5M, (β) Δοκύμιο εφελκυςμού πριν τη δοκιμό 35

46 36

47 Κεφϊλαιο 4 ο : Πειραματικϊ αποτελϋςματα ΚΕΥΑΛΑΙΟ 4 ο Πειραματικϊ αποτελϋςματα το παρόν κεφϊλαιο παρουςιϊζονται τα αποτελϋςματα τησ μεταλλογραφικόσ ανϊλυςησ, που εύχε ωσ ςτόχο την ποςοτικοπούηςη τησ εξελιςςόμενησ με το χρόνο ϋκθεςησ βλϊβησ διϊβρωςησ. Με βϊςη τα αποτελϋςματα αυτϊ, επιχειρεύται μια ςυςχϋτιςη τησ παρατηρούμενησ βλϊβησ μετϊ από την επιταχυνόμενη δοκιμό τησ διϊβρωςησ αποφλούωςησ με αποτελϋςματα από την βιβλιογραφύα αναφορικϊ με την βλϊβη διϊβρωςησ των κραμϊτων τησ ςειρϊσ 2xxx μετϊ από ϋκθεςη ςε πραγματικϋσ ςυνθόκεσ λειτουργύασ. Επύςησ, παρουςιϊζονται τα αποτελϋςματα των μηχανικών δοκιμών εφελκυςμού που ϋχουν ωσ ςτόχο την εκτύμηςη τησ επύδραςησ τησ βλϊβησ διϊβρωςησ ςτο υλικό. Σϋλοσ, προκειμϋνου να υποςτηριχτούν τα αποτελϋςματα των δοκιμών εφελκυςμού, πραγματοποιόθηκε μελϋτη των επιφανειών θραύςησ των διαβρωμϋνων δοκιμύων. 4.1 Μεταλλογραφικό ανϊλυςη Βλϊβη διϊβρωςησ ςτην ϊνω επιφϊνεια Η μεταλλογραφικό ανϊλυςη τησ ϊνω επιφϊνειασ των δοκιμύων, ϋδειξε ότι η βλϊβη διϊβρωςησ ςτουσ πρώτουσ χρόνουσ ϋκθεςησ ϋχει την μορφό τρημμϊτων, ενώ μετϊ την ανϊπτυξη τησ περικρυςταλλικόσ προςβολόσ ξεκινϊ η διϊβρωςη αποφλούωςησ. το χόμα 14 απεικονύζεται η βλϊβη διϊβρωςησ τησ ϊνω 37

48 Κεφϊλαιο 4 ο : Πειραματικϊ αποτελϋςματα επιφϊνειασ, από φωτογραφύεσ του οπτικού μικροςκοπύου. Εύναι φανερό ότι η βλϊβη διϊβρωςησ γύνεται πιο ϋντονη με την πϊροδο του χρόνου ϋκθεςησ. (α) (β) (γ) (δ) χόμα 14: Βλϊβη διϊβρωςησ ςτην ϊνω επιφϊνεια των δοκιμύων, μετϊ από (α) 2ώρεσ όπια τρημματικό διϊβρωςη, (β) 8ώρεσ ϋντονη τρημματικό διϊβρωςη. Περιοχϋσ αποφλούωςησ μετϊ από (γ) 16 ώρεσ και (δ) 24 ώρεσ ϋκθεςησ ςτο διϊλυμα αποφλούωςησ Οι τομϋσ που πραγματοποιόθηκαν ςτην ϊνω επιφϊνεια, ανϋδειξαν ότι το ςχόμα των τρημμϊτων όταν γενικώσ ακανόνιςτο, αλλϊ παρατηρόθηκε ότι μετϊ από 8 ώρεσ ςτο διϊλυμα αποφλούωςησ τα βαθύτερα τρόμματα όταν υποςκαμμϋνα (χόμα 15). Η διϊβρωςη εξελύχθηκε από τρημματικό ςε αποφλούωςη ςε χρόνο ϋκθεςησ μεταξύ 12 και 16 ωρών ςτο διαβρωτικό διϊλυμα αποφλούωςησ. Πιο ςυγκεκριμϋνα, αναπτύχθηκε περικρυςταλλικό προςβολό ςτο κϊτω μϋροσ τησ βλϊβησ, όπωσ φαύνεται ςτο χόμα

49 Κεφϊλαιο 4 ο : Πειραματικϊ αποτελϋςματα χόμα 15: Τποςκαμμϋνο τρόμμα μετϊ από 8 ώρεσ ϋκθεςησ ςτο διϊλυμα EXCO. χόμα 16: Περικρυςταλλικό προςβολό μετϊ από 16 ώρεσ EXCO. Μετϊ από 24 ώρεσ ϋκθεςησ η αποφλούωςη και η περικρυςταλλικό προςβολό όταν ϋντονη, όπωσ φαύνεται ςτο χόμα 17. χόμα 17: Αποφλούωςη μετϊ από 24 ώρεσ ϋκθεςησ ςτο διϊλυμα EXCO. Για όλεσ τισ περιπτώςεισ ϋκθεςησ, μετρόθηκε το μϋςο βϊθοσ όλων των τρημμϊτων και των περιοχών αποφλούωςησ, το μϋγιςτο βϊθοσ τουσ, η διϊμετροσ 39

50 Κεφϊλαιο 4 ο : Πειραματικϊ αποτελϋςματα αλλϊ και η πυκνότητϊ τουσ. ημειώνεται ότι ςτισ μετρόςεισ ςυμπεριλόφθηκαν τα τρόμματα με βϊθοσ προςβολόσ μεγαλύτερο των 10μm, αφού η αριθμητικό διαδικαςύα, η οπούα θα παρουςιαςτεύ ςτο επόμενο κεφϊλαιο, απϋδειξε ότι τα πιο ρηχϊ τρόμματα λόγω των πολύ μικρών γεωμετρικών χαρακτηριςτικών τουσ δεν επιφϋρουν μετρόςιμη υποβϊθμιςη ςτισ μηχανικϋσ ιδιότητεσ του υλικού. Η εξϋλιξη του μϋςου βϊθουσ προςβολόσ και τησ μϋςησ διαμϋτρου όλων των τρημμϊτων και των περιοχών αποφλούωςησ, απεικονύζεται ςτο χόμα 18. το χόμα 19 παρουςιϊζεται η εξϋλιξη τησ διαμϋτρου και του βϊθουσ των 10 βαθύτερων τρημμϊτων και περιοχών αποφλούωςησ, ενώ ςτο χόμα 20 απεικονύζεται η εξϋλιξη τησ πυκνότητϊσ τουσ με τον χρόνο ϋκθεςησ. χόμα 18: Εξϋλιξη του μϋςου βϊθουσ προςβολόσ και τησ μϋςησ διαμϋτρου όλων των τρημμϊτων και των περιοχών αποφλούωςησ με τον χρόνο ϋκθεςησ ςτο διϊλυμα αποφλούωςησ. χόμα 19: Εξϋλιξη του βϊθουσ προςβολόσ και τησ διαμϋτρου των βαθύτερων τρημμϊτων και των περιοχών αποφλούωςησ με τον χρόνο ϋκθεςησ ςτο διϊλυμα αποφλούωςησ. 40

51 Κεφϊλαιο 4 ο : Πειραματικϊ αποτελϋςματα χόμα 20: Εξϋλιξη τησ πυκνότητασ των τρημμϊτων και των περιοχών αποφλούωςησ με τον χρόνο ϋκθεςησ ςτο διϊλυμα αποφλούωςησ. Με βϊςη την ποςοτικοπούηςη των χαρακτηριςτικών τησ βλϊβησ διϊβρωςησ που παρουςιϊςτηκαν ςτα παραπϊνω διαγρϊμματα, μπορεύ να χαρακτηριςτεύ η εξϋλιξη τησ βλϊβησ διϊβρωςησ από την ϋναρξό τησ με την μορφό τρημμϊτων, ϋωσ και την ανϊπτυξη τησ αποφλούωςησ. Πιο ςυγκεκριμϋνα: Κατϊ την μετϊβαςη από 2 ώρεσ ςε 4 ώρεσ ϋκθεςησ, όπου η βλϊβη διϊβρωςησ χαρακτηρύζεται ωσ τρημματικό, παρατηρεύται αύξηςη τησ πυκνότητασ των τρημμϊτων, αλλϊ και ςημαντικό αύξηςη τησ διαμϋτρου των βαθύτερων τρημμϊτων. Σο βϊθοσ προςβολόσ δεν αυξϊνεται ςημαντικϊ, και γενικότερα παρατηρεύται μια τϊςη για δημιουργύα νϋων τρημμϊτων παρϊ για αύξηςη των γεωμετρικών χαρακτηριςτικών των όδη υπαρχόντων. Μετϊ από 8 ώρεσ ϋκθεςησ, η διϊμετροσ αλλϊ και το βϊθοσ των τρημμϊτων αυξϊνονται ςημαντικϊ και φαύνεται ότι η διαβρωτικό προςβολό εκτεύνεται τόςο κατϊ το βϊθοσ όςο και κατϊ την επιφϊνεια του υλικού. Αντύθετα, ο ρυθμόσ αύξηςησ τησ πυκνότητασ των τρημμϊτων ϋχει μειωθεύ. Όταν το υλικό εκτϋθηκε για 12 ώρεσ ςτο διϊλυμα αποφλούωςησ, όλα τα χαρακτηριςτικϊ τησ διϊβρωςησ αυξόθηκαν. Παρατηρόθηκε όμωσ ιδιαύτερη αύξηςη τησ διαμϋτρου των τρημμϊτων, γεγονόσ που 41

52 Κεφϊλαιο 4 ο : Πειραματικϊ αποτελϋςματα καταδεικνύει την ςυνϋνωςό τουσ. Σαυτόχρονα αυξόθηκε και η πυκνότητα των τρημμϊτων. Κατϊ την μετϊβαςη από 12 ώρεσ ϋκθεςησ ςε 16, παρατηρόθηκε ραγδαύα αύξηςη του μϋςου βϊθουσ προςβολόσ αλλϊ και τησ διαμϋτρου των τρημμϊτων. Πλϋον, τα τρόμματα ϋχουν ςυνενωθεύ γύρω από τα βαθύτερα, δημιουργώντασ περιοχϋσ αποφλούωςησ. Αυτό αντικατοπτρύζεται από το γεγονόσ ότι δεν ϋχει αυξηθεύ ςημαντικϊ το μϋγιςτο βϊθοσ προςβολόσ μεταξύ 12 και 16 ωρών ϋκθεςησ. Σο ύδιο φαινόμενο παρατηρόθηκε και από τη ςύγκριςη των χαρακτηριςτικών τησ διϊβρωςησ μετϊ από 16 και 24 ώρεσ ϋκθεςησ. Η διϊμετροσ των περιοχών αποφλούωςησ αυξόθηκε ςημαντικϊ ςε ςχϋςη με την αύξηςη του βϊθουσ προςβολόσ. Επύςησ εύναι χαρακτηριςτικό ότι το μϋςο και το μϋγιςτο βϊθοσ προςβολόσ ςτισ περιπτώςεισ όπου αναπτύχθηκε διϊβρωςη αποφλούωςησ δεν διαφϋρουν ςημαντικϊ. Μια ςημαντικό παρατόρηςη, αναφορικϊ με τισ περιπτώςεισ όπου αναπτύχθηκε τρημματικό διϊβρωςη, αποτελεύ η μεγϊλη διαφορϊ μεταξύ του μϋςου βϊθουσ όλων των τρημμϊτων και των βαθύτερων. Προκειμϋνου να διερευνηθεύ αυτό το φαινόμενο, υπολογύςτηκαν οι κατανομϋσ των τρημμϊτων που παρουςιϊζονται ςτο χόμα 21. Σα τρόμματα κατανεμόθηκαν ανϊλογα με το βϊθοσ τουσ και καταγρϊφηκε ςε κϊθε περύπτωςη ο αριθμόσ τουσ. Με βϊςη την πυκνότητα των τρημμϊτων ανϊ 100mm 2, ϋγινε η αναγωγό του αριθμού των τρημμϊτων ςε κϊθε περύπτωςη βϊθουσ και εξόχθη το ποςοςτό εμφϊνιςόσ τουσ όπωσ αυτό απεικονύζεται ςτα παρακϊτω διαγρϊμματα. Επιπλϋον, για κϊθε τρόμμα δεδομϋνου βϊθουσ μετρόθηκε και η αντύςτοιχη διϊμετροσ και καταγρϊφηκε η μϋςη τιμό τησ. 42

53 Κεφϊλαιο 4 ο : Πειραματικϊ αποτελϋςματα (α) (β) (γ) (δ) χόμα 21: Κατανομϋσ των τρημμϊτων τησ ϊνω επιφϊνειασ βϊςει του βϊθουσ τουσ, μετϊ από (α) 2ώρεσ, (β) 4 ώρεσ, (γ) 8 ώρεσ και (δ) 12 ώρεσ ϋκθεςησ ςτο διϊλυμα αποφλούωςησ. Όπωσ παρατηρεύται από τισ κατανομϋσ, ςε κϊθε περύπτωςη ο αριθμόσ των ρηχών τρημμϊτων υπερτερεύ των βαθύτερων. Επιπλϋον, ο αριθμόσ των βαθύτερων τρημμϊτων αυξϊνεται με τον χρόνο ϋκθεςησ, τη ςτιγμό που τα πιο ρηχϊ τρόμματα λιγοςτεύουν, ενώ η διϊμετροσ εύναι ςε κϊθε περύπτωςη μεγαλύτερη του βϊθουσ των τρημμϊτων. Οι κατανομϋσ αυτϋσ πραγματοποιόθηκαν ςε μια προςπϊθεια πλόρουσ απεικόνιςησ τησ τρημματικόσ διϊβρωςησ που αναπτύχθηκε ςτο υλικό, και επεξηγούν την ςημαντικό διαφορϊ μεταξύ του μϋςου και του μϋγιςτου βϊθουσ των τρημμϊτων. τισ περιπτώςεισ όπου παρουςιϊςτηκε αποφλούωςη, λόγω τησ μικρόσ 43

54 Κεφϊλαιο 4 ο : Πειραματικϊ αποτελϋςματα πυκνότητασ των περιοχών αποφλούωςησ, αλλϊ και τησ μικρόσ διαφορϊσ μεταξύ τησ τιμόσ του μϋςου και του μϋγιςτου βϊθουσ των περιοχών αποφλούωςησ, δεν κρύθηκε αναγκαύα η πραγματοπούηςη κατανομών. ε παλαιότερη ϋρευνα [56], πραγματοποιόθηκε επύςησ μεταλλογραφικό ϋρευνα ςε κρϊμα αλουμινύου 2024 προςτατευμϋνο με επικϊλυψη ανοδύωςησ. υγκρύνοντασ με τα αποτελϋςματα τησ παρούςασ μεταλλογραφικόσ ανϊλυςησ ςτο μη προςτατευμϋνο υλικό, βρϋθηκε ότι η βλϊβη διϊβρωςησ εύναι ςημαντικϊ πιο ϋντονη ςτο μη προςτατευμϋνο υλικό, ςε όλουσ τουσ χρόνουσ ϋκθεςησ. Σϋλοσ, μια ςημαντικό παρατόρηςη εύναι ότι η ανϊπτυξη τησ διϊβρωςησ αποφλούωςησ φαύνεται να καθυςτερεύ ςημαντικϊ με την ύπαρξη τησ ανοδύωςησ, αφού ςτην εργαςύα [56] η τρημματικό διϊβρωςη εξελύχθηκε ςε αποφλούωςη μετϊ από 48 ώρεσ ϋκθεςησ ςτο διαβρωτικό διϊλυμα αποφλούωςησ Βλϊβη διϊβρωςησ ςτισ παρϊπλευρεσ επιφϊνειεσ Θα πρϋπει να ςημειωθεύ ότι η βλϊβη διϊβρωςησ ςτισ παρϊπλευρεσ επιφϊνειεσ βρϋθηκε να εύναι ςημαντικϊ πιο ϋντονη ςε ςχϋςη με την βλϊβη που αναπτύχθηκε ςτην ϊνω επιφϊνεια, φαινόμενο που ϋχει παρατηρηθεύ και ςε παλαιότερη εργαςύα [10]. Μϋχρι τισ 12 ώρεσ ϋκθεςησ η διϊβρωςη όταν ϋντονη τρημματικό, ενώ μετϊ από 16 και 24 ώρεσ ϋκθεςησ ςχηματύςτηκαν περιοχϋσ αποφλούωςησ, ςημαντικού βϊθουσ και διαμϋτρου. Αντιπροςωπευτικϋσ εικόνεσ τησ βλϊβησ ςτην παρϊπλευρη επιφϊνεια παρουςιϊζονται ςτο χόμα 22. τισ εικόνεσ που βρύςκονται αριςτερϊ παρουςιϊζεται η κϊτοψη τησ παρϊπλευρησ επιφϊνειασ των δοκιμύων. τισ εικόνεσ που βρύςκονται δεξιϊ η λόψη ϋχει γύνει πλευρικϊ, αφού ϋχει πραγματοποιηθεύ ςταδιακό λεύανςη του δοκιμύου. 44

55 Κεφϊλαιο 4 ο : Πειραματικϊ αποτελϋςματα (α) (β) (γ) χόμα 22: Βλϊβη διϊβρωςησ ςτην παρϊπλευρη επιφϊνεια των δοκιμύων, μετϊ από (α) 4ώρεσ, (β) 12ώρεσ, και (γ) 16 ώρεσ ϋκθεςησ ςτο διϊλυμα αποφλούωςησ. 45

56 Κεφϊλαιο 4 ο : Πειραματικϊ αποτελϋςματα Μετϊ από 4 ώρεσ ϋκθεςησ (χόμα 22α), τα τρόμματα ςτην ακμό του δοκιμύου εφϊπτονται το ϋνα ςτο ϊλλο, με αποτϋλεςμα να δύνεται η εντύπωςη μιασ ομοιόμορφησ διϊβρωςησ, μϋςου βϊθουσ 313μm (περιοχϋσ Α, χόμα 22α), ενώ η μϋςη βλϊβη κατϊ την παρϊπλευρη επιφϊνεια, όπωσ φαύνεται ςτο χόμα 22α, εύναι 274μm. Αξύζει να ςημειωθεύ ότι η βλϊβη ςτην ακμό εύναι αποτϋλεςμα τησ βλϊβησ διϊβρωςησ ςτην ϊνω επιφϊνεια, ςε ςυνδυαςμό με την βλϊβη διϊβρωςησ ςτην παρϊπλευρη. το μϋςον τησ πλευρϊσ εξακολουθούςαν να υπϊρχουν διακριτϊ τρόμματα (περιοχό Β, χόμα 22α). Από τισ 8 ώρεσ και πϊνω υπϊρχουν όδη τοπικϊ ςυνενώςεισ τρημμϊτων με αποτϋλεςμα η βλϊβη διϊβρωςησ να μην μοιϊζει πλϋον με ομοιόμορφη. Μετϊ από 12 ώρεσ ϋκθεςησ παρατηρόθηκε αύξηςη του μϋςου βϊθουσ προςβολόσ καθώσ και μεύωςη τησ πυκνότητασ των τρημμϊτων, λόγω τησ ςυνϋνωςόσ τουσ. Μετϊ από 16 ώρεσ ϋκθεςησ το βϊθοσ των περιοχών αποφλούωςησ αυξόθηκε ςημαντικϊ, ενώ μετϊ από 24 ώρεσ το μϋςο βϊθοσ προςβολόσ ϋφθαςε την τιμό των 440μm. Η διϊμετροσ των περιοχών αποφλούωςησ μετϊ από 24 ώρεσ ϋκθεςησ αυξόθηκε ςημαντικϊ, την ύδια ςτιγμό που παρατηρόθηκε μεύωςη τησ πυκνότητϊσ τουσ. Η εξϋλιξη του μϋςου βϊθουσ προςβολόσ ςτην παρϊπλευρη επιφϊνεια καθώσ και ο χαρακτηριςμόσ τησ βλϊβησ απεικονύζεται ςτο χόμα 23. χόμα 23: Εξϋλιξη του μϋςου βϊθουσ προςβολόσ τησ βλϊβησ διϊβρωςησ ςτισ παρϊπλευρεσ επιφϊνειεσ ςε ςχϋςη με τον χρόνο ϋκθεςησ. 46

57 Κεφϊλαιο 4 ο : Πειραματικϊ αποτελϋςματα Όπωσ και ςτην περύπτωςη τησ μεταλλογραφικόσ ανϊλυςησ τησ ϊνω επιφϊνειασ, πραγματοποιόθηκαν κατανομϋσ των τρημμϊτων (χόμα 24) και των περιοχών αποφλούωςησ, βϊςει του βϊθουσ τουσ, όπωσ φαύνεται ςτα παρακϊτω ςχόματα. (α) (β) (γ) (δ) χόμα 24: Κατανομϋσ των τρημμϊτων τησ παρϊπλευρησ επιφϊνειασ βϊςει του βϊθουσ τουσ, μετϊ από (α) 2ώρεσ, (β) 4 ώρεσ, (γ) 8 ώρεσ και (δ) 12 ώρεσ ϋκθεςησ ςτο διϊλυμα αποφλούωςησ. Μετϊ από 2 ώρεσ ϋκθεςησ, το 50% περύπου των τρημμϊτων εύχαν βϊθοσ μικρότερο των 100μm, ενώ αντύθετα το ποςοςτό των αντύςτοιχων τρημμϊτων μετϊ από 4 ώρεσ ϋκθεςησ όταν λιγότερο από 10%. ημαντικό αύξηςη παρουςύαςε και η πυκνότητα των τρημμϊτων. Σο ποςοςτό των μεγαλύτερων τρημμϊτων 47

58 Κεφϊλαιο 4 ο : Πειραματικϊ αποτελϋςματα αυξόθηκε ςημαντικϊ από τισ 8 ςτισ 12 ώρεσ ϋκθεςησ, ενώ η ςυνϋνωςη των τρημμϊτων εκφρϊζεται από την μεύωςη τησ πυκνότητασ αλλϊ και την ταυτόχρονη αύξηςη τησ διαμϋτρου τουσ. Σο φαινόμενο τησ ςυνϋνωςησ τησ βλϊβησ παρατηρόθηκε και ςτην περύπτωςη όπου ςχηματύςτηκαν περιοχϋσ αποφλούωςησ, οι κατανομϋσ των οπούων παρουςιϊζονται ςτο χόμα 25. (α) (β) χόμα 25: Κατανομϋσ των περιοχών αποφλούωςησ τησ παρϊπλευρησ επιφϊνειασ βϊςει του βϊθουσ τουσ, μετϊ από (α) 16ώρεσ και (β) 24 ώρεσ ϋκθεςησ ςτο διϊλυμα αποφλούωςησ. Προκειμϋνου να γύνει κατανοητό η παρατηρούμενη ϋντονη διϊβρωςη ςτην παρϊπλευρη επιφϊνεια ςε ςχϋςη με την ϊνω, εξετϊςτηκε η μικροδομό του υλικού. Από την βιβλιογραφύα [22, 43] εύναι γνωςτό ότι τα όρια των κόκκων αποτελούν περιοχϋσ ευαύςθητεσ ςτην ανϊπτυξη και εξϋλιξη τησ διαβρωτικόσ προςβολόσ, λόγω των ανοδικών και καθοδικών περιοχών που ςυνυπϊρχουν και αλληλεπιδρούν. Σο υλικό που χρηςιμοποιόθηκε ςτην παρούςα εργαςύα ϋχει υποςτεύ ϋλαςη, και ϋτςι οι κόκκοι του ςτην παρϊπλευρη επιφϊνεια εύναι επιμηκυμϋνοι. Αυτό ϋχει ωσ ςυνϋπεια την ύπαρξη περιςςότερων ορύων κόκκων ςτην παρϊπλευρη επιφϊνεια. Για να διαπιςτωθεύ αυτό, πϊρθηκαν αντιπροςωπευτικϋσ εικόνεσ τησ μικροδομόσ του κρϊματοσ ςτην ϊνω και την παρϊπλευρη επιφϊνεια του υλικού αναφορϊσ, χρηςιμοποιώντασ διϊλυμα Keller. το χόμα 26 παρουςιϊζονται εικόνεσ των κόκκων και των ορύων τουσ για τισ δύο επιφϊνειεσ. 48

59 Κεφϊλαιο 4 ο : Πειραματικϊ αποτελϋςματα (α) (β) χόμα 26: Όρια κόκκων ςτην (α) ϊνω και (β) παρϊπλευρη επιφϊνεια του δοκιμύου. τισ εικόνεσ του χόματοσ 26, φαύνεται ότι ςτην παρϊπλευρη επιφϊνεια οι κόκκοι εύναι πιο επιμηκυμϋνοι, ςε αντύθεςη με την ϊνω επιφϊνεια. Η επιμόκυνςη των κόκκων ςυνεπϊγεται και περιςςότερα όρια κόκκων, και ενδεχομϋνωσ ςε αυτό το φαινόμενο θα μπορούςε να αποδοθεύ η ςημαντικό διαβρωτικό προςβολό του υλικού ςτισ παρϊπλευρεσ επιφϊνειεσ που παρατηρόθηκε κατϊ την μεταλλογραφικό ανϊλυςη Συςχϋτιςη τησ βλϊβησ διϊβρωςησ επιταχυνόμενων δοκιμών διϊβρωςησ και πραγματικών διαβρωτικών ςυνθηκών λειτουργύασ Δεδομϋνου ότι η παρούςα διατριβό εξετϊζει ϋνα αεροπορικό κρϊμα αλουμινύου, το παρόν κεφϊλαιο εςτιϊζει ςτη ςυςχϋτιςη τησ εργαςτηριακόσ βλϊβησ διϊβρωςησ, με τη διϊβρωςη που παρατηρεύται ςτο υλικό αυτό ςε πραγματικϋσ ςυνθόκεσ λειτουργύασ. Οι πραγματικϋσ ςυνθόκεσ κατϊ την διϊρκεια λειτουργύασ ενόσ αεροςκϊφουσ χαρακτηρύζονται από πολυϊριθμα και διαφορετικϊ μεταξύ τουσ διαβρωτικϊ περιβϊλλοντα, τα οπούα επηρεϊζονται από παρϊγοντεσ όπωσ η θερμοκραςύα και η υγραςύα που ςυνεχώσ μεταβϊλλονται [43, 87-89]. αν ςυνϋπεια, δεν μπορεύ να υπϊρχει μια μοναδικό επιταχυνόμενη δοκιμό διϊβρωςησ που να μπορεύ να 49

60 Κεφϊλαιο 4 ο : Πειραματικϊ αποτελϋςματα προςομοιώςει πλόρωσ τισ ποικύλεσ διαβρωτικϋσ ςυνθόκεσ ςτισ οπούεσ αναμϋνεται να εκτεθεύ ϋνα αεροςκϊφοσ κατϊ τη διϊρκεια ζωόσ του. τα πλαύςια τησ διερεύνηςησ τησ βλϊβησ διϊβρωςησ που αναπτύςςεται ςτο κρϊμα αλουμινύου 2024 Σ3 ςτην παρούςα εργαςύα, επιχειρόθηκε μια ςυςχϋτιςη μεταξύ των μεταλλογραφικών χαρακτηριςτικών τησ διϊβρωςησ (τύποσ διϊβρωςησ και μϋγιςτο βϊθοσ προςβολόσ) που εντοπύςτηκαν ςτην ϊνω επιφϊνεια του δοκιμύου και ςτην βλϊβη διϊβρωςησ που αναπτύχθηκε ςτα κρϊματα τησ ςειρϊσ 2xxx μετϊ από την ϋκθεςό τουσ ςε πραγματικϋσ διαβρωτικϋσ ςυνθόκεσ. Μια τϋτοια ςυςχϋτιςη ϋχουν επιδιώξει και παλαιότερεσ εργαςύεσ [87, 90]. κοπόσ τησ εν λόγω ςυςχϋτιςησ εύναι να υποςτηριχθεύ ότι η χρόςη τησ εργαςτηριακόσ δοκιμόσ διϊβρωςησ αποφλούωςησ οδηγεύ ςε χαρακτηριςτικϊ βλϊβησ διϊβρωςησ παρόμοια με αυτϊ που αναπτύςςονται κϊτω από πραγματικϋσ ςυνθόκεσ. Ο τύποσ διϊβρωςησ αλλϊ και το μϋγιςτο βϊθοσ προςβολόσ που αναπτύχθηκε ςτο κρϊμα αλουμινύου Αl 2024 T3 μετϊ από 2 ώρεσ ϋκθεςησ ςτο διϊλυμα αποφλούωςησ, εύναι παρόμοια με τα αντύςτοιχα χαρακτηριςτικϊ που εντοπύςτηκαν ςτην εργαςύα [91] ςτο κρϊμα μετϊ από 1 χρόνο ϋκθεςησ ςε θαλϊςςιο περιβϊλλον. Σο μϋγιςτο βϊθοσ προςβολόσ μετϊ από 4 ώρεσ ςτο διϊλυμα αποφλούωςησ εύναι ελαφρώσ μικρότερο από αυτό που εντοπύςτηκε ςτην εργαςύα [90] και αφορϊ ςτην ϋκθεςη του κρϊματοσ ςε βιομηχανικό περιβϊλλον για 6 μόνεσ, και ςχεδόν το ύδιο με το μϋγιςτο βϊθοσ προςβολόσ που αναπτύχθηκε ςτο υλικό μετϊ από ϋκθεςη για 7 χρόνια ςε θαλϊςςιο περιβϊλλον [91]. Σο μϋγιςτο βϊθοσ προςβολόσ του κρϊματοσ 2017 Σ3 μετϊ από ϋκθεςη ςε βιομηχανικό περιβϊλλον για 20 χρόνια [43] ςυμπύπτει με το μϋγιςτο βϊθοσ προςβολόσ που μετρόθηκε ςτην παρούςα εργαςύα μετϊ από 8 και 12 ώρεσ ϋκθεςησ ςτο διϊλυμα EXCO. την παρούςα εργαςύα η διϊβρωςη εξελύχθηκε από τρημματικό ςε αποφλούωςη μετϊ από 16 ώρεσ ςτο επιταχυνόμενο διαβρωτικό περιβϊλλον, και η αποφλούωςη ϋγινε πιο ϋντονη μετϊ από 24 ώρεσ ϋκθεςησ. την εργαςύα [88] βρϋθηκε ότι το κρϊμα υπϋςτη διϊβρωςη αποφλούωςησ μετϊ από 6 χρόνια ϋκθεςησ ςε παρϊκτιο περιβϊλλον, ενώ η βλϊβη ϋγινε πιο ϋντονη με το πϋρασ 20 χρόνων ϋκθεςησ. 50

61 Κεφϊλαιο 4 ο : Πειραματικϊ αποτελϋςματα 4.2 Μηχανικϋσ δοκιμϋσ εφελκυςμού Προκειμϋνου να μελετηθεύ η επύδραςη τησ βλϊβησ διϊβρωςησ ςτισ μηχανικϋσ ιδιότητεσ του υλικού, πραγματοποιόθηκαν μηχανικϋσ δοκιμϋσ εφελκυςμού τόςο ςε προ-διαβρωμϋνα δοκύμια, όςο και ςε δοκύμια αναφορϊσ για λόγουσ ςύγκριςησ. το χόμα 27 παριςτϊνεται η ςυμπεριφορϊ εφελκυςμού του υλικού αναφορϊσ και του διαβρωμϋνου υλικού για κϊθε χρόνο ϋκθεςησ. Επιπλϋον, ςτο χόμα 28 παρουςιϊζεται η υποβϊθμιςη των ιδιοτότων αντοχόσ με τον χρόνο ϋκθεςησ, ενώ ςτο χόμα 29 η υποβϊθμιςη τησ ολκιμότητασ. χόμα 27: υμπεριφορϊ εφελκυςμού του υλικού αναφορϊσ και του διαβρωμϋνου για κϊθε χρόνο ϋκθεςησ. χόμα 28: Τποβϊθμιςη των ιδιοτότων αντοχόσ με το χρόνο ϋκθεςησ. 51

62 Κεφϊλαιο 4 ο : Πειραματικϊ αποτελϋςματα χόμα 29: Τποβϊθμιςη των ιδιοτότων ολκιμότητασ με το χρόνο ϋκθεςησ. Όπωσ φαύνεται ςτο χόμα 28, η υποβϊθμιςη τόςο του ορύου θραύςησ όςο και του ορύου διαρροόσ εύναι ςχετικϊ όπια. Μετϊ από 2 ώρεσ ϋκθεςησ η πτώςη του ορύου θραύςησ εύναι μόλισ 3%, τιμό που αντιςτοιχεύ ςε μεύωςη κατϊ 15 MPa. Μετϊ από 24 ώρεσ ϋκθεςησ, το όριο θραύςησ ϋχει φθϊςει ςτα 400 MPa, το οπούο αντιςτοιχεύ ςε ποςοςτιαύα πτώςη τησ τϊξησ του 17.4%. Αντύςτοιχα, για το όριο διαρροόσ, ενώ ςτισ 2 ώρεσ δεν παρατηρεύται κϊποια μεταβολό, ςτισ 24 ώρεσ η πτώςη φθϊνει το 8%, με το όριο διαρροόσ να καταλόγει ςτην τιμό των 329 MPa. Αντύθετα, για την περύπτωςη των ιδιοτότων ολκιμότητασ η υποβϊθμιςη εύναι δραματικό. Όπωσ φαύνεται ςτο χόμα 29, από τισ πρώτεσ ακόμη ώρεσ ϋκθεςησ η παραμόρφωςη θραύςησ αλλϊ και η ειδικό ενϋργεια παραμόρφωςησ μειώνονται ςε ποςοςτϊ που φθϊνουν το 50%. Πιο αναλυτικϊ, η παραμόρφωςη θραύςησ μετϊ από 2 ώρεσ ϋκθεςησ γύνεται 9.8% παρουςιϊζοντασ μια πτώςη τησ τϊξησ του 48% ςε ςχϋςη με το αδιϊβρωτο υλικό, ενώ μετϊ από 24 ώρεσ ϋκθεςησ ςτο περιβϊλλον αποφλούωςησ το υλικό ϋχει γύνει πλϋον πολύ ψαθυρό και η παραμόρφωςη θραύςησ του ιςούται με 3.9%, τιμό που αντιςτοιχεύ ςε μεύωςη περύπου 80% ςυγκριτικϊ με το υλικό αναφορϊσ. Παρόμοια ςυμπεριφορϊ παρατηρεύται και για την ειδικό ενϋργεια παραμόρφωςησ. Η ειδικό ενϋργεια παραμόρφωςησ, μετϊ από 2 ώρεσ ϋκθεςησ ϋχει υποςτεύ μεύωςη κατϊ 50.2%, ενώ μετϊ από 24 ώρεσ ϋκθεςησ ϋχει μειωθεύ κατϊ 82.1%. Εύναι χαρακτηριςτικό ότι η 52

63 Κεφϊλαιο 4 ο : Πειραματικϊ αποτελϋςματα ειδικό ενϋργεια παραμόρφωςησ ακολουθεύ την πτώςη τησ παραμόρφωςησ θραύςησ. Όπωσ παρατηρεύται το ποςοςτό μεύωςησ τησ ειδικόσ ενϋργειασ παραμόρφωςησ εύναι μεγαλύτερο από το ποςοςτό τησ μεύωςησ τησ παραμόρφωςησ θραύςησ, λόγω τησ μεύωςησ και του ορύου θραύςησ. ημαντικό ρόλο ςτην επύδραςη τησ διϊβρωςησ ςτην ςυμπεριφορϊ εφελκυςμού του διαβρωμϋνου υλικού, παύζει και το πϊχοσ των δοκιμύων. την εργαςύα [10] όπου μελετόθηκαν δοκύμια του ύδιου υλικού αλλϊ πϊχουσ 3mm (ςε αντύθεςη με τα πιο λεπτϊ δοκύμια τησ παρούςασ εργαςύασ, πϊχουσ 1.27mm) η πτώςη τησ ολκιμότητασ εύναι ςημαντικϊ μικρότερη τόςο μετϊ από 2, όςο και μετϊ από 24 ώρεσ ϋκθεςησ. Η υποβϊθμιςη ςτην πρώτη περύπτωςη ιςούται με 30%, ενώ μετϊ από 24 ώρεσ ϋκθεςησ το ποςοςτό μεύωςησ ιςούται με 61%. την ύδια εργαςύα [10], πραγματοποιόθηκε αφαύρεςη του διαβρωμϋνου ςτρώματοσ ςε κρϊμα αλουμινύου 2024 Σ3, εκτεθειμϋνου ςτισ ύδιεσ ςυνθόκεσ διϊβρωςησ με αυτϋσ τησ παρούςασ εργαςύασ και βρϋθηκε ότι επανακτώνται πλόρωσ οι ιδιότητεσ αντοχόσ, αλλϊ μόνο κατϊ ϋνα μϋροσ οι ιδιότητεσ ολκιμότητασ. ε ςυνδυαςμό με τα αποτελϋςματα παλαιότερων εργαςιών [11, 55], η πτώςη των ιδιοτότων αντοχόσ αποδόθηκε ςτην παρουςύα τρημμϊτων και περιοχών αποφλούωςησ που δρουν ωσ ςημεύα ςυγκϋντρωςησ τϊςεων, ενώ η πτώςη των ιδιοτότων ολκιμότητασ αποδόθηκε ταυτόχρονα και ςτην ψαθυροπούηςη που υφύςταται το υλικό λόγω τησ προςρόφηςησ υδρογόνου. Επιπλϋον, βρϋθηκε ότι η προςρόφηςη υδρογόνου ςχηματύζει μια ψαθυροποιημϋνη ζώνη κϊτω από το ςτρώμα διϊβρωςησ [10]. Προκειμϋνου να διερευνηθεύ η παρουςύα τησ ψαθυροποιημϋνησ ζώνησ και ςτο υπό εξϋταςη υλικό, πραγματοποιόθηκε ανϊλυςη και χαρακτηριςμόσ των επιφανειών θραύςησ των δοκιμύων εφελκυςμού μετϊ την αςτοχύα τουσ, ςε κϊθε χρόνο ϋκθεςησ. 53

64 Κεφϊλαιο 4 ο : Πειραματικϊ αποτελϋςματα 4.3 Ανϊλυςη των επιφανειών θραύςησ Η ανϊλυςη των επιφανειών θραύςησ των διαβρωμϋνων δοκιμύων εφελκυςμού, πραγματοποιόθηκε ςτο Πανεπιςτόμιο Θεςςαλύασ, ςτο Σμόμα Μηχανολόγων Μηχανικών. Η μελϋτη ϋγινε με χρόςη ηλεκτρονικού μικροςκοπύου ςϊρωςησ SEM, και αφορϊ τόςο την ϊνω επιφϊνεια των δοκιμύων όςο και τισ παρϊπλευρεσ για όλουσ τουσ χρόνουσ ϋκθεςησ Μελϋτη των επιφανειών θραύςησ ςτην ϊνω επιφϊνεια το χόμα 30 παρουςιϊζεται η επιφϊνεια θραύςησ κϊτω από τη βλϊβη διϊβρωςησ τησ ϊνω επιφϊνειασ του δοκιμύου εφελκυςμού που εκτϋθηκε για 2 ώρεσ ςτο διϊλυμα αποφλούωςησ. Εύναι εμφανϋσ ότι δεν υπϊρχει ψαθυροποιημϋνη ζώνη, και η επιφϊνεια θραύςησ εύναι όλκιμη (dimples). Σο ύδιο φαινόμενο παρατηρόθηκε και ςτισ περιπτώςεισ όπου τα δοκύμια εκτϋθηκαν ςε χρόνουσ ϋκθεςησ ϋωσ 12 ώρεσ ςτο διϊλυμα αποφλούωςησ. Τπενθυμύζεται ότι ςε αυτϋσ τισ περιπτώςεισ, αναπτύχθηκε τρημματικό διϊβρωςη ςτην ϊνω επιφϊνεια. Από τη μελϋτη των επιφανειών θραύςησ, ςυμπεραύνεται ότι όταν η διϊβρωςη εύναι τρημματικό, κϊτω από τη βλϊβη διϊβρωςησ ςτην ϊνω επιφϊνεια δεν αναπτύςςεται ψαθυροποιημϋνη ζώνη. χόμα 30: Όλκιμη θραύςη (dimples) κϊτω από τη βλϊβη διϊβρωςησ τησ ϊνω επιφϊνειασ, μετϊ από 2 ώρεσ ϋκθεςησ ςτο διϊλυμα αποφλούωςησ. 54

65 Κεφϊλαιο 4 ο : Πειραματικϊ αποτελϋςματα Η ανϊπτυξη περικρυςταλλικόσ διϊβρωςησ που ακολουθεύ τον ςχηματιςμό των τρημμϊτων, η οπούα ςτην παρούςα εργαςύα λαμβϊνει χώρα ςε χρόνουσ ϋκθεςησ μεταξύ 12 και 16 ωρών, ϋχει βρεθεύ ότι ςυμβϊλλει ςημαντικϊ ςτη μεταφορϊ του διαβρωτικού διαλύματοσ προσ το εςωτερικό του υλικού όπου παρϊγεται υδρογόνο και διευκολύνεται ο ςχηματιςμόσ περιοχών ημιψαθυρόσ θραύςησ [11]. Σα αποτελϋςματα τησ παρούςασ μελϋτησ των επιφανειών θραύςησ ςυμφωνούν με αυτϊ τα ευρόματα, αφού μετϊ από 16 και 24 ώρεσ ϋκθεςησ, όπου η διϊβρωςη ϋχει εξελιχθεύ ςε αποφλούωςη, βρϋθηκαν περιοχϋσ ημι-ψαθυρόσ θραύςησ κϊτω από τη βλϊβη διϊβρωςησ τησ ϊνω επιφϊνειασ (χόμα 31). χόμα 31: Ημι-ψαθυρό θραύςη κϊτω από τη βλϊβη διϊβρωςησ τησ ϊνω επιφϊνειασ, μετϊ από ϋκθεςη 16 ωρών ςτο διϊλυμα αποφλούωςησ Μελϋτη των επιφανειών θραύςησ ςτην παρϊπλευρη επιφϊνεια ε αντύθεςη με τα αποτελϋςματα αναφορικϊ με τη βλϊβη διϊβρωςησ ςτην ϊνω επιφϊνεια, η μελϋτη των επιφανειών θραύςησ ςτην παρϊπλευρη ανϋδειξαν την ύπαρξη ψαθυροποιημϋνησ ζώνησ κϊτω από τη βλϊβη διϊβρωςησ όδη από τουσ μικρούσ χρόνουσ ϋκθεςησ. το χόμα 32 παρουςιϊζεται η επιφϊνεια θραύςησ τησ παρϊπλευρησ επιφϊνειασ μετϊ από 2 ώρεσ ϋκθεςησ του δοκιμύου ςτο διϊλυμα αποφλούωςησ. 55

66 Κεφϊλαιο 4 ο : Πειραματικϊ αποτελϋςματα χόμα 32: Επιφϊνεια θραύςησ ςτην παρϊπλευρη επιφϊνεια μετϊ από 2 ώρεσ ϋκθεςησ ςτο διϊλυμα αποφλούωςησ. Παρόμοια χαρακτηριςτικϊ παρατηρόθηκαν και για τα δοκύμια που εκτϋθηκαν για 4, 8 και 12 ώρεσ ςτο διαβρωτικό διϊλυμα, όπωσ φαύνεται ςτα χόματα 33, 34 και 35 αντύςτοιχα. χόμα 33: Επιφϊνεια θραύςησ ςτην παρϊπλευρη επιφϊνεια μετϊ από 4 ώρεσ ϋκθεςησ ςτο διϊλυμα αποφλούωςησ. 56

67 Κεφϊλαιο 4 ο : Πειραματικϊ αποτελϋςματα χόμα 34: Επιφϊνεια θραύςησ ςτην παρϊπλευρη επιφϊνεια μετϊ από 8 ώρεσ ϋκθεςησ ςτο διϊλυμα αποφλούωςησ. χόμα 35: Επιφϊνεια θραύςησ ςτην παρϊπλευρη επιφϊνεια μετϊ από 12 ώρεσ ϋκθεςησ ςτο διϊλυμα αποφλούωςησ. τισ επιφϊνειεσ θραύςησ των δοκιμύων που εκτϋθηκαν για 16 και 24 ώρεσ ςτο διϊλυμα αποφλούωςησ, παρατηρόθηκε επύςησ η ανϊπτυξη μιασ ημι-ψαθυρόσ περιοχόσ, όπωσ παρουςιϊζεται ςτο χόμα 36. Παρόλο που ςτην παρούςα ϋρευνα δεν ϋχει πραγματοποιηθεύ κϊποια ποςοτικοπούηςη του μεγϋθουσ τησ ημι-ψαθυρόσ ζώνησ, τα πρώτα ςτοιχεύα δεύχνουν ότι με την αύξηςη του χρόνου ϋκθεςησ φαύνεται να αυξϊνει και το μϋγεθόσ τησ. υνεπώσ εύναι εύλογο να διατυπωθεύ η ϊποψη ότι 57

68 Κεφϊλαιο 4 ο : Πειραματικϊ αποτελϋςματα πιθανώσ η ανϊπτυξη τησ ημι-ψαθυρόσ ζώνησ να ςχετύζεται αναλογικϊ με την παρατηρούμενη βλϊβη διϊβρωςησ. χόμα 36: Επιφϊνεια θραύςησ ςτην παρϊπλευρη επιφϊνεια μετϊ από 24 ώρεσ ϋκθεςησ ςτο διϊλυμα αποφλούωςησ Σα αποτελϋςματα τησ μελϋτησ των επιφανειών θραύςησ, όπου βρϋθηκε η ύπαρξη τησ ψαθυροποιημϋνησ ζώνησ κυρύωσ κϊτω από την βλϊβη διϊβρωςησ που αναπτύχθηκε ςτην παρϊπλευρη επιφϊνεια, ϋρχονται ςε ςυμφωνύα με τα αποτελϋςματα προηγούμενων ερευνών [10, 92]. την εργαςύα [92] βρϋθηκε ότι η ποςότητα του ειςερχόμενου υδρογόνου από τισ παρϊπλευρεσ επιφϊνειεσ εύναι ςημαντικϊ μεγαλύτερη από ότι από τισ ϊλλεσ επιφϊνειεσ. Σϋλοσ, ςτην εργαςύα [10] μελετόθηκε η επύδραςη τησ βλϊβησ διϊβρωςησ αλλϊ και τησ ψαθυροποιημϋνησ ζώνησ ςτισ μηχανικϋσ ιδιότητεσ του υλικού. Βρϋθηκε ότι με την αφαύρεςη του διαβρωμϋνου ςτρώματοσ από τισ παρϊπλευρεσ επιφϊνειεσ, αποκαθύςτανται ςημαντικϊ οι ιδιότητεσ ολκιμότητασ του υλικού, γεγονόσ που αποδεικνύει τον ςημαντικό ρόλο που διαδραματύζει η παρϊπλευρη επιφϊνεια ςτην εύςοδο και διϊχυςη του υδρογόνου ςτο εςωτερικό του υλικού. 58

69 Κεφϊλαιο 4 ο : Πειραματικϊ αποτελϋςματα 4.4 Σοπικϋσ παραμορφώςεισ δοκιμύων εφελκυςμού Η μϋτρηςη των τοπικών παραμορφώςεων των δοκιμύων εφελκυςμού πραγματοποιόθηκε με χρόςη τησ τεχνολογύασ Digital Image Correlation. Σα αποτελϋςματα αυτών των μετρόςεων, αποτελούν τισ ςυνθόκεσ αςτοχύασ των μοντϋλων πεπεραςμϋνων ςτοιχεύων που αναπτύχθηκαν ςτο αριθμητικό ςκϋλοσ τησ παρούςασ διδακτορικόσ διατριβόσ και θα παρουςιαςτούν ςτο επόμενο κεφϊλαιο. το χόμα 37 απεικονύζεται η εικόνα του δοκιμύου αναφορϊσ ακριβώσ πριν τη θραύςη του, ενώ παρουςιϊζονται επύςησ η κατανομό και οι τιμϋσ των τοπικών παραμορφώςεων. Η μϋγιςτη τιμό τησ τοπικόσ παραμόρφωςησ ςτη θραύςη η οπούα αποτϋλεςε και τη ςυνθόκη αςτοχύασ των ςτοιχεύων του μοντϋλου αναφορϊσ, βρϋθηκε ύςη με 40%. τα χόματα 38 και 39 παρουςιϊζονται οι αντύςτοιχεσ εικόνεσ των διαβρωμϋνων δοκιμύων μετϊ από ϋκθεςη ςτο διϊλυμα αποφλούωςησ για 12 και 24 ώρεσ. Η μϋγιςτη τοπικό παραμόρφωςη ςτισ δύο αυτϋσ περιπτώςεισ, ιςούται με 14.26% και 13.56% αντύςτοιχα. χόμα 37: Κατανομό παραμορφώςεων ςτη μειωμϋνη διατομό του δοκιμύου αναφορϊσ, ακριβώσ πριν τη θραύςη χόμα 38: Κατανομό παραμορφώςεων ςτη μειωμϋνη διατομό του διαβρωμϋνου δοκιμύου μετϊ από 12 ώρεσ ϋκθεςησ, ακριβώσ πριν τη θραύςη 59

70 Κεφϊλαιο 4 ο : Πειραματικϊ αποτελϋςματα χόμα 39: Κατανομό παραμορφώςεων ςτη μειωμϋνη διατομό του διαβρωμϋνου δοκιμύου μετϊ από 24 ώρεσ ϋκθεςησ, ακριβώσ πριν τη θραύςη Η μϋγιςτη τοπικό παραμόρφωςη που παρουςιϊζεται ςτο χόμα 37 (40%), εφαρμόζεται ωσ ςυνθόκη αςτοχύασ τόςο ςτο μοντϋλο αναφορϊσ, όςο και ςτα μοντϋλα που εμπεριϋχουν τα τρόμματα και τισ περιοχϋσ αποφλούωςησ. Όταν η ςυνθόκη αςτοχύασ εφαρμοςτεύ ςτο μοντϋλο αναφορϊσ, γύνεται η θεώρηςη ότι το υλικό δεν περιϋχει ατϋλειεσ όπωσ για παρϊδειγμα μικροεκδορϋσ, και η πιθανότητα να αςτοχόςει ςε κϊθε του ςημεύο εύναι η ύδια. Επιπλϋον, λόγω τησ ςυμμετρύασ του μοντϋλου, θεωρεύται ότι θα ςπϊςει ακριβώσ ςτο μϋςον του. Η ςυνθόκη αςτοχύασ που αφορϊ τη μϋγιςτη τοπικό παραμόρφωςη ακριβώσ πριν τη θραύςη για 12 ώρεσ και 24 ώρεσ ϋκθεςησ, εφαρμόζεται ςτα μοντϋλα που εμπεριϋχουν την αντύςτοιχη βλϊβη, και τα αποτελϋςματα τησ φόρτιςησ των μοντϋλων ςυγκρύνονται με τα πειραματικϊ. 4.5 υμπερϊςματα το παρόν κεφϊλαιο, πραγματοποιόθηκε μια εκτενόσ μεταλλογραφικό μελϋτη τησ εξελιςςόμενησ βλϊβησ διϊβρωςησ με τον χρόνο ϋκθεςησ. Επύςησ, διεξόχθηςαν δοκιμϋσ εφελκυςμού ςτα προ-διαβρωμϋνα δοκύμια και τϋλοσ μελετόθηκαν οι επιφϊνειεσ θραύςησ των δοκιμύων. Με την ολοκλόρωςη των πειραματικών αυτών διαδικαςιών, προϋκυψαν τα παρακϊτω ςυμπερϊςματα: Η βλϊβη διϊβρωςησ ξεκινϊ υπό μορφό τρημμϊτων και εξελύςςεται ςε αποφλούωςη μετϊ την ανϊπτυξη περικρυςταλλικόσ διϊβρωςησ. 60

71 Κεφϊλαιο 4 ο : Πειραματικϊ αποτελϋςματα Σο ςχόμα των τρημμϊτων και των περιοχών αποφλούωςησ βρϋθηκε να εύναι ακανόνιςτο. Η βλϊβη διϊβρωςησ βρϋθηκε να εύναι πολύ πιο ϋντονη ςτισ παρϊπλευρεσ επιφϊνειεσ από ότι ςτην ϊνω επιφϊνεια, ςε όλεσ τισ περιπτώςεισ ϋκθεςησ. Σο φαινόμενο αυτό αποδόθηκε ςτην ϋλαςη που ϋχει υποςτεύ το υλικό, η οπούα οδηγεύ ςε επιμηκυμϋνουσ κόκκουσ και κατϊ ςυνϋπεια περιςςότερα όρια κόκκων ςτην παρϊπλευρη επιφϊνεια. Οι δοκιμϋσ εφελκυςμού ανϋδειξαν μια μϋτρια υποβϊθμιςη των ιδιοτότων αντοχόσ με τον χρόνο ϋκθεςησ. Αντύθετα, οι ιδιότητεσ ολκιμότητασ μειώνονται ςημαντικϊ από τουσ πρώτουσ ακόμη χρόνουσ ϋκθεςησ. Η μελϋτη των επιφανειών θραύςησ ανϋδειξε την ύπαρξη ψαθυροποιημϋνων περιοχών κϊτω από τη βλϊβη διϊβρωςησ ςτην παρϊπλευρη επιφϊνεια για όλουσ τουσ χρόνουσ ϋκθεςησ ςτο διϊλυμα αποφλούωςησ. Αντύθετα, κϊτω από τη βλϊβη διϊβρωςησ που αναπτύχθηκε ςτην ϊνω επιφϊνεια, οι περιοχϋσ αυτϋσ εμφανύςτηκαν μόνο ςτισ περιπτώςεισ όπου η διϊβρωςη εύχε εξελιχθεύ ςε αποφλούωςη. Σϋλοσ, ςε ςυνδυαςμό με τα αποτελϋςματα παλαιότερων ερευνών [10, 11, 55], η υποβϊθμιςη των ιδιοτότων αντοχόσ αποδύδεται ςτην ύπαρξη των τρημμϊτων και των περιοχών αποφλούωςησ που δρουν ωσ ςημεύα ςυγκϋντρωςησ τϊςεων. Η υποβϊθμιςη των ιδιοτότων ολκιμότητασ, αποδύδεται τόςο ςτην ύπαρξη τησ βλϊβησ διϊβρωςησ υπό μορφό τρημμϊτων και περιοχών αποφλούωςησ, όςο και ςτην επιπλϋον ψαθυροπούηςη του υλικού λόγω τησ προςρόφηςησ υδρογόνου. 61

72 62

73 Κεφϊλαιο 5 ο : Προςομούωςη τησ ςυμπεριφορϊσ εφελκυςμού διαβρωμϋνων δοκιμύων Αl 2024 Τ3 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 5 ο Προςομούωςη τησ ςυμπεριφορϊσ εφελκυςμού διαβρωμϋνων δοκιμύων Al 2024 T3 το παρόν κεφϊλαιο, περιγρϊφονται αναλυτικϊ τα μοντϋλα πεπεραςμϋνων ςτοιχεύων που αναπτύχθηκαν προκειμϋνου να προςομοιωθεύ η ςυμπεριφορϊ εφελκυςμού του διαβρωμϋνου κρϊματοσ αλουμινύου 2024 Σ3. το πρώτο υποκεφϊλαιο παρουςιϊζονται οι βαςικϋσ θεωρόςεισ και το φυςικό υπόβαθρο ςτο οπούο ςτηρύχτηκαν τα μοντϋλα πεπεραςμϋνων ςτοιχεύων. το δεύτερο υποκεφϊλαιο περιγρϊφεται η διαδικαςύα τησ ανϊπτυξησ του μοντϋλου πεπεραςμϋνων ςτοιχεύων ςτη μύκρο-κλύμακα. Σο μοντϋλο αυτό προςομοιώνει την ςυμπεριφορϊ εφελκυςμού τοπικϊ για ϋναν ςτοιχειώδη όγκο υλικού με βλϊβη διϊβρωςησ και καταγρϊφονται οι φυςικϋσ παραδοχϋσ που ϋγιναν για την ανϊπτυξη του μοντϋλου αυτού. το τρύτο υποκεφϊλαιο παρουςιϊζονται αναλυτικϊ τα αποτελϋςματα που προϋκυψαν από τη φόρτιςη του μοντϋλου τησ μύκρο-κλύμακασ, ενώ ςτο τϋταρτο υποκεφϊλαιο αναλύεται η μεθοδολογύα ανϊπτυξησ του μοντϋλου τησ μϊκρο-κλύμακασ. 63

74 Κεφϊλαιο 5 ο : Προςομούωςη τησ ςυμπεριφορϊσ εφελκυςμού διαβρωμϋνων δοκιμύων Αl 2024 Τ3 5.1 Βαςικϋσ θεωρόςεισ και φυςικό υπόβαθρο Σα πειραματικϊ αποτελϋςματα που παρουςιϊςτηκαν ςτα προηγούμενα κεφϊλαια αποτελούν τη βϊςη δεδομϋνων για την ανϊπτυξη τησ αριθμητικόσ διαδικαςύασ εκτύμηςησ των μηχανικών ιδιοτότων εφελκυςμού του υλικού χρηςιμοποιώντασ τα μεταλλογραφικϊ χαρακτηριςτικϊ τησ διϊβρωςησ. Οι φυςικϋσ παραδοχϋσ που ϋγιναν για την ανϊπτυξη των μοντϋλων πεπεραςμϋνων ςτοιχεύων ςτη μύκρο και τη μϊκρο-κλύμακα, ςτηρύζονται ςτα πειραματικϊ αποτελϋςματα που παρουςιϊςτηκαν ςτο προηγούμενο κεφϊλαιο. Η κατανομό των τρημμϊτων ςε όλο το δοκύμιο τησ μϊκρο-κλύμακασ θεωρεύται τυχαύα. Παρόλα αυτϊ, η ύπαρξη πιο ϋντονησ διϊβρωςησ ςτισ παρϊπλευρεσ επιφϊνειεσ του δοκιμύου ςε ςχϋςη με την ϊνω επιφϊνεια, ϋχει ληφθεύ υπόψη. Επύςησ, λαμβϊνονται υπόψη τα γεωμετρικϊ χαρακτηριςτικϊ των τρημμϊτων και των περιοχών αποφλούωςησ, όπωσ επύςησ και η πυκνότητϊ τουσ. Από τη μεταλλογραφικό ανϊλυςη προϋκυψε ότι τα βαθύτερα τρόμματα ϋχουν και τη μεγαλύτερη διϊμετρο. Βϊςει αυτόσ τησ παρατόρηςησ, γύνεται η παραδοχό ότι τα μεγαλύτερα και βαθύτερα τρόμματα εύναι αυτϊ που επιφϋρουν τη μεγαλύτερη υποβϊθμιςη ςτη ςυμπεριφορϊ εφελκυςμού του υλικού. τη διαδικαςύα μοντελοπούηςησ λόφθηκαν υπόψη όλα τα τρόμματα τα οπούα, με βϊςη τισ διαςτϊςεισ τουσ, επιφϋρουν υποβϊθμιςη ςτην μηχανικό ςυμπεριφορϊ εφελκυςμού του διαβρωμϋνου υλικού. Πρϋπει να ςημειωθεύ ότι τα πολύ μικρϊ ςε βϊθοσ και διϊμετρο τρόμματα δεν επιφϋρουν ςχεδόν καμύα υποβϊθμιςη ςτη ςυμπεριφορϊ εφελκυςμού, λόγω των μικρών διαςτϊςεών τουσ. Σο ςχόμα των τρημμϊτων εύναι ακανόνιςτο. Για λόγουσ απλούςτευςησ τησ διαδικαςύασ μοντελοπούηςησ, όλα τα τρόμματα και οι περιοχϋσ αποφλούωςησ θεωρούνται ότι ϋχουν το ςχόμα ενόσ κόλουρου κώνου. 64

75 Κεφϊλαιο 5 ο : Προςομούωςη τησ ςυμπεριφορϊσ εφελκυςμού διαβρωμϋνων δοκιμύων Αl 2024 Τ3 Η επύδραςη των γεωμετρικών αςυνεχειών ςτο υλικό (τρόμματα και περιοχϋσ αποφλούωςησ) και τησ ψαθυροπούηςησ του υλικού λόγω προςρόφηςησ υδρογόνου ςτισ ιδιότητεσ του υλικού, θεωρεύται αθροιςτικό. 5.2 Ανϊπτυξη των Αντιπροςωπευτικών Μοναδιαύων Κυψελύδων Γεωμετρύα μοντϋλου πεπεραςμϋνων ςτοιχεύων ςτην μύκρο-κλύμακα την παρούςα διδακτορικό διατριβό, το 3 D μοντϋλο πεπεραςμϋνων ςτοιχεύων που αναπτύχθηκε ςτη μύκρο-κλύμακα, περιλαμβϊνει ϋνα τρόμμα ό μια περιοχό αποφλούωςησ που αναπτύχθηκε ςτο υλικό λόγω διϊβρωςησ. Σο μοντϋλο τησ μύκρο-κλύμακασ ονομϊςτηκε Αντιπροςωπευτικό Μοναδιαύα Κυψελύδα (Representative Unit Cell). Η γεωμετρύα του μοντϋλου απεικονύζεται ςτο χόμα 40. Πρόκειται ουςιαςτικϊ για ϋνα ορθογώνιο παραλληλεπύπεδο ςτοιχεύο, το οπούο εμπεριϋχει ϋνα τρόμμα ό μια περιοχό αποφλούωςησ που ϋχει το ςχόμα ενόσ κόλουρου κώνου. χόμα 40: Γεωμετρύα τησ Αντιπροςωπευτικόσ Μοναδιαύασ Κυψελύδασ 65

76 Κεφϊλαιο 5 ο : Προςομούωςη τησ ςυμπεριφορϊσ εφελκυςμού διαβρωμϋνων δοκιμύων Αl 2024 Τ3 Οι διαςτϊςεισ του ορθογωνύου παραλληλεπιπϋδου ςτοιχεύου τησ ΑΜΚ αλλϊ και του τρόμματοσ ό τησ περιοχόσ αποφλούωςησ που εμπεριϋχει (χόμα 40), ϋχουν καθοριςτεύ ωσ εξόσ: W - Πλϊτοσ / μόκοσ ορθογωνύου παραλληλεπιπϋδου τμόματοσ τησ ΑΜΚ: Η διϊςταςη w καθορύζεται από τη διϊμετρο του βαθύτερου και μεγαλύτερου τρόμματοσ / περιοχόσ αποφλούωςησ που αναγνωρύςτηκε για κϊθε χρόνο ϋκθεςησ. t - Ύψοσ ορθογωνύου παραλληλεπιπϋδου τμόματοσ τησ ΑΜΚ: Σο ύψοσ του ορθογωνύου παραλληλεπιπϋδου ςτοιχεύου καθορύζεται από το βϊθοσ του βαθύτερου και μεγαλύτερου τρόμματοσ / περιοχόσ αποφλούωςησ που αναγνωρύςτηκε για κϊθε χρόνο ϋκθεςησ. a Ωνω διϊμετροσ του κόλουρου κώνου: Η ϊνω διϊμετροσ του κόλουρου κώνου που προςομοιώνει ϋνα τρόμμα ό μια περιοχό αποφλούωςησ, ιςούται με τη διϊμετρο του τρόμματοσ /περιοχόσ αποφλούωςησ που λαμβϊνεται υπόψη ςτη ςυγκεκριμϋνη ΑΜΚ. Η διϊμετροσ α2 ϋχει καθοριςτεύ ύςη με το 1/2 τησ ϊνω διαμϋτρου. d Βϊθοσ του κόλουρου κώνου: Σο βϊθοσ του κόλουρου κώνου, ιςούται με το βϊθοσ του τρόμματοσ /περιοχόσ αποφλούωςησ που λαμβϊνεται υπόψη ςε κϊθε ςυγκεκριμϋνη περύπτωςη. Για κϊθε χρόνο ϋκθεςησ ςτο διαβρωτικό περιβϊλλον, οι διαςτϊςεισ w και t των ΑΜΚ εύναι διαφορετικϋσ, και παρουςιϊζονται ςτουσ παρακϊτω Πύνακεσ. Επιπλϋον, ςτουσ Πύνακεσ 4 και 5 παρουςιϊζονται και οι κατανομϋσ βϊθουσ των τρημμϊτων και των περιοχών αποφλούωςησ από τισ οπούεσ προϋκυψε η τυποποιημϋνη βλϊβη (τρόμματα/περιοχϋσ αποφλούωςησ) που περιλαμβϊνεται ςτην ΑΜΚ ςε κϊθε περύπτωςη. Οι κατανομϋσ βϊθουσ τησ βλϊβησ, που αφορούν τη βλϊβη διϊβρωςησ που αναπτύχθηκε ςτην ϊνω και ςτην παρϊπλευρη επιφϊνεια, ϋχουν παρουςιαςτεύ αναλυτικϊ ςτισ παραγρϊφουσ και αντύςτοιχα. 66

77 Κεφϊλαιο 5 ο : Προςομούωςη τησ ςυμπεριφορϊσ εφελκυςμού διαβρωμϋνων δοκιμύων Αl 2024 Τ3 Σϋλοσ, δύνονται οι διαςτϊςεισ των τυποποιημϋνων τρημμϊτων και περιοχών αποφλούωςησ που λαμβϊνονται υπόψη ςε κϊθε ΑΜΚ για κϊθε κατανομό και χρόνο ϋκθεςησ ςτο διαβρωτικό περιβϊλλον. Πύνακασ 4: Γεωμετρικϊ χαρακτηριςτικϊ των ΑΜΚ (Βλϊβη ςτην ϊνω επιφϊνεια) Κατανομό βϊθουσ Διαςτϊςεισ τρόμματοσ/περιοχόσ Διαςτϊςεισ ΑΜΚ (μm) EXCO (ώρεσ) τρημμϊτων/περιοχών αποφλούωςησ (μm) w t αποφλούωςησ d (μm) a (μm) > d d > d d > d d d d > d d d d d d d d Μϋςη τιμό Μϋςη τιμό Πύνακασ 5: Γεωμετρικϊ χαρακτηριςτικϊ των ΑΜΚ (Βλϊβη ςτην παρϊπλευρη επιφϊνεια) Κατανομό βϊθουσ Διαςτϊςεισ τρόμματοσ/περιοχόσ Διαςτϊςεισ ΑΜΚ (μm) EXCO (ώρεσ) τρημμϊτων/περιοχών αποφλούωςησ (μm) w t αποφλούωςησ d (μm) a (μm) > d d d d d d / / / / / / 680 Σρόμματα ακμόσ > d d d > / / d / / d / / d / / d / / d /- 336/- 101 d /- 247/- d /- 209/- > / / d / / d / / / /731 67

78 Κεφϊλαιο 5 ο : Προςομούωςη τησ ςυμπεριφορϊσ εφελκυςμού διαβρωμϋνων δοκιμύων Αl 2024 Τ3 Σα ςυνενωμϋνα τρόμματα που αναγνωρύςτηκαν κατϊ τη μεταλλογραφικό ανϊλυςη ςτισ ακμϋσ του δοκιμύου για την περύπτωςη των 4 ωρών ϋκθεςησ, προςομοιώνονται ωσ τρόμματα που εφϊπτονται μεταξύ τουσ. Η διϊμετρόσ τουσ ιςούται με την μϋγιςτη διϊμετρο που μετρόθηκε ςτο ςυγκεκριμϋνο χρόνο ϋκθεςησ, και το βϊθοσ τουσ εύναι ύςο με το μϋςο βϊθοσ προςβολόσ ςτην ακμό Μηχανικό ςυμπεριφορϊ των ςτοιχεύων και διακριτοπούηςη τησ Αντιπροςωπευτικόσ Μοναδιαύασ Κυψελύδασ Οι μηχανικϋσ ιδιότητεσ εφελκυςμού των ςτοιχεύων τησ ΑΜΚ αντιςτοιχούν ςε αυτϋσ του υλικού αναφορϊσ, όπωσ ϋχουν προκύψει από την πειραματικό διαδικαςύα. Η καμπύλη τϊςησ-παραμόρφωςησ του υλικού αναφορϊσ παρουςιϊζεται ςτο χόμα 41. τα ςτοιχεύα τησ ΑΜΚ, η καμπύλη που χαρακτηρύζει την ελαςτοπλαςτικό ςυμπεριφορϊ ςε εφελκυςμό του υλικού αναφορϊσ ϋχει ειςαχθεύ ωσ ςημεύα τϊςησ-παραμόρφωςησ με τη μορφό Πινϊκων (Multilinear Kinematic Hardening Procedure). Η Αντιπροςωπευτικό Μοναδιαύα Κυψελύδα, ανϊλογα με την γεωμετρύα τησ που αλλϊζει κατϊ περύπτωςη και ϋχει περιγραφεύ αναλυτικϊ ςτην προηγούμενη παρϊγραφο, αποτελεύται από ϋωσ ςτοιχεύα. Για τη διακριτοπούηςό τησ ϋχουν χρηςιμοποιηθεύ 3D, 10 κομβα ςτοιχεύα όγκου (ANSYS Solid 187), με τρεύσ βαθμούσ ελευθερύασ ςτον κϊθε κόμβο, τα οπούα εύναι ιδανικϊ για περιπτώςεισ ακανόνιςτησ διακριτοπούηςησ. χόμα 41: Καμπύλη τϊςησ-παραμόρφωςησ του υλικού αναφορϊσ 2024 Σ3. 68

79 Κεφϊλαιο 5 ο : Προςομούωςη τησ ςυμπεριφορϊσ εφελκυςμού διαβρωμϋνων δοκιμύων Αl 2024 Τ Φόρτιςη τησ Αντιπροςωπευτικόσ Μοναδιαύασ Κυψελύδασ Η Αντιπροςωπευτικό Μοναδιαύα Κυψελύδα, φορτύςτηκε αξονικϊ, όπωσ φαύνεται ςτο χόμα 42. τη διεύθυνςη του ϊξονα x δόθηκε βηματικό επιμόκυνςη, και φορτύςτηκε ϋωσ την παραμόρφωςη 17% τησ πλευρϊσ W. Επιλϋχθηκε η παραμόρφωςη 17% γιατύ εύναι η τιμό μϋχρι την οπούα η παραμόρφωςη του υλικού αναφορϊσ κατϊ το πεύραμα του εφελκυςμού εύναι ομοιόμορφη. Μετϊ από την τιμό αυτό παρατηρόθηκε λαιμόσ ςτο πειραματικό δοκύμιο και κατϊ ςυνϋπεια μεύωςη τησ τϊςησ με την αύξηςη τησ παραμόρφωςησ. Η βηματικό επιμόκυνςη προϋκυψε βϊςει παραμετρικόσ μελϋτησ ςύγκλιςησ. Η ςυμπεριφορϊ του μοντϋλου ςε εφελκυςμό βρϋθηκε να εύναι η ύδια ςε όλεσ τισ περιπτώςεισ όπου το μοντϋλο φορτύςτηκε εφαρμόζοντασ διαφορετικό βηματικό επιμόκυνςη. Σελικϊ, ςε κϊθε βόμα, η παραμόρφωςη τησ πλευρϊσ W καθορύςτηκε ύςη με 0.7%. χόμα 42: Υόρτιςη των ΑΜΚ. Υορτύζοντασ με αυτόν τον τρόπο την ΑΜΚ, εξϊγονται οι καμπύλεσ τϊςησπαραμόρφωςησ τησ ΑΜΚ. Οι καμπύλεσ αυτϋσ αντιςτοιχούν ςτην υποβαθμιςμϋνη μηχανικό ςυμπεριφορϊ των ΑΜΚ λόγω τησ ύπαρξησ του τρόμματοσ που δρα ωσ γεωμετρικό αςυνϋχεια. Λόγω τησ ςυμμετρύασ του μοντϋλου, η ςυμπεριφορϊ ςε εφελκυςμό του μοντϋλου ςτον ϊξονα y εύναι η ύδια. Η επύδραςη τησ φόρτιςησ εύναι 69

80 Κεφϊλαιο 5 ο : Προςομούωςη τησ ςυμπεριφορϊσ εφελκυςμού διαβρωμϋνων δοκιμύων Αl 2024 Τ3 πολύ μικρό ςτον ϊξονα z και δεν κρύθηκε απαραύτητο να μελετηθεύ η επύδραςη του τρόμματοσ ςτην κατακόρυφη διεύθυνςη. Όπωσ αναφϋρθηκε και προηγουμϋνωσ, το μοντϋλο τησ ΑΜΚ προςομοιώνει την ςυμπεριφορϊ εφελκυςμού τοπικϊ για ϋναν όγκο υλικού με βλϊβη διϊβρωςησ. Αυτό ςημαύνει ότι η ΑΜΚ αποτελεύ ϋνα τμόμα ενόσ μεγαλύτερου όγκου, που ςτην προκειμϋνη περύπτωςη εύναι το δοκύμιο εφελκυςμού. Προκειμϋνου η ςυμπεριφορϊ τησ ΑΜΚ να εύναι ιςοδύναμη με τη ςυμπεριφορϊ που θα ϋχει όταν γύνει τμόμα του δοκιμύου εφελκυςμού, εφαρμόςτηκαν ςε αυτόν περιοδικϋσ ςυνοριακϋσ ςυνθόκεσ. Οι περιοδικϋσ ςυνοριακϋσ ςυνθόκεσ αντικαθιςτούν την ύπαρξη περιβϊλλουςασ δομόσ γύρω από την ΑΜΚ. Οι περιοδικϋσ ςυνοριακϋσ ςυνθόκεσ που εφαρμόςτηκαν ςτην ΑΜΚ, παρουςιϊζονται ςχηματικϊ αλλϊ και ςε μορφό εξιςώςεων ςτο χόμα 43. χόμα 43: Περιοδικϋσ ςυνοριακϋσ ςυνθόκεσ των ΑΜΚ. Όπωσ παριςτϊνεται και ςτο παραπϊνω χόμα, η επιτρεπόμενη μετατόπιςη των πλευρών y=w/2 και y=-w/2 εύναι η ύδια. Όμοια, η πλευρϊ z=0 ϋχει την ύδια μετατόπιςη με την πλευρϊ z=-t. Σϋλοσ, η επιτρεπόμενη μετατόπιςη ςτην πλευρϊ x=-w/2 εύναι μηδενικό, αφού ςε αυτό το ςημεύο βρύςκεται η πϊκτωςη, ενώ ςε κϊθε βόμα φόρτιςησ η μετατόπιςη τησ πλευρϊσ x=w/2 ιςούται με την επιμόκυνςη τησ διϊςταςησ W. 70

81 Τάζη [ΜPa] Τάζη [ΜPa] Τάζη [MPa] Τάζη [ΜPa] Κεφϊλαιο 5 ο : Προςομούωςη τησ ςυμπεριφορϊσ εφελκυςμού διαβρωμϋνων δοκιμύων Αl 2024 Τ3 5.3 υμπεριφορϊ ςε εφελκυςμό των ΑΜΚ Σα αποτελϋςματα τησ φόρτιςησ των ΑΜΚ που περιλαμβϊνουν τυποποιημϋνα τρόμματα και περιοχϋσ αποφλούωςησ αντιπροςωπευτικϊ αυτών που εντοπύςτηκαν κατϊ τη μεταλλογραφικό ανϊλυςη και επιφϋρουν μετρόςιμη υποβϊθμιςη ςτην ςυμπεριφορϊ ςε εφελκυςμό του μοντϋλου, παρουςιϊζονται ςτα παρακϊτω χόματα. ε κϊθε περύπτωςη παρουςιϊζεται και το αποτϋλεςμα τησ φόρτιςησ τησ ΑΜΚ που δεν περιλαμβϊνει βλϊβη, για λόγουσ ςύγκριςησ. το χόμα 44, παρουςιϊζονται τα αποτελϋςματα τησ φόρτιςησ των ΑΜΚ που περιλαμβϊνουν τα τρόμματα και τισ περιοχϋσ αποφλούωςησ τησ ϊνω επιφϊνειασ των δοκιμύων hrs EXCO - Τρήμματα άνω επιυάνειας 300 4hrs EXCO - Τρήμματα άνω επιυάνειας d=βάθος ηρήμμαηος ζε μm d=βάθος ηρήμμαηος ζε μm AMK αναθοράς 21<d<30 31<d<40 d> AMK αναθοράς 31<d<40 41<d<50 d> Παραμόρθωζη Παραμόρθωζη (α) (β) hrs EXCO - Τρήμματα άνω επιυάνειας d=βάθος ηρήμμαηος ζε μm AMK αναθοράς 61<d<70 71<d<80 81<d<90 91<d<100 d> Παραμόρθωζη hrs EXCO - Τρήμματα άνω επιυάνειας Παραμόρθωζη d=βάθος ηρήμμαηος ζε μm AMK αναθοράς 101<d< <d< <d< <d< <d< <d< <d< <d<180 d>180 (γ) (δ) 71

82 Τάζη [ΜPa] Τάζη [ΜPa] Κεφϊλαιο 5 ο : Προςομούωςη τησ ςυμπεριφορϊσ εφελκυςμού διαβρωμϋνων δοκιμύων Αl 2024 Τ hrs EXCO - Περιοτές απουλοίωσης στην άνω επιυάνεια hrs EXCO - Περιοτές απουλοίωσης στην άνω επιυάνεια 100 ΑΜΚ αναθοράς Περιοχή αποθλοίωζης με μέζο βάθος,διάμεηρο 100 AMK αναθοράς Περιοχή αποθλοίωζης με μέζο βάθος,διάμεηρο Παραμόρθωζη Παραμόρθωζη (ε) (ςτ) χόμα 44: Αποτελϋςματα φόρτιςησ των ΑΜΚ που περιλαμβϊνουν τα τρόμματα και τισ περιοχϋσ αποφλούωςησ που αναπτύχθηκαν ςτην ϊνω επιφϊνεια μετϊ από (α) 2 ώρεσ (β) 4 ώρεσ, (γ) 8 ώρεσ, (δ) 12 ώρεσ, (ε) 16 ώρεσ, (ςτ) 24 ώρεσ ϋκθεςησ ςτο διϊλυμα αποφλούωςησ Όπωσ παρατηρεύται από τα διαγρϊμματα, ςτισ περιπτώςεισ τησ τρημματικόσ διϊβρωςησ που αναπτύχθηκε μϋχρι τισ 8 ώρεσ ϋκθεςησ ςτο διϊλυμα αποφλούωςησ, η παρουςύα των τρημμϊτων επιφϋρει πολύ μικρό υποβϊθμιςη ςτη ςυμπεριφορϊ εφελκυςμού τησ ΑΜΚ. Αντύθετα, τα βαθειϊ τρόμματα που αναπτύχθηκαν ςτην ϊνω επιφϊνεια μετϊ από 12 ώρεσ ϋκθεςησ ςτο διϊλυμα αποφλούωςησ και οι περιοχϋσ αποφλούωςησ μετϊ από 16 και 24 ώρεσ ϋκθεςησ, επιφϋρουν μϋτρια υποβϊθμιςη ςτισ ιδιότητεσ αντοχόσ του μοντϋλου. Εύναι ενδεικτικό επύςησ, ότι με την αύξηςη του μεγϋθουσ τησ ατϋλειασ που εμπεριϋχεται ςτην εκϊςτοτε ΑΜΚ, αυξϊνεται και η υποβϊθμιςη τησ αντοχόσ ςε εφελκυςμό τησ ΑΜΚ. το χόμα 45, παρουςιϊζονται τα αποτελϋςματα τησ φόρτιςησ των ΑΜΚ που περιλαμβϊνουν τα τρόμματα και τισ περιοχϋσ αποφλούωςησ που αναπτύχθηκαν ςτισ παρϊπλευρεσ επιφϊνειεσ του δοκιμύου. 72

83 Τάζη [MPa] Τάζη [MPa] Τάζη [MPa] Τάζη [MPa] Τάζη [MPa] Τάζη [ΜPa] Κεφϊλαιο 5 ο : Προςομούωςη τησ ςυμπεριφορϊσ εφελκυςμού διαβρωμϋνων δοκιμύων Αl 2024 Τ hrs EXCO - Τρήμματα παράπλεσρης επιυάνειας hrs EXCO - Τρήμματα παράπλεσρης επιυάνειας d=βάθος ηρήμμαηος ζε μm AMK αναθοράς 41<d<50 51<d<60 61<d<70 71<d<80 101<d< <d<200 d> d=βάθος ηρήμμαηος ζε μm AMK αναθοράς d< <d< <d< <d<250 d>250 Τρήμμαηα ζηην ακμή Παραμόρθωζη Παραμόρθωζη (α) (β) 500 8hrs EXCO - Τρήμματα παράπλεσρης επιυάνειας d=βάθος ηρήμμαηος ζε μm AMK αναθοράς d< <d< <d< <d< <d< <d< <d<400 d> hrs EXCO - Τρήμματα παράπλεσρης επιυάνειας d=βάθος ηρήμμαηος ζε μm AMK αναθοράς 201<d< <d< <d< <d<400 d> Παραμόρθωζη Παραμόρθωζη (γ) (δ) hrs EXCO - Περιοτές απουλοίωσης στην παράπλεσρη επιυάνεια hrs EXCO - Περιοτές απουλοίωσης στην παράπλεσρη επιυάνεια 300 d=βάθος περιοχής αποθλοίωζης ζε μm 300 d=βάθος περιοχής αποθλοίωζης ζε μm ΑΜΚ αναθοράς d< <d< <d<500 d> AMK αναθοράς d< <d< <d<500 d> Παραμόρθωζη Παραμόρθωζη (ε) (ςτ) χόμα 45: Αποτελϋςματα φόρτιςησ των ΑΜΚ που περιλαμβϊνουν τα τρόμματα και τισ περιοχϋσ αποφλούωςησ που αναπτύχθηκαν ςτην ϊνω επιφϊνεια μετϊ από (α) 2 ώρεσ (β) 4 ώρεσ, (γ) 8 ώρεσ, (δ) 12 ώρεσ, (ε) 16 ώρεσ, (ςτ) 24 ώρεσ ϋκθεςησ ςτο διϊλυμα αποφλούωςησ Σα αποτελϋςματα των φορτύςεων των ΑΜΚ δεύχνουν ότι τα τρόμματα και οι περιοχϋσ αποφλούωςησ που βρύςκονται ςτην παρϊπλευρη επιφϊνεια επιφϋρουν, 73

84 Κεφϊλαιο 5 ο : Προςομούωςη τησ ςυμπεριφορϊσ εφελκυςμού διαβρωμϋνων δοκιμύων Αl 2024 Τ3 λόγω των μεγϊλων διαςτϊςεών τουσ, ςημαντικό υποβϊθμιςη ςτην αντοχό ςε εφελκυςμό του μοντϋλου. ε όλεσ τισ περιπτώςεισ, τα τρόμματα και οι περιοχϋσ αποφλούωςησ με το μεγαλύτερο βϊθοσ, ϊρα και τη μεγαλύτερη διϊμετρο, προκαλούν ςημαντικό υποβϊθμιςη τησ αντοχόσ του μοντϋλου ςε ςχϋςη με τα πιο ρηχϊ και μικρϊ τρόμματα και περιοχϋσ αποφλούωςησ. Όπωσ παρατηρεύται από τα αποτελϋςματα των φορτύςεων των ΑΜΚ, ςε κϊθε χρόνο ϋκθεςησ το βϊθοσ τησ βλϊβησ που επιφϋρει μετρόςιμη υποβϊθμιςη τησ ςυμπεριφορϊσ ςε εφελκυςμό τησ ΑΜΚ ποικύλλει. Σα όρια του βϊθουσ των τρημμϊτων και των περιοχών αποφλούωςησ που επιφϋρουν υποβϊθμιςη ςτην τοπικό ςυμπεριφορϊ εφελκυςμού, παρουςιϊζονται ςτον Πύνακα 6: Πύνακασ 6: Βϊθοσ βλϊβησ που επιφϋρει υποβϊθμιςη ςτην ςυμπεριφορϊ ςε εφελκυςμό τησ ΑΜΚ Βϊθοσ βλϊβησ ςε κϊθε επιφϊνεια EXCO Ωνω επιφϊνεια Παρϊπλευρη επιφϊνεια 2hrs >20μm >40μm (Όλα τα τρόμματα) 4hrs >30μm >80μm(Όλα τα τρόμματα) 8hrs >60μm >80μm(Όλα τα τρόμματα) 12hrs >100μm >200μm 16hrs* Μϋςη τιμό >200μm 24hrs* Μϋςη τιμό >200μm *περιοχϋσ αποφλούωςησ 5.4 Ανϊπτυξη των μοντϋλων τησ μϊκρο-κλύμακασ Γεωμετρύα και διακριτοπούηςη Σο μοντϋλο πεπεραςμϋνων ςτοιχεύων ςτη μϊκρο-κλύμακα, αποτελεύ ϋνα αριθμητικό πρότυπο ενόσ δοκιμύου εφελκυςμού. Σο μοντϋλο αυτό, όπωσ και το δοκύμιο εφελκυςμού, εύναι ςυμμετρικό, και αποτελεύ το ¼ του δοκιμύου εφελκυςμού, προσ απλοπούηςη τησ διαδικαςύασ μοντελοπούηςησ και μεύωςη του υπολογιςτικού χρόνου. Σο ςυμμετρικό μοντϋλο ό αριθμητικό πρότυπο του δοκιμύου εφελκυςμού παρουςιϊζεται ςτο χόμα

85 Κεφϊλαιο 5 ο : Προςομούωςη τησ ςυμπεριφορϊσ εφελκυςμού διαβρωμϋνων δοκιμύων Αl 2024 Τ3 χόμα 46: Αριθμητικό πρότυπο δοκιμύου εφελκυςμού Σα ςτοιχεύα του μοντϋλου εύναι τα ΑNSYS Solid 185. Πρόκειται για 3-D οκτϊκομβα ςτοιχεύα όγκου, με 3 βαθμούσ ελευθερύασ ςτον κϊθε κόμβο. Η μηχανικό ςυμπεριφορϊ των ςτοιχεύων του μοντϋλου αντιςτοιχεύ ςε αυτό του υλικού αναφορϊσ. Η καμπύλη που χαρακτηρύζει την ελαςτοπλαςτικό ςυμπεριφορϊ ςε εφελκυςμό του υλικού αναφορϊσ ϋχει ειςαχθεύ ωσ ςημεύα τϊςησπαραμόρφωςησ με τη μορφό Πινϊκων (Multilinear Kinematic Hardening Procedure). Ο αριθμόσ των ςτοιχεύων όγκου του μοντϋλου εύναι περύπου και προϋκυψε βϊςει παραμετρικόσ μελϋτησ ςύγκλιςησ με κριτόρια ςύγκλιςησ την ςυμπεριφορϊ ςε εφελκυςμό του μοντϋλου και τον υπολογιςτικό χρόνο. το χόμα 47 παρουςιϊζονται τα αποτελϋςματα τησ μελϋτησ ςύγκλιςησ που πραγματοποιόθηκε κατϊ την ανϊπτυξη του μοντϋλου. χόμα 47: Αποτελϋςματα μελϋτησ ςύγκλιςησ του μοντϋλου τησ μϊκρο-κλύμακασ 75

86 Κεφϊλαιο 5 ο : Προςομούωςη τησ ςυμπεριφορϊσ εφελκυςμού διαβρωμϋνων δοκιμύων Αl 2024 Τ Φόρτιςη, ςυνθόκεσ αςτοχύασ και παραδοχϋσ Η μύα πλευρϊ του μοντϋλου τησ μϊκρο-κλύμακασ πακτώθηκε, ενώ ςτην ϊλλη πλευρϊ εφαρμόςτηκε βηματικό μετατόπιςη κατϊ τον ϊξονα x, όπωσ παρουςιϊζεται ςτο χόμα 48. Η βηματικό μετατόπιςη που επιβλόθηκε ςτο μοντϋλο επιφϋρει παραμόρφωςη ύςη με το 3.7% τησ παραμόρφωςησ θραύςησ του πειραματικού δοκιμύου αναφορϊσ. Η μετατόπιςη καθορύςτηκε, όπωσ και η διακριτοπούηςη του μοντϋλου, βϊςει παραμετρικόσ μελϋτησ ςύγκλιςησ με κριτόρια ςύγκλιςησ την ςυμπεριφορϊ ςε εφελκυςμό του μοντϋλου και τον υπολογιςτικό χρόνο. χόμα 48: Υόρτιςη του μοντϋλου ςτη μϊκρο-κλύμακα Σο μόκοσ L=25mm (χόμα 48), από την παραμόρφωςη του οπούου προκύπτει και η παραμόρφωςη του μοντϋλου, ιςούται με το μιςό του μόκουσ του επιμηκυνςιομϋτρου (extensiometer) που χρηςιμοποιόθηκε για τη μϋτρηςη τησ παραμόρφωςησ των δοκιμύων εφελκυςμού. Με αυτό τη διαδικαςύα μϋτρηςησ καθύςταται ϊμεςη η ςύγκριςη μεταξύ των αποτελεςμϊτων τησ εικονικόσ αξονικόσ φόρτιςησ και των πειραματικών μηχανικών δοκιμών. τα ςτοιχεύα όγκου τησ μειωμϋνησ διατομόσ του μοντϋλου τησ μϊκροκλύμακασ εφαρμόςτηκε η μϋθοδοσ τησ προοδευτικόσ εξϋλιξησ τησ βλϊβησ. Η βαςικό παραδοχό εύναι ότι το δοκύμιο αςτοχεύ τοπικϊ όταν η ολικό παραμόρφωςη ενόσ ςτοιχεύου όγκου λϊβει μια κρύςιμη τιμό. Η κρύςιμη αυτό τιμό βρϋθηκε από τισ δοκιμϋσ εφελκυςμού που πραγματοποιόθηκαν με την χρόςη του οπτικού ςυςτόματοσ GOM ARAMIS 5M. 76

87 Κεφϊλαιο 5 ο : Προςομούωςη τησ ςυμπεριφορϊσ εφελκυςμού διαβρωμϋνων δοκιμύων Αl 2024 Τ Ειςαγωγό τησ βλϊβησ διϊβρωςησ ςτα μοντϋλα τησ μακροκλύμακασ Η βαςικό αρχό τησ ειςαγωγόσ τησ βλϊβησ διϊβρωςησ ςτο μοντϋλο τησ μϊκρο-κλύμακασ, εύναι ότι η τοπικϊ υποβαθμιςμϋνη μηχανικό ςυμπεριφορϊ του υλικού, λόγω τησ ύπαρξησ των τρημμϊτων ό των περιοχών αποφλούωςησ, προςδιορύζεται από τισ Αντιπροςωπευτικϋσ Μοναδιαύεσ Κυψελύδεσ και ειςϊγεται τοπικϊ ςτο μοντϋλο του δοκιμύου τησ μϊκρο-κλύμακασ. Η ειςαγωγό τησ βλϊβησ διϊβρωςησ υπό μορφό τρημμϊτων και περιοχών αποφλούωςησ ςτο μοντϋλο ϋγινε δύνοντασ ςε ςυγκεκριμϋνα ςτοιχεύα του μοντϋλου, υπό την θεώρηςη ότι αυτϊ ςυμπεριφϋρονται ιςότροπα, μειωμϋνεσ μηχανικϋσ ιδιότητεσ, οι οπούεσ προϋκυψαν από την φόρτιςη των ΑΜΚ και παραςτϊθηκαν ςτα χόματα 44 και 45. Η διαδικαςύα για την ειςαγωγό τησ βλϊβησ υπό μορφό τρημμϊτων και περιοχών αποφλούωςησ διϋπεται από τουσ εξόσ κανόνεσ: το μοντϋλο ςυμπεριλόφθηκαν τα τρόμματα που επιφϋρουν λόγω τησ γεωμετρύασ τουσ μετρόςιμη υποβϊθμιςη τησ ςυμπεριφορϊσ ςε εφελκυςμό τησ Αντιπροςωπευτικόσ Μοναδιαύασ Κυψελύδασ. Η κϊθε ΑΜΚ προςομοιώνεται ωσ μύα ομϊδα ςτοιχεύων με υποβαθμιςμϋνη ςυμπεριφορϊ ςε εφελκυςμό. Οι υποβαθμιςμϋνη ςυμπεριφορϊ ςε εφελκυςμό τησ κϊθε ομϊδασ ςτοιχεύων αντλεύται από το αποτϋλεςμα τησ φόρτιςησ τησ αντύςτοιχησ ΑΜΚ. Ο όγκοσ τησ ομϊδασ των ςτοιχεύων που προςομοιώνουν ϋνα τρόμμα ό μια περιοχό αποφλούωςησ, ιςούται με τον όγκο τησ εκϊςτοτε ΑΜΚ για κϊθε χρόνο ϋκθεςησ. Η προςϋγγιςη αυτό εμπεριϋχει την παραδοχό ότι η επύδραςη ενόσ τρόμματοσ περιορύζεται μϋςα ςτα όρια των διαςτϊςεων τησ ΑΜΚ. Σο βϊθοσ τησ ομϊδασ των ςτοιχεύων ιςούται με το βϊθοσ τησ εκϊςτοτε ΑΜΚ. Σο πλόθοσ τησ κϊθε ομϊδασ ςτοιχεύων που προςομοιώνουν ϋνα τρόμμα ό περιοχό αποφλούωςησ, ϋχει καθοριςτεύ από τισ μετρόςεισ τησ πυκνότητασ που αντιςτοιχεύ ςτην ςυγκεκριμϋνη βλϊβη. Η θϋςη των ομϊδων των υποβαθμιςμϋνων ςτοιχεύων εύναι τυχαύα. 77

88 Κεφϊλαιο 5 ο : Προςομούωςη τησ ςυμπεριφορϊσ εφελκυςμού διαβρωμϋνων δοκιμύων Αl 2024 Τ3 Ο τρόποσ με τον οπούο λαμβϊνεται υπόψη η επύδραςη των τρημμϊτων ό των περιοχών αποφλούωςησ και η ειςαγωγό τησ βλϊβησ διϊβρωςησ υπό μορφό τρημμϊτων και περιοχών αποφλούωςησ ςτο μοντϋλο του εφελκυςμού, παριςτϊνεται ςτο χόμα 49. χόμα 49: Διαδικαςύα ειςαγωγόσ τησ βλϊβησ διϊβρωςησ ςτο μοντϋλο του εφελκυςμού το χόμα 50 απεικονύζονται τα μοντϋλα τησ μϊκρο-κλύμακασ που αναπτύχθηκαν και εμπεριϋχουν την εξελιςςόμενη βλϊβη διϊβρωςησ ςε όλουσ τουσ χρόνουσ ϋκθεςησ ςτο διαβρωτικό διϊλυμα αποφλούωςησ. 78

89 Κεφϊλαιο 5 ο : Προςομούωςη τησ ςυμπεριφορϊσ εφελκυςμού διαβρωμϋνων δοκιμύων Αl 2024 Τ3 (α) (β) (γ) (δ) (ε) (ςτ) χόμα 50: Μοντϋλα δοκιμύων εφελκυςμού που περιλαμβϊνουν την βλϊβη διϊβρωςησ, όπωσ προςομοιώθηκε μετϊ από (α) 2 ώρεσ, (β) 4 ώρεσ, (γ) 8 ώρεσ, (δ) 12 ώρεσ, (ε) 16 ώρεσ και (ςτ) 24 ώρεσ ϋκθεςησ ςτο διϊλυμα αποφλούωςησ. 79