2. Θεωρητικό υπόβαθρο

Transcript

1 1. Περίληψη Πρόκειται για εργασία, το πειραματικό μέρος της οποίας διεξήχθη στο εργαστήριο μεταλλογνωσίας του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Το εργαστήριο διαθέτει τον κατάλληλο εξοπλισμό, με την βοήθεια του οποίου ολοκληρώθηκε η πειραματική διαδικασία. Κατά τη διεξαγωγή της παρούσας εργασίας, έγινε διερεύνηση της κόπωσης σε δοκίμια χάλυβα. Για την ακρίβεια, χρησιμοποιήθηκαν δοκίμια τύπου C, τα οποία ήταν από χάλυβα 51CrV. Το διαβρωτικό περιβάλλον ήταν αλατόνερο σύστασης 35%κ.β. Τέλος, αναφέρεται ότι συνολικά χρησιμοποιήθηκαν 8 δοκίμια τύπου C. Από το σύνολο των δοκιμίων, 3 υπέστησαν επικάλυψη αλουμινίωσης και 3 βορίωσης ενώ τα άλλα 2 παρέμειναν μη επικαλυμμένα. Δόθηκε έτσι η δυνατότητα να συγκριθεί η αντοχή στην κόπωση και η αντίσταση στη διάβρωση των δοκιμίων ανάλογα με την επιφανειακή επικάλυψη που αυτά είχαν υποστεί. Τέλος, αναφέρεται ότι, μεταβάλλοντας την τιμή της δύναμης φόρτισης, παρατηρήθηκε αντίστοιχα μεταβολή στο χρόνο ζωής των παραπάνω δοκιμίων. 1

2 2. Θεωρητικό υπόβαθρο 2.1 Δοκίμια σύμφωνα με το πρότυπο G38-01 Αρχικά, γίνεται η περιγραφή των δοκιμίων που χρησιμοποιήθηκαν κατά την διεξαγωγή της παρούσας εργασίας. Αυτά ήταν δοκίμια σύμφωνα με τις προδιαγραφές του προτύπου G38-01 και ήταν δοκίμια τύπου C. Στη συνήθη πρακτική τα C-rings χρησιμοποιούνται σε δοκιμασίες εργοδιάβρωσης (stress corrosion cracking).[1] Τα δοκίμια αυτά μπορούν να παρθούν από μεταλλικά τμήματα και μάλιστα με τέτοιο προσανατολισμό, ώστε να μπορούν να αντιπροσωπεύσουν όσο το δυνατόν καλύτερα το υλικό για το οποίο πρόκειται να γίνει η μελέτη. Στην συνέχεια παρουσιάζεται η εικόνα 1 στην οποία φαίνονται οι διαφορετικές μορφές που έχουν τα δοκίμια τύπου C, καθώς και η διαδικασία με την οποία πραγματοποιείται η δειγματοληψία των δοκιμίων αυτών.[1] Εικόνα 1. Διαδικασία δειγματοληψίας των διαφόρων μορφών δοκιμίων τύπου C.[1] Σε περίπτωση που πρόκειται να μελετηθεί μία περιοχή μεγάλου πάχους, με δομή που συνίσταται από κόκκους συγκεκριμένου προσανατολισμού, θα πρέπει κατά τη διαδικασία λήψης των δοκιμίων, να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή στον προσανατολισμό των δοκιμίων που πρόκειται να προκύψουν. Ο προσανατολισμός των δοκιμίων, θα πρέπει να είναι τέτοιος ώστε η κατεύθυνση της κύριας τάσης (αυτής που επιβάλλει ο κοχλίας στο δοκίμιο, στην εικόνα 2), να ταυτίζεται με την κατεύθυνση η οποία χαρακτηρίζεται για την ελάχιστη αντοχή όταν το δοκίμιο είναι υπό τάση σε διαβρωτικό περιβάλλον. [1] Οι διαστάσεις των δοκιμίων αυτών ποικίλουν. Ιδιαίτερη όμως δυσκολία κατά την μηχανουργική κατεργασία, καθώς και έλλειψη ακρίβειας στην τάση φόρτισης παρουσιάζουν τα δοκίμια τύπου C, τα οποία έχουν εξωτερική διάμετρο μικρότερη από 16mm. Οι διαστάσεις των δοκιμίων είναι αρκετά σημαντικές και έχουν την δυνατότητα να επηρεάσουν έντονα την τάση η οποία επιβάλλεται στο δοκίμιο κατά τη δοκιμή κόπωσης. [1] Κατά τη φόρτιση των δοκιμίων τύπου C, η κύρια τάση, είναι περιφερειακή και δεν παρουσιάζει ομοιομορφία. Πιο συγκεκριμένα, κατά μήκος της διάστασης του πάχους, η τάση μεταβάλλεται από μία μέγιστη εφελκυστική τιμή στην επιφάνεια του δοκιμίου, σε μία θλιπτική 2

3 τιμή αυτής στην αντίθετη επιφάνεια. Πέρα από αυτό, παρατηρείται μεταβολή της τάσης και κατά μήκος της περιφέρειας του C δοκιμίου. Αυτή μηδενίζεται στις θέσεις που υπάρχουν οι οπές για να περάσει ο κοχλίας, και γίνεται μέγιστη στο μέσο του τόξου της περιφέρειας του δοκιμίου. Ουσιαστικά, η ονομαστική τάση υπάρχει μόνο κατά μήκος της γραμμής στο κέντρο του τόξου της περιφέρειας του δοκιμίου. Τελικά, θα μπορούσε ακόμα να ειπωθεί ότι η τάση που επιβάλλεται στο δοκίμιο, μπορεί να μεταβάλλεται κατά πλάτος του δοκιμίου ανάλογα με τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του δοκιμίου, καθώς και τις γεωμετρικές ατέλειες αυτού. Συμπερασματικά, όταν το δοκίμιο φορτισθεί όπως φαίνεται στην εικόνα 2, στα a,b, τότε η εφελκυστική τάση επί της εξωτερικής επιφάνειας του δοκιμίου, θα είναι μεγαλύτερη στο εξωτερικό άκρο από ότι στο κέντρο. Από την άλλη, στην περίπτωση φόρτισης c, η εφελκυστική τάση στο εσωτερικό άκρο, θα είναι μικρότερη από αυτή του κέντρου. [1] Εικόνα 2. Διαφορετικοί τύποι φόρτισης δοκιμίων τύπου C.[1] Παρατηρώντας την εικόνα 2, αναφέρεται ότι στην a περίπτωση υπάρχει σταθερή παραμόρφωση στην εξωτερική περιφέρεια, στην περίπτωση b, παρατηρείται σταθερή φόρτιση στην εξωτερική περιφέρεια, ενώ στην περίπτωση c, παρατηρείται σταθερή παραμόρφωση στην εσωτερική περιφέρεια. Τέλος στην d περίπτωση φόρτισης δοκιμίου C- ring, είναι φανερή μία εγκοπή με γωνία 60, που εφελκύεται στην εξωτερική περιφέρεια.[2] Όσον αναφορά την παραγωγή των συγκεκριμένων δοκιμίων από στερεά μεταλλικά κομμάτια, θα πρέπει να δοθεί έμφαση και να ληφθούν τα απαραίτητα μέτρα, ώστε να αποφευχθεί πρακτικές που μπορούν να προκαλέσουν υπερθέρμανση, πλαστική παραμόρφωση, ή εναπομένουσες τάσεις στο υλικό. Για να επιτευχθεί αυτό, θα πρέπει η κοπή των δοκιμίων να γίνει τμηματικά και στο τέλος να απομείνει το φινίρισμα πάχους 0,7μm. Η επιλογή της κατάλληλης μηχανουργικής κατεργασίας και του εργαλείου κοπής θα πρέπει να γίνεται με προσοχή για κάθε υλικό. [1] Μία υψηλής ποιότητας μηχανουργικά κατεργασμένη επιφάνεια δοκιμίου είναι επιθυμητή τελικά, με σκοπό την αντοχή στη διάβρωση. Η επιφάνεια του δοκιμίου τύπου C, θα πρέπει να έχει καθαριστεί από οποιοδήποτε επιφανειακό στρώμα. Αυτό γίνεται με τη χρήση χημικών ή ηλεκτροχημικών μεθόδων οι οποίες θα πρέπει να εφαρμοστούν με ιδιαίτερη προσοχή. Η μέθοδος που θα επιλεχθεί, θα πρέπει να μην προσβάλει επιλεκτικά την επιφάνεια, ενώ παράλληλα, οφείλει να μην αφήνει βλαβερά για την επιφάνεια του δοκιμίου υπολείμματα. [1] 2.2 Μαρτενσιτικός μετασχηματισμός Στην εικόνα 3, φαίνεται το διάγραμμα φάσεων σιδήρου άνθρακα, με σκοπό να παρατηρηθούν οι διάφορες περιοχές και τη διαφορετική μορφολογία που αποκτά το υλικό σε σχέση με τη θερμοκρασία και την περιεκτικότητα σε άνθρακα. 3

4 Εικόνα 3. ΔιάγραμμαφάσεωνFe-C[3] Χαρακτηριστικά του μαρτενσιτικού μετασχηματισμού Παρακάτω, παρουσιάζονται τα βασικά χαρακτηριστικά του μαρτενσιτικού μετασχηματισμού.[4,5,6] 1. Είναι μετατοπιστικός, δηλαδή πραγματοποιείται με συνεργατική μετατόπιση των ατόμων, ώστε να διατηρείται πλήρης αντιστοιχία μεταξύ αρχικών και τελικών πλεγματικών θέσεων. 2. Ο μαρτενσιτικός μετασχηματισμός είναι μη-διαχυτικός, αφού δεν προϋποθέτει διάχυση για την πραγματοποίησή του. Στην ουσία ο μαρτενσίτης σχηματίζεται με διάτμηση της μητρικής φάσεως (ωστενίτη). Η κινητική του μετασχηματισμού και μορφολογία του μαρτενσίτη καθορίζονται από την ενέργεια παραμορφώσεως, η οποία, χαρακτηρίζεται από μία ισχυρή διατμητική συνιστώσα. 3. Από κινητικής απόψεως, ο μηχανισμός εξελίσσεται σχεδόν ακαριαία σε εσωτερικά σημεία του συνολικού όγκου και σε προκαθορισμένες διευθύνσεις της αρχικής φάσης. 4. Από απόψεως δομής, χαρακτηρίζεται από τη σχέση ενός προσανατολισμού μεταξύ αρχικής και τελικής φάσης. 5. Ο μετασχηματισμός είναι γενικά αθερμικός, το ποσοστό του μαρτενσίτη δεν αυξάνεται με το χρόνο, αλλά αυξάνεται με την πτώση της θερμοκρασίας κατά την ψύξη σε μία συγκεκριμένη θερμοκρασιακή περιοχή που καθορίζεται από τις θερμοκρασίες M s και M f, που αντιστοιχούν στην έναρξη και την λήξη του μετασχηματισμού. 4

5 2.2.2 Μορφολογία του μαρτενσίτη Ο μαρτενσίτης, όπως φαίνεται και στις εικόνες 4 και 5, μπορεί να εμφανίζεται με τις εξής μορφές.[6] 1. Βελονοειδής μαρτενσίτης, στο εσωτερικό του οποίου οι μαρτενσιτικές περιοχές δεν είναι παράλληλες, αλλά σχηματίζουν μεταξύ τους απόλυτα καθορισμένες γωνίες, (Εικόνα 4). 2. Πλακοειδής μαρτενσίτης σε παράλληλες δέσμες πάχους 0.1 μ, που περιέχουν μεγάλη ποσότητα διαταραχών, (Εικόνα 5). Εικόνα 4. Βελονοειδής μαρτενσίτης (lath martensite)[6] Εικόνα 5. Πλακίδια μαρτενσίτη (plate martensite)[6] Ο μετασχηματισμός ωστενίτη σε μαρτενσίτη Πράγματι, ο μαρτενσιτικός μετασχηματισμός είναι ίσως ο σημαντικότερος μετασχηματισμός στους χάλυβες, με μεγάλες τεχνολογικές εφαρμογές. Για πραγματοποιηθεί ο μαρτενσιτικός μετασχηματισμός και να επέλθει η επιθυμητή αύξηση της σκληρότητας στο υλικό που πρόκειται να χρησιμοποιηθεί, θα πρέπει να ακολουθηθεί μία συγκεκριμένη σειρά διεργασιών. [6] 1. Αρχικά λοιπόν γίνεται λόγος για την ωστενιτοποίηση, τη θέρμανση δηλαδή του τεμαχίου έως τη θερμοκρασία της ωστενιτικής περιοχής. 2. Στην συνέχεια πραγματοποιείται η βαφή. Αυτό σημαίνει ότι το τεμάχιο τώρα θα υποστεί απότομη ψύξη. Με την ολοκλήρωση λοιπόν και του δεύτερου βήματος, για το οποίο μόλις έγινε λόγος, έχει επέλθει σημαντική αύξηση της σκληρότητας του τεμαχίου. Σε περίπτωση όμως που το δοκίμιο είναι τόσο σκληρό ώστε αυτόματα να καθίσταται δύσχρηστο, θα πρέπει να ακολουθηθεί και το βήμα τρία. 3. Στο σημείο αυτό, ίσως χρειαστεί το μεταλλικό δοκίμιο ή εξάρτημα, να υποστεί επαναφορά, μέσω της οποίας κερδίζουμε σε ολκιμότητα και το υλικό πλέον μπορεί να χρησιμοποιηθεί. Ωστενιτοποίηση 1. Θέρμανση του χάλυβα με αργό ρυθμό μέχρι μία σχετικά υψηλή θερμοκρασία, για την οποία θα γίνει λόγος παρακάτω, και κατά προτίμηση σε κλίβανο ελεγχόμενης 5

6 ατμόσφαιρας (με τον τρόπο αυτό αποφεύγεται αφενός η ανισοθερμία μεταξύ επιφάνειας και πυρήνα που προκαλεί πλαστική παραμόρφωση του κρυσταλλικού πλέγματος και αφετέρου η επιφανειακή οξείδωση του χάλυβα που οδηγεί σε απώλεια υλικού και μείωση της π(c)). [7] 2. Παραμονή στη θερμοκρασία ωστενιτοποίησης για σχετικά μεγάλο χρονικό διάστημα. Βέβαια, ο υπερβολικά μεγάλος χρόνος παραμονής στη θερμοκρασία ωστενιτοποίησης, μπορεί να οδηγήσει σε ανεπιθύμητη αύξηση του μεγέθους κόκκων (υπερθέρμανση), κάτι το οποίο δεν είναι επιθυμητό. [7] Η θερμοκρασία ωστενιτοποίησης κυμαίνεται μεταξύ 830 και 900 C για τους υποευτηκτοειδείς χάλυβες και σε αυτές τις θερμοκρασίες το υλικό παίρνει ένα «ανοιχτό πορτοκαλί» χρώμα λόγω πύρωσης. Οι υπερευτηκτοειδείς χάλυβες υφίστανται θέρμανση στους C, ενώ σε χάλυβες, που περιέχουν μεγάλα ποσοστά άλλων στοιχείων κραματοποίησης (π.χ. Cr, Mo, Ni, κ.λπ), η θέρμανσή ενδέχεται να υπερβεί τους C. [8] Ο απαιτούμενος χρόνος παραμονής του υλικού στη θερμοκρασία ωστενιτοποίησης κυμαίνεται από μερικά λεπτά έως και μερικές ώρες, πράγμα που εξαρτάται από τη χημική σύσταση του χάλυβα, αλλά και από το μέγεθος του κατεργαζόμενου τεμαχίου.[8] Βαφή Απλή βαφή ή βαφή είναι η θερμική κατεργασία σκλήρυνσης, που περιλαμβάνει ένα στάδιο θέρμανσης και παραμονής του χάλυβα (ωστενιτοποίηση) σε θερμοκρασία ίδια με αυτή της πλήρους ανοπτήσεως και ένα ακόλουθο στάδιο απότομης ψύξεως, με εμβάπτιση του χάλυβα σε κάποιο μέσο ψύξεως (αλατόνερο, νερό, λάδι, αέρας). Στόχος της βαφής είναι η βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων του χάλυβα (σκληρότητα, αντοχή), που απαιτούνται για τη λειτουργία του (π.χ. εργαλεία κοπής, καλούπια διαμόρφωσης, κ.λπ.). Έτσι, ένας χάλυβας με αρχική σκληρότητα HV μπορεί να αποκτήσει σκληρότητα πάνω από HV, έπειτα από βαφή.[8] Σχηματική παράσταση της θερμικής κατεργασίας της βαφής υποευτηκτοειδούς χάλυβα φαίνεται στην εικόνα 6. 6

7 Εικόνα 6. (α) Σχηματική παράσταση του θερμικού κύκλου και των αλλαγών δομής κατά τη βαφή. (β) Απλουστευμένος μηχανισμός του μαρτενσιτικού μετασχηματισμού.[8] Η ταχύτητα απόψυξης είναι καθοριστική τόσο για το βαθμό σκλήρυνσης, όσο και για τις αστοχίες (ρωγματώσεις), που μπορούν να εμφανισθούν λόγω ανάπτυξης εσωτερικών τάσεων. Όσο πιο απότομη είναι η ταχύτητα απόψυξης, τόσο αυξάνεται και η σκληρότητα του υλικού, με άμεσο όμως επακόλουθο τη δραματική μείωση της δυσθραυστότητας και με κίνδυνο την εμφάνιση ρωγμών. Η ταχύτητα απόψυξης εξαρτάται από τη δραστικότητα του μέσου απόψυξης και αυξάνεται σύμφωνα με την ακόλουθη σειρά:[8] αέρας < λάδι < νερό < αλατόνερο Η παραπάνω σειρά δραστικότητας του μέσου απόψυξης είναι σύμφωνη με την αύξηση του ρυθμού απαγωγής της θερμότητας. Έτσι, π.χ. η εμβάπτιση του διάπυρου μετάλλου στο νερό οδηγεί σε πιο βίαιη απαγωγή θερμότητας (και άρα σε πιο έντονη ψύξη) από ότι η εμβάπτισή του στο λάδι. Η ανάδευση του μέσου απόψυξης αυξάνει επιπλέον την ταχύτητα απόψυξης. Σε ορισμένες περιπτώσεις ισχυρά κραματωμένων χαλύβων (π.χ. χαλύβων με μεγάλα ποσοστά Cr, Mo, W κ.λπ., όπως είναι οι εργαλειοχάλυβες ή οι ταχυχάλυβες) για να συντελεσθεί σκλήρυνση (βαφή) πρέπει το υλικό να αποψυχθεί σε θερμοκρασίες χαμηλότερες του μηδενός με τη βοήθεια μέσου απόψυξης υγρού αζώτου (κρυογενική βαφή). Σύγχρονα ψυκτικά μέσα, όπως διαλύματα συνθετικών πολυμερών, τείνουν να αντικαταστήσουν το λάδι και προσδίδουν ελεγχόμενη ταχύτητα απόψυξης και προστασία από την οξείδωση.[8] κρίσιμη ταχύτητα απόψυξης Η ταχύτητα απόψυξης, είναι ένας αρκετά σημαντικός παράγοντας όσον αναφορά το μαρτενσιτικό μετασχηματισμό και αυτό διότι όσο πιο απότομα γίνει η ψύξη του ωστενιτοποιημένου χάλυβα, τόσο μεγαλύτερο ποσοστό μαρτενσίτη θα έχουμε στο τέλος του μετασχηματισμού. Ουσιαστικά, θα πρέπει η ταχύτητα απόψυξης να είναι μεγαλύτερη της κρίσιμης ταχύτητας απόψυξης ( Rc*), ή αλλιώς πορεία απόψυξης πιο απότομη από αυτήν της R C. [6,7,8] 7

8 Η κρίσιμη αυτή ταχύτητα απόψυξης παρουσιάζεται στο επόμενο διάγραμμα της εικόνας 7 και είναι η εφαπτόμενη ευθεία, στην μύτη (περίπου) που δημιουργείται από τις καμπύλες του διαγράμματος ΤΤΤ. Το διάγραμμα που ακολουθεί, είναι ποιοτικό. Εικόνα 7. Ποιοτικό διάγραμμα ΤΤΤ και η κρίσιμη ταχύτητα απόψυξης Rc*.[9] Επαναφορά- tempering Η επαναφορά θεωρείται μία αναγκαία θερμική κατεργασία που εφαρμόζεται στους βαμμένους χάλυβες με σκοπό την εξάλειψη των δυσάρεστων συνεπειών από το σχηματισμό μαρτενσίτη. Δηλαδή Ο μαρτενσίτης μετά από βαφή χαρακτηρίζεται από μεγάλη σκληρότητα αλλά και συνάμα από μικρή δυσθραυστότητα, με αποτέλεσμα το κατεργαζόμενο τεμάχιο να είναι ψαθυρό και δύσχρηστο. Αποτέλεσμα της επαναφοράς είναι η μερική μετάπτωση του μαρτενσίτη σε κατάσταση ισορροπίας.[7,8] Κατά την επαναφορά τα άτομα του άνθρακα καθώς και τα δομικά σφάλματα (οπές και αταξίες) αποκτούν κινητικότητα με αποτέλεσμα την ενεργοποίηση διεργασιών όπως (α) χαλάρωση των ελαστικών εσωτερικών τάσεων, (β) ανακατανομή των αταξιών σε σχηματισμούς χαμηλότερης ενέργειας και μείωση της πυκνότητάς τους (γ) ανάπτυξη των κόκκων, (δ) καθίζηση μετασταθών ή σταθερών φάσεων (κυρίως καρβιδίων) στο μαρτενσιτικό πλέγμα ή σε αταξίες, (ε) μετασχηματισμός του παραμένοντα ωστενίτη. Όλες αυτές οι διεργασίες μειώνουν την σκληρότητα και αυξάνουν την ολκιμότητα. [7,8] Συμπερασματικά, μπορεί να αναφερθεί ότι σκοπός της επαναφοράς σε ένα βαμμένο χάλυβα, είναι τα εξής: [7,8] 1. Η μικρή μείωση της αρχικής σκληρότητας, με παράλληλη 2. αύξηση της δυσθραυστότητας και της ολκιμότητας του χάλυβα. 3. Επίσης θα μπορούσε να ειπωθεί, πως επιθυμείται η μετατροπή του υπολειπόμενου ωστενίτη, δηλαδή του ωστενίτη που δεν έχει μετασχηματισθεί σε μαρτενσίτη κατά τη βαφή, σε μαρτενσίτη. Οι αποκτώμενες δομές κατά την επαναφορά εξαρτώνται από τη θερμοκρασία και τον χρόνο της κατεργασίας. Στην εικόνα 8 φαίνεται μικροδομή μαρτενσίτη από επαναφορά.[7] Πρακτικά το εξάρτημα μετά την επαναφορά, είναι σε θέση να χρησιμοποιηθεί αφού δεν είναι τόσο σκληρό όσο ήταν μετά την βαφή και πριν την επαναφορά. 8

9 Εικόνα 8. Μικροδομή μαρτενσίτη από επαναφορά.[10] Ακόμα, η επαναφορά καλείται και αναθέρμανση του χάλυβα μετά από τη βαφή, και μάλιστα γίνεται σε θερμοκρασίες της περιοχής C. Η διάρκεια της αναθέρμανσης είναι μερικές ώρες, ακολουθούμενη από ήρεμη ψύξη μέσα σε λάδι, στον αέρα ή μέσα στο φούρνο. Επιπρόσθετα είναι γνωστό ότι η όλη κατεργασία της βαφής και επαναφοράς του χάλυβα ονομάζεται επιβελτίωση και αυτή μπορεί να φανεί στην εικόνα 9. [8] Εικόνα 9. Αλλαγές φάσεων κατά την επιβελτίωση (βαφή -επαναφορά).[8] 2.3 Επιφανειακές κατεργασίες Συχνά και σε διάφορες βιομηχανικές εφαρμογές υπάρχει η ανάγκη χρήσης διαφόρων εξαρτημάτων, τα οποία θα πρέπει να παρουσιάζουν μεγάλη αντοχή σε βάθος χρόνου. Η μεγάλη αυτή αντοχή, μπορεί να αποκτηθεί μέσω των διαφόρων επιφανειακών κατεργασιών. Πρέπει να δίνεται ιδιαίτερη προσοχή στις επιφανειακές κατεργασίες, διότι η φθορά αποτελεί σημαντικό παράγοντα διαμόρφωσης του κόστους μίας εφαρμογής, δεδομένου ότι σχετίζεται άμεσα με την διατήρηση και την αντικατάσταση των εξαρτημάτων, καθώς επίσης και με τον νεκρό χρόνο που προκύπτει από την πιθανή αστοχία.[11] Ο σκοπός των επιφανειακών κατεργασιών, είναι η αύξηση της αντοχής του εξαρτήματος. Αναλυτικότερα, το μεταλλικό εξάρτημα θα πρέπει να παρουσιάζει αντοχή στην [12]: 1. Φθορά. Αυτή εντοπίζεται σε θέσεις που υπάρχει επαφή της επιφάνειας, την οποία πρόκειται να προστατέψουμε, με επιφάνειες άλλων τεμαχίων. 9

10 2. Κόπωση. Όσον αναφορά την κόπωση, αυτή αποτελεί ένα από τα πιο συνηθισμένα φαινόμενα που οδηγεί αρκετά στοιχεία μηχανών σε μερική ή ολική καταστροφή. Η αστοχία του υλικού στην περίπτωση αυτή επέρχεται λόγω εναλλασσόμενης μηχανικής ή θερμικής κόπωσης. 3. Οξείδωση. Στην περίπτωση αυτή, παρατηρείται η χημική δράση των οξειδωτικών αερίων, τα οποία εντοπίζονται σε ξηρό περιβάλλον υψηλής θερμοκρασίας. 4. Διάβρωση. Η διάβρωση είναι ένας αναπόφευκτος παράγοντας που μπορεί να μειώσει δραματικά το χρόνο ζωής κάποιου στοιχείου μηχανών. Αυτό συμβαίνει σε περίπτωση που το εξάρτημα λειτουργεί εντός έντονα διαβρωτικού περιβάλλοντος. Οι επιφανειακές κατεργασίες χωρίζονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες. Αυτές είναι: 1. Κατεργασίες τροποποίησης της επιφάνειας. Στην περίπτωση αυτή, δεν εντοπίζεται πρόσθετο υλικό πέραν του υλικού του υποστρώματος. Ο μηχανισμός με τον οποίο προστατεύεται το υπόστρωμα, βασίζεται στη μεταβολή της χημικής σύστασης ή της κρυσταλλικής δομής της επιφάνειας. [12] 2. Κατεργασίες με απόθεση υλικού. Αυτές συνδέονται με την εναπόθεση νέουπρόσθετου υλικού επί της επιφάνειας που πρόκειται να προστατευτεί. Ουσιαστικά το υπόστρωμα προστατεύεται μέσω της σύστασης της επικάλυψης λόγω του πρόσθετου υλικού. [12] Στην παρούσα εργασία, θα μας απασχολήσει η δεύτερη περίπτωση, στην οποία συντίθεται μία επιφανειακή επικάλυψη από πρόσθετο υλικό. Συγκεκριμένα, θα γίνει λόγος για δοκίμια που έχουν υποστεί επικάλυψη βορίωσης και αλουμινίωσης Μέθοδος Pack Cementation Σκοπός των επικαλύψεων με τη μέθοδο Pack Cementation, είναι η βελτίωση του ιδιοτήτων των υλικών τόσο σε επίπεδο αντιδιαβρωτικής προστασίας όσο και βελτίωση μηχανικών ή ηλεκτρικών ιδιοτήτων. Ακόμα γίνεται λόγος και για συνδυασμό των παραπάνω πλεονεκτημάτων.[13] Από τις περισσότερο συνηθισμένες μεθόδους επικαλύψεως, όπου το υλικό της επικάλυψης βρίσκεται σε αέρια φάση, είναι η CVD με την μέθοδο Pack cementation. Κατά την διαδικασία επικάλυψης με την παραπάνω μέθοδο, η επικάλυψη του δοκιμίου με το επιθυμητό υλικό επιτυγχάνεται με την θέρμανση του υποστρώματος. Αυτό βρίσκεται μέσα σε σφραγισμένο καψίδιο στην κατάλληλη κάθε φορά θερμοκρασία και σε αδρανή ατμόσφαιρα, (συνήθως παρουσία Ag). Ακόμα είναι καλυμμένο με μίγμα σκόνης από το υλικό που θέλουμε να επικαλύψουμε, ένα πληρωτικό μέσο καθώς και τον κατάλληλο ενεργοποιητή. [13] Πλεονέκτημα της μεθόδου είναι το γεγονός ότι η μέθοδος αυτή αποτρέπει τον σχηματισμό καπνού κατά την διάρκεια της επίστρωσης του επιθυμητού υλικού επειδή το σύστημα είναι μονωμένο. Ακόμη, η μέθοδος pack cementation, είναι μία αρκετά οικονομική μέθοδος, κατά την οποία, η ενεργειακή κατανάλωση είναι χαμηλότερη από άλλες μεθόδους όπως ο γαλβανισμός με εμβάπτιση ή το sputtering.[13] Κατά τη διαδικασία επίτευξης της επικάλυψης με την παραπάνω μέθοδο, αναφέρεται ότι ακολουθούνται κάποια συγκεκριμένα βήματα, τα οποία παρουσιάζονται και στην συνέχεια.[13] 10

11 Αρχικά, γίνεται λόγος για τη χρήση ενεργοποιητών. Μερικές ενώσεις που παίζουν το ρόλο των ενεργοποιητών είναι η ένωση NH 4 Cl και η NH 4 I. Θα πρέπει να γίνει μετατροπή του ενεργοποιητή από μια φάση σε άλλη φάση και μάλιστα στη στερεή κατάσταση. Στην πορεία, πραγματοποιούνται μια σειρά φαινομένων στις ίδιες ή σε αντίθετες κατευθύνσεις, όσον αναφορά τον σχηματισμό της επικάλυψης. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα τη δημιουργία σειράς αντιδράσεων και το σχηματισμό πτητικών χλωριδίων των υλικών επίστρωσης. Στο σημείο αυτό, παρατηρείται διάσπαση του ενεργοποιητή με ταυτόχρονη σύνθεση αερίων NH 3 και HCl. Επιπρόσθετα κάνει την εμφάνιση της η αντίδραση μεταξύ του υδροχλωρίου και του δότη με σκοπό τη σύνθεση της ένωσης στερεάς μορφής δότης-cl 2, καθώς επίσης και τον σχηματισμό άλλων ενώσεων. Στην συνέχεια αναφέρεται ότι μέσω διαφόρων χημικών αντιδράσεων των αλάτων που έχουν δημιουργηθεί, γίνεται επικάθιση του δότη στο υπόστρωμα και σύνθεση υδροχλωρίου με σκοπό την ανακύκλωση της διαδικασίας. Ως αποτέλεσμα της επικάθισης, είναι το γεγονός ότι ο δότης διαχέεται στο κρυσταλλικό του πλέγμα με αποτέλεσμα την δημιουργία των επιμέρους φάσεων στον χώρο επικάλυψης του υποστρώματος. Βέβαια, δεν θα πρέπει να αγνοηθεί το γεγονός ότι ο δότης ως δραστικό μέταλλο στην επικάλυψη μπορεί να αντιδράσει με το HCl και να οδηγήσει πιθανότατα σε αποσύνθεση μέσω σχηματισμού των πτητικών χλωριδίων.[13] Ενδιαφέρον έχει η μορφολογία της επικάλυψης, όταν αυτή συμβαίνει με την παρούσα μέθοδο. Έτσι αναφέρεται ότι παρατηρείται απουσία δενδριτών ή διακριτών κόκκων. Αυτό οδηγεί στο συμπέρασμα ότι η επικάλυψη πραγματοποιείται μέσω διάχυσης και μάλιστα αυτή παραμένει ίδια ανεξαρτήτως του χρόνου και της θερμοκρασίας στην οποία γίνεται η θέρμανση. Αντίθετα βέβαια, το πάχος της επικάλυψης εξαρτάται και από τους δύο παραπάνω παράγοντες. Παράλληλα, θα πρέπει να αναφερθεί ότι κατά τη διάρκεια δημιουργίας της επικάλυψης, όλα τα άλλα φαινόμενα γίνονται ταχύτερα από τη διάχυση και αυτό δικαιολογείται από το γεγονός ότι κάθε άλλη μετατροπή στο σύστημα γίνεται σε αέρια φάση εκτός από την διάχυση που πραγματοποιείται σε στερεά κατάσταση.[13] Όσον αναφορά την παρούσα μέθοδο επικάλυψης, είναι αρκετά σημαντικό να καθοριστεί η ταχύτητα της διαδικασίας επικάλυψης, σε συνδυασμό με την ελάχιστη θερμοκρασία, στην οποία είναι εφικτή η επικάλυψη. Όλα αυτά σκοπό έχουν την εξοικονόμηση ενέργειας και χρόνου.[13] Μέθοδος slurry Πρόκειται για τεχνική επικάλυψης, η οποία εφαρμόζεται σε μεταλλικά υποστρώματα. Η συγκεκριμένη μέθοδος έχει αναπτυχθεί αρκετά έντονα τα τελευταία χρόνια.[14] Για να γίνει επικάλυψη με την παρούσα μέθοδο, θα πρέπει να δημιουργηθεί ένα μίγμα το οποίο θα περιλαμβάνει τα στοιχεία με τα οποία πρόκειται να επικαλυφθεί το μεταλλικό υπόστρωμα. Γενικά η επικάλυψη μπορεί να γίνει είτε με εμβύθιση, είτε με ψεκασμό. Στην συνέχεια, θα πρέπει να ακολουθήσει θερμική κατεργασία μέσα σε προστατευτικό περιβάλλον. Η σύνθεση της επικάλυψης, μπορεί να επιτευχθεί τόσο με τη βοήθεια μεταφοράς ατόμων σε αέρια μορφή, όσο με αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα σε υγρή μορφή, καθώς και με αντιδράσεις στερεάς κατάστασης. Ακόμα θα πρέπει να αναφερθεί ότι, η επικάλυψη με τη μέθοδο αυτή, είναι αρκετά συνηθισμένη για περιπτώσεις σύνθεσης επικαλύψεων υψηλών θερμοκρασιών που πρόκειται να εφαρμοσθούν σε πυρίμαχα μέταλλα.[14] Ένα μειονέκτημα που παρουσιάζει η μέθοδος επικάλυψης slurry, είναι το γεγονός ότι παρουσιάζεται αδυναμία στον έλεγχο του πάχους που χαρακτηρίζει το επίστρωμα. Έτσι δημιουργούνται ανάγκες για περεταίρω έρευνα και μελέτη επί του θέματος αυτού, με σκοπό την κάλυψη των αναγκών των βιομηχανιών. Παράλληλα πραγματοποιούνται εργαστηριακές μελέτες και πειράματα με στόχο την βελτίωση της μεθόδου αυτής.[14] 11

12 Όσον αναφορά τις εφαρμογές της συγκεκριμένης μεθόδου σε επικαλύψεις διαφόρων εξαρτημάτων, αναφέρεται ότι αρκετά συνηθισμένη είναι η περίπτωση επικάλυψης αλουμινίου σε υπόστρωμα υπερκράματος. Πρόκειται για αλουμινίωση πτερυγίων σε βιομηχανίες μαζικής παραγωγής τουρμπίνων. Μάλιστα ο αυτοματισμός κατά την επικάλυψη με την συγκεκριμένη μέθοδο, μπορεί να επιφέρει μείωση του κόστους παραγωγής εν σχέση με το κόστος της επικάλυψης με τη μέθοδο pack cementation. Τέλος, αναφέρεται ότι η αλουμινίωση με την μέθοδο slurry σε εξαρτήματα AGT όπως καυστήρες και αγωγοί μετάβασης, μπορεί να προσφέρει αρκετά πλεονεκτήματα έναντι της μεθόδου pack cementation.[14] Εναπόθεση λεπτών υμενίων Οι επικαλύψεις οι οποίες γίνονται μέσω εναπόθεσης λεπτών υμενίων, μπορούν να χαρακτηριστούν αµιγώς φυσικές ή χηµικές διαδικασίες.[15] Οι πιο συχνά εφαρμοζόμενες τεχνικές είναι δύο. Αυτές παρουσιάζονται και σχολιάζονται παρακάτω. Η Φυσική Εναπόθεση Ατµών (Physical Vapor Deposition, P.V.D) και Η Χηµική Εναπόθεση Ατµών (Chemical Vapor Deposition, C.V.D). Και οι δύο παραπάνω μέθοδοι, έχουν κάποια κοινά χαρακτηριστικά. Με άλλα λόγια, γίνεται εναπόθεση από την αέρια φάση ενώ συχνά υποστηρίζεται από διαδικασίες ιοντοβολής. Θεωρείται, ότι ο βομβαρδισμός µε ιόντα συμβάλλει στη βελτιστοποίηση των ιδιοτήτων των εναποτιθέμενων υµενίων. Η βασική διαφορά τους, έγκειται στην εκκίνηση της διαδικασίας εναπόθεσης των λεπτών υµενίων, που στην περίπτωση της P.V.D γίνεται µε φυσική μεταφορά ατόµων, ιόντων ή µορίων, ενώ στην C.V.D µέσω µιας χηµικής αντιδράσεως. [15] Πιο συγκεκριμένα, η C.V.D μέθοδος γίνεται με χηµική εναπόθεση ατµών και είναι µια αµιγώς χηµική διαδικασία ανάπτυξης λεπτών υµενίων πάνω σε διάφορα υλικά. Ακόμα είναι γνωστό ότι κατά τη μέθοδο αυτή, πραγματοποιούνται ένα πλήθος xηµικών αντιδράσεων µεταξύ των πρόδρομων υλικών (precursors). Αυτά βρίσκονται συνήθως στην αέρια φάση. Όσον αναφορά την απαραίτητη ενέργεια που απαιτείται για την πραγµατοποίηση των χηµικών αυτών αντιδράσεων, αυτή παρέχεται συνήθως µέσω θέρµανσης του υποστρώµατος. Βέβαια υπάρχουν και παραλλαγές της μεθόδου.[15] Από την άλλη, η μέθοδος P.V.D, είναι φυσική εναπόθεση ατμών, κατά την οποία η διαδικασία της ανάπτυξης λεπτών υµενίων γίνεται µε φυσική µεταφορά ιόντων, ατόµων και µορίων στην επιφάνεια του στερεού υποστρώµατος. Μάλιστα, με τον όρο «φυσική µεταφορά», γίνεται απόλυτα κατανοητό ότι δεν πραγματοποιείται κάποια xηµική αντίδραση, όπως στην παραπάνω περίπτωση που συζητήθηκε η χηµική εναπόθεση ατµών.[15] 12

13 2.3.4 Βορίωση Αρχικά παρουσιάζεται στην εικόνα 10, το διμερές διάγραμμα σιδήρου-βορίου, Fe-B. Εικόνα 10. Διμερές διάγραμμα σιδήρου-βορίου, Fe-B[16] Παρατηρώντας το διάγραμμα της εικόνας 10, είναι εμφανές ότι το ευτηκτικό σημείο έχει περιεκτικότητα 3,8%κ.β σε βόριο και σημείο τήξης στους T=1149 o C. Ακόμα αναφέρεται ότι κραματικά στοιχεία όπως ο C μετατοπίζουν το ευτηκτικό σημείο σε χαμηλότερες θερμοκρασίες.[2] Όσον αναφορά την κρυσταλλική δομή των βοριδίων του σιδήρου, αυτή είναι η ορθορομβική για το Fe 2 B και η χωροκεντρωμένη τετραγωνική για το FeB.[16] Χαρακτηριστικά βορίωσης Είναι γνωστό ότι η δυνατότητα χάραξης ενός υλικού με ένα άλλο, δηλαδή η σκληρότητα, είναι βασική παράμετρος, η οποία χρησιμοποιείται για να εκτιμηθεί η αντίσταση στη φθορά. Ένα σχετικό παράδειγμα αποτελεί η επικάλυψη βορίωσης. Ο λόγος είναι ότι τα βορίδια του σιδήρου, είναι σκληρές ενώσεις και μάλιστα με τιμή σκληρότητας που κυμαίνεται από 1800 έως και 2100 HK. Ακόμα αναφέρεται ότι σε βιομηχανικές εφαρμογές, είναι επιθυμητή η ύπαρξη μονοφασικής επικάλυψης Fe 2 B διότι παρουσιάζει πλεονεκτήματα όπως μικρή ευθραυστότητα και παράλληλα μπορεί να επιτευχθεί και θερμική κατεργασία χωρίς να χαθούν οι ιδιότητες και η συνάφεια της επικάλυψης με το υπόστρωμα. Πιο συγκεκριμένα, όταν γίνεται η διάχυση του βορίου στο υπόστρωμα του βασικού μετάλλου (σίδηρος), δημιουργείται μία επικάλυψη, η οποία έχει οδοντωτή μορφή. Η απόδοση της σχηματιζόμενης επικάλυψης, εξαρτάται άμεσα από τις συνθήκες που επικρατούν κατά την διαδικασία επικάλυψης του υποστρώματος. Η επικάλυψη βορίωσης μπορεί να αποτελείται είτε μόνο από την ενδομεταλλική ένωση Fe 2 B, είτε από συνδυασμό των ενώσεων Fe 2 B και FeB. Ο λόγος μεταξύ του πάχους της επικάλυψης και των διαστάσεων του υποστρώματος σε μια εγκάρσια τομή του αποτελεί επίσης σημαντική παράμετρο για τον χαρακτηρισμό της 13

14 επικάλυψης βορίου. Η θεώρηση της επικάλυψης και του υποστρώματος σαν ενιαίο υλικό έχει σαν αποτέλεσμα η ψαθυρότητα (brittlness) της επικάλυψης να έχει πλέον μικρή σημασία. Μάλιστα έχει αποδειχθεί πειραματικά ότι σε δοκίμια που έχουν υποστεί μονοφασική επικάλυψη Fe 2 Β, όταν αυτά καταπονηθούν σε κάμψη, η ρωγμάτωση της επικάλυψης παρατηρείται μετά από παραμόρφωση 4-8%. Από την άλλη, οι διφασικές επικαλύψεις βορίου συμπεριφέρονται διαφορετικά. Τέλος απλά αναφέρεται ότι κυρίως εφελκυστικές τάσεις εμφανίζονται στην φάση FeB ενώ οι θλιπτικές τάσεις κάνουν την εμφάνιση τους στην φάση Fe 2 B. Στην συνέχεια μπορεί να παρατηρηθεί η οδοντωτή μορφή που σχηματίζεται κατά την επικάλυψη του μεταλλικού υποστρώματος σιδήρου με βόριο.[16] Εικόνα 11. Εργαλειοχάλυβας Οrvar. Βορίωση στους Τ = 900 o C για t = 6h.[16] Όσον αναφορά την εικόνα 11, θα πρέπει να τονισθεί ότι είναι εμφανής η διφασική επικάλυψη βορίου. Πιο συγκεκριμένα, αναφέρεται ότι η σκούρα περιοχή αντιστοιχεί σε φάση FeB, ενώ η λευκή περιοχή αντιστοιχεί σε Fe 2 B. Τέλος, το πάχος της επικάλυψης βορίου που εικονίζεται στην φωτογραφία είναι 40 μm. [16] Σημαντικό ακόμη μέγεθος αποτελεί ο συντελεστής θερμικής διαστολής. Θα πρέπει ο θερμικός συντελεστής επικάλυψης-μεταλλικού υποστρώματος, να έχουν μικρή διαφορά. Σε αντίθετη περίπτωση η διαφορική διαστολή μεταξύ επικάλυψης και υποστρώματος κάτω από θερμοκρασιακές μεταβολές μπορεί να οδηγήσει στην αποκόλληση της επικάλυψης από το υπόστρωμα. Μεγαλύτερη προσοχή ακόμα θα πρέπει να δοθεί σε περίπτωση επικαλυμμένων δοκιμίων, τα οποία πρόκειται να υποστούν περεταίρω θερμική κατεργασία. Στην περίπτωση βέβαια της βορίωσης, ο συντελεστής θερμικής διαστολής του βορίου είναι πολύ κοντά σε αυτόν του σιδήρου. Συνεπώς δεν υπάρχουν σημαντικά προβλήματα δημιουργίας ρωγμών κατά τις θερμοκρασιακές μεταβολές. [16] Σημαντικό ακόμα πλεονέκτημα της επικάλυψης βορίου, είναι το γεγονός ότι κατά το σχηματισμό της σκληρής επικάλυψης, δεν παρατηρείται αλλαγή της τραχύτητας, εν σχέση με αυτή που χαρακτήριζε το μεταλλικό υπόστρωμα πριν την επικάλυψη. [16] Τύποι επικαλύψεων με βόριο. Υπάρχουν αρκετοί τύποι επικαλύψεων βορίου. Θα πρέπει με κάποιο τρόπο να διαπιστωθεί ποιου είδους επικάλυψη έχει γίνει σε ένα συγκεκριμένο μεταλλικό υπόστρωμα. Αυτό μπορεί να γίνει με τη βοήθεια του μεταλλογραφικού ελέγχου. Ακόμα μέσω του μεταλλογραφικού ελέγχου, είναι εύκολο να εκτιμηθεί η παρουσία πορώδους και η οδοντωτή μορφή της επικάλυψης. Έτσι μπορεί να προκύψει συμπέρασμα σχετικά με την ποιότητα της επικάλυψης. Στη συνέχεια, εικονίζονται οι διάφοροι τύποι επικαλύψεων βορίου οι οποίοι έχουν ταξινομηθεί με βάση τη μορφολογία και τη σύσταση. [16] 14

15 Εικόνα 12. Τύποι επικαλύψεων βορίου.[16] Για να γίνει κατανοητή η παραπάνω σχηματική απεικόνιση, της εικόνα 12, των διαφόρων τύπων επικαλύψεων, επεξηγούνται στον παρακάτω πίνακα οι διάφορες φάσεις που κάνουν την εμφάνιση τους σε κάθε μία περίπτωση. [16] Α Β C D E F G H I K L M Μονοφασική επικάλυψη αποκλειστικά FeB Διφασική επικάλυψη από Fe 2 B και FeB Διφασική επικάλυψη με τη στρώση FeB λεπτότερη από του τύπου Β Διφασική επικάλυψη αλλά μόνο απομονωμένα «δόντια» FeB Μονοφασική επικάλυψη αποκλειστικά Fe 2 B και με έντονα «δόντια» Μονοφασική επικάλυψη αποκλειστικά Fe 2 B λιγότερο έντονα «δόντια» Επικάλυψη με μεμονωμένα δόντια Fe 2 B Επικάλυψη με πολύ μεμονωμένα δόντια Fe 2 B Ζώνη διάχυσης Ζώνη αποδόμησης Διφασική επικάλυψη FeB και Fe 2 B ομοιόμορφα κατανεμημένο,χωρίς «δόντια» Μονοφασική επικάλυψη FeB και Fe 2 B ομοιόμορφα κατανεμημένο,χωρίς «δόντια» Διαδικασία βορίωσης με στερεές ενώσεις Ο Minkevic σε έρευνα του είχε καταλήξει στο συμπέρασμα ότι η χρήση στερεών ενώσεων υπό την μορφή σκόνης οδηγούσε σε επικαλύψεις μικρού πάχους και με αρκετό πορώδες. Επιπρόσθετα, οι Kunst και Schaaber ήταν οι πρώτοι που μελέτησαν σε βάθος την βορίωση χρησιμοποιώντας στερεές ενώσεις υπό την μορφή σκόνης. Θεώρησαν ότι προγενέστερες μελέτες κατέληξαν σε λανθασμένα συμπεράσματα διότι δε χρησιμοποιούσαν τα κατάλληλα 15

16 αντιδρώντα υλικά για την βορίωση. Για παράδειγμα η χρήση Ferroboron (σκόνη βορίου+σιδήρου) επηρεάζεται σημαντικά από την περιεκτικότητα σε αλουμίνιο ή πυρίτιο (ακαθαρσίες). Στον πίνακα 1 παρατίθενται οι σημαντικότερες ιδιότητες των ενώσεων που χρησιμοποιούνται σαν δότες βορίου για την δημιουργία επικάλυψης βορίου. [16] Πίνακας 1. Σημαντικές ιδιότητες ενώσεων βορίου για βορίωση με στερεές ενώσεις. [16] Οι Kunst και Schaaber σε έρευνα τους, βρήκαν ότι δεν ήταν απαραίτητες οι συνθήκες κενού και η αδρανής ατμόσφαιρα για να γίνει βορίωση με τη χρήση άμορφου βορίου. Ακόμη βρέθηκε ότι με την αύξηση του ποσοστού του κρυσταλλικού βορίου εις βάρος του ποσοστού του άμορφου βορίου, το πάχος της επικάλυψης μειώνεται. Πιθανώς αυτό να οφείλεται το γεγονός ότι το άμορφο βόριο έχει μεγαλύτερη ενεργή επιφάνεια σε σχέση με το κρυσταλλικό βόριο. Με σκοπό λοιπόν την αύξηση του πάχους της επικάλυψης, χρησιμοποιούνται ενεργοποιητές-activators. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί η NH 4 Cl που χρησιμοποιείται ως ενεργοποιητής σε περίπτωση βορίωσης με άμορφο βόριο. Συμπερασματικά λοιπόν, το άμορφο βόριο, αυξάνει το πάχος της επικάλυψης καθώς και τη δυνατότητα για βορίωση. Ακόμα η παραγόμενη επικάλυψη είναι διφασική με το κόστος να είναι σχετικά υψηλό στην παρούσα μέθοδο. [16] Από την άλλη, η επικάλυψη με τη χρήση ferroboron, από τεχνικής σκοπιάς είναι ακατάλληλη. Ο λόγος είναι ότι οδηγεί σε μικροδομές τύπου Κ για τις οποίες έγινε λόγος παραπάνω. Από μελέτες έχει προκύψει ότι ένα μίγμα ferroboron Al 2 O 3 BaF 2 οδηγεί σε επικαλύψεις σχετικά μεγάλου πάχους. Το BaF 2 όπως και στην περίπτωση του άμορφου βορίου αποδείχθηκε καλός ενεργοποιητής. Θα πρέπει να αποφεύγεται η χρήση Αl 2 O 3 σε συνδυασμό με ferroboron και BaF 2 διότι έτσι προέκυπταν επικαλύψεις πάχους 20% μεγαλύτερες. Ακόμα, εξέταση της ζώνης αποδόμησης που προέκυψε έδειξε ότι πριν την διάχυση του βορίου ή κατά την διάρκεια διάχυσης του συμβαίνει παράλληλα και η διάχυση του Si το οποίο υπήρχε σαν ακαθαρσία μέσα στο ferroboron. Αυτό είχε σαν αποτέλεσμα η περιεκτικότητα σε βόριο συναρτήσει της απόστασης από την επιφάνεια να παρουσιάζει έντονες μεταβολές. Η ίδια συμπεριφορά παρατηρήθηκε και για το αλουμίνιο. Σε βιομηχανικό επίπεδο οι απαιτήσεις σε ferroboron υψηλής καθαρότητας είναι τόσο μεγάλες που η συγκεκριμένη μέθοδος βορίωσης καθίσταται απαγορευτική. [16] 16

17 Επίδραση των κραματικών στοιχείων στο πάχος της επικάλυψης Στην εικόνα 13, φαίνεται το διάγραμμα σχέσης μεταξύ του πάχους του επιστρώματος της επικάλυψης και του ποσοστού κραμάτωσης. [16] Εικόνα 13. Διάγραμμα του πάχους της επικάλυψης βορίου συναρτήσει τηςπεριεκτικότητας σε κραματικά στοιχεία. [16] Το διάγραμμα της εικόνας 13, βασίστηκε σε πειραματικές δοκιμές που έγιναν με τη χρήση χαλύβων που είχαν σταθερό ποσοστό σε άνθρακα, και ένα από τα κραματικά στοιχεία που φαίνονται στο διάγραμμα. Ακόμα, όσον αναφορά τις συνθήκες των πειραμάτων, τονίζεται ότι η βορίωση έγινε με ένα μίγμα 60% βόρακα και 40% καρβίδιο του βορίου στους Τ = 1100 ο C. Η μείωση του πάχους της επικάλυψης παρατηρήθηκε με την αύξηση όλων των κραματικών στοιχείων. [16] 1. Άνθρακας Είναι γνωστό ότι όσο αυξάνεται η περιεκτικότητα σε άνθρακα, τόσο μειώνεται το πάχος της επικάλυψης βορίωσης. Μάλιστα τονίζεται ότι κάτω από τη ζώνη βορίου, παρατηρείται μία ζώνη διάχυσης από άνθρακα ο οποίος δεν μπορεί να διαλυθεί μέσα στο βόριο. [16] 2. Χρώμιο Όσον αναφορά το χρώμιο, ως κραματικό στοιχείο, αναφέρεται ότι αύξηση της περιεκτικότητας του, οδηγεί σε μείωση του πάχους της επικάλυψης καθώς και του οδοντωτού σχηματισμού, που κάνει την εμφάνιση του κατά την βορίωση. [16] 3. Βολφράμιο, μολυβδαίνιο και βανάδιο. Η μείωση της περιεκτικότητας των συγκεκριμένων στοιχείων, είναι ικανή να οδηγήσει σε μείωση του πάχους της επικάλυψης βορίωσης, ενώ ακόμα μπορεί να προκαλέσει εξάλειψη της οδοντωτής μορφής. [16] 17

18 4. Πυρίτιο Στην περίπτωση που το κραματικό στοιχείο είναι το πυρίτιο, αναφέρεται ότι αυτό εντοπίζεται επιφανειακά εν σχέση με το βόριο το οποίο διαχέεται σε βάθος. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα η περιεκτικότητα σε πυρίτιο στη ζώνη διάχυσης να είναι πολύ υψηλή.[16] 5. Μαγγάνιο και Νικέλιο Τα στοιχεία αυτά μεταβάλλουν το πάχος της επικάλυψης, όπως και στα περισσότερα κραματικά στοιχεία που αναφέρθηκαν και παραπάνω. Επιπρόσθετα, τα παραπάνω κραματικά στοιχεία, μπορούν να προκαλέσουν ακόμα και αλλαγές στον οδοντωτό σχηματισμό.[16] Αλουμινίωση Χαρακτηριστικά αλουμινίωσης Η αλουμινίωση ως επικάλυψη, με σκοπό την προστασία κάποιου μεταλλικού υποστρώματος, δεν είναι τόσο ευρέως διαδεδομένη όσο η βορίωση, η οποία βρίσκει πιο συχνά εφαρμογή. Στην συνέχεια, στην εικόνα 14, παρουσιάζεται το διάγραμμα φάσεων αλουμινίου-σιδήρου. Εικόνα 14. Διάγραμμα φάσεων Fe-Al.[17] Είναι αρκετά συνηθισμένη η ανάγκη για δημιουργία προστατευτικής επικάλυψης χάλυβα με τη χρήση αλουμινίου, με σκοπό την προστασία του υποστρώματος. Λεπτομερέστερα, η αλουμινίωση στοχεύει στην προστασία του μεταλλικού υποστρώματος από οξείδωση, η οποία συμβαίνει σε υψηλές θερμοκρασίες, καθώς και από την επερχόμενη διάβρωση.[18] Όσον αναφορά την αλουμινίωση με τη μέθοδο pack aluminizing, θα πρέπει το επικαλυμμένο μεταλλικό υπόστρωμα να υποστεί θέρμανση με σκοπό να επιτευχθεί η διαδικασία της διάχυσης. Απαιτείται υψηλή θερμοκρασία και για κάποιο συγκεκριμένο χρονικό διάστημα, κατά τη διάρκεια του οποίου γίνεται διάχυση και ταυτόχρονα ο σχηματισμός της επιφανειακής 18

19 επικάλυψης με πάχος τόσο, όσο είχε προβλεφθεί και πριν την έναρξη του θερμικού κύκλου.[18] Ακόμη έχει μελετηθεί η προσπάθεια ταυτόχρονης εναπόθεσης αλουμινίου με χρώμιο, ή αλουμινίου με πυρίτιο τόσο σε μεταλλικό υπόστρωμα από χάλυβα όσο και σε υπόστρωμα υπερκραμάτων. Η διαδικασία της εναπόθεσης στη συγκεκριμένη περίπτωση, μπορεί να επιτευχθεί με μορφή σκόνης, της οποίας οι κόκκοι είναι τα στοιχεία με τα οποία πρόκειται να επικαλυφθεί το υπόστρωμα. [18] Από τις πιο γνωστές μεθόδους, που χρησιμοποιούνται με σκοπό την αλουμινίωση μεταλλικού υποστρώματος, είναι η μέθοδος pack cementation και η CVD (chemical vapor deposition). Αυτές γίνονται σε υψηλές θερμοκρασίες, από 700 έως 1150 o C.[18] Οι επικαλύψεις με χρήση αλουμινίου, χρησιμοποιούνται συχνά με σκοπό την αύξηση της αντοχής του χάλυβα σε διάφορα διαβρωτικά περιβάλλοντα όπως για παράδειγμα οξειδωτικά περιβάλλοντα. Κυρίως ανάγκη για προστασία παρουσιάζουν αρκετά εξαρτήματα σε σταθμούς επεξεργασίας άνθρακα, σε διυλιστήρια αργού πετρελαίου και αρκετές πετροχημικές βιομηχανίες. Πέρα από αυτά, η αλουμινίωση έχει την ικανότητα να προστατέψει το μεταλλικό υπόστρωμα από την φθορά τριβής, ενώ ακόμα μπορεί να μειώσει την φθορά σε κατασκευές εξατμίσεων καθώς και σε περιβάλλοντα ατμών. Αυτό γίνεται διότι επιφανειακά συντίθεται ένα φιλμ αλούμινας. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον υπάρχει στην προστασία που μπορεί να προσφέρει η επικάλυψη αλουμινίου, μέσω της σύνθεσης του λεπτού φιλμ αλούμινας, σε περίπτωση που οι θερμοκρασίες λειτουργίας είναι υπερβολικά υψηλές. Αυτό συμβαίνει διότι το φιλμ αλούμινας παρουσιάζει μεγάλη σταθερότητα προστατεύοντας επαρκώς το υπόστρωμα.[18] Μορφή της σχηματιζόμενης επικάλυψης αλουμινίου Η παρατήρηση της σχηματιζόμενης μορφής της επικάλυψης αλουμινίου, θα φανεί μέσω ενός παραδείγματος αλουμινίωσης, κατά τη διάρκεια πειραματικής διαδικασίας. Συγκεκριμένα θα παρατηρηθούν φωτογραφίες και διαγράμματα που έχουν προκύψει με τη χρήση οπτικού μικροσκοπίου, SEM και ανάλυσης EDS επιστρώματος αλουμινίου επί του χάλυβα AISI [18] Εικόνα 15. Επίστρωμα επικάλυψης αλουμινίου χάλυβα AISI 4140 στους 800ºC για 1h. Λήψη φωτογραφίας με χρήση οπτικού μικροσκοπίου. [18] Παρατηρώντας την φωτογραφία 15 οπτικού μικροσκοπίου, φαίνεται ότι η επικάλυψη αλουμινίου παρουσιάζει μία χαρακτηριστική λάμψη, εν σχέση με το χρώμα στο υπόστρωμα, 19

20 που πρόκειται να προστατέψει. Η φωτογραφία δείχνει την επικάλυψη αλουμινίου σε χάλυβα AISI 4140, η οποία έγινε στους 800 ο C και η διάχυση διήρκησε περίπου μία ώρα. [18] Εικόνα 16. Επίστρωμα επικάλυψης αλουμινίου χάλυβα AISI 4140 στους 800ºC για 3h. Λήψη φωτογραφίας με χρήση SEM και ανάλυσης EDS.[18] Στην φωτογραφία 16 εικονίζεται επικάλυψη αλουμινίου σε ίδιο υπόστρωμα με πριν, αλλά με τη διαφορά ότι στην περίπτωση αυτή, η θέρμανση στους 800ºC διήρκησε για 3h. Ως αποτέλεσμα, παρατηρήθηκε η σύνθεση επίστρωσης αλουμινίου επί χαλύβδινου υποστρώματος, το οποίο παρουσίαζε ομοιογένεια σε όλο του το πάχος ενώ παράλληλα δημιουργήθηκε και μία σχετικά λεία διεπιφάνεια μεταξύ του χαλύβδινου υποστρώματος και του αλουμινίου. [18] Χρησιμοποιώντας EDS ανάλυση, φάνηκε ότι στην επικάλυψη αλουμινίωσης, η συγκέντρωση του αλουμινίου είναι αρκετά μεγάλη στα εξωτερικά τμήματα της επικάλυψης, ενώ από την άλλη η συγκέντρωση του σιδήρου γίνεται συνεχώς πιο έντονη κινούμενοι από τα εξωτερικά στρώματα της επικάλυψης αλουμινίου προς τα εσωτερικά. [18] Στο επόμενο διάγραμμα της εικόνας 17, η επίστρωση αλουμινίου στην περίπτωση που έγινε θέρμανση για 3 ώρες, παρουσιάζει διάφορες φάσεις. Στην παρούσα περίπτωση που έγινε επικάλυψη χάλυβα AISI 4140 με αλουμίνιο, κάνουν την εμφάνιση τους οι διάφορες ενώσεις αλουμινίου οι οποίες φαίνονται στη συνεχεια: Fe 2 Al 5, FeAl 2, AlN and Al 2 O 3. [18] Εικόνα 17. XRD προφίλ του χάλυβα AISI 4140 που υπέστη αλουμινίωση στους 800 ºC για 3 h. [18] 20

21 Συμπερασματικά, κατά την επιφανειακή επίστρωση με αλουμίνιο, μπορούν να παρατηρηθούν διαφορετικές φάσεις, δηλαδή διαφορετικές ενώσεις αλουμινίου. [18] Το πάχος της επικάλυψης αλουμινίου, ποικίλει ανάλογα με την θερμοκρασία στην οποία θα γίνει η διάχυση, ενώ εξίσου σημαντικό ρόλο παίζει η χρονική διάρκεια παραμονής στην θερμοκρασία αυτή. Για να γίνει περισσότερο κατανοητό αυτό, παρουσιάζονται τα παρακάτω διαγράμματα στις εικόνες 18 και 19. [18] Εικόνα 18. Μεταβολή πάχους επιστρώματος συναρτήσει του χρόνου θέρμανσης.[18] Εικόνα 19. Μεταβολή πάχους επικάλυψης σε σχέση με τις παραμέτρους της διαδικασίας επικάλυψης. [18] 21

22 Μελετώντας τα παραπάνω διαγράμματα, προκύπτει το συμπέρασμα ότι διάφορες παράμετροι που σχετίζονται άμεσα με την τεχνική της επικάλυψης μπορούν να συμβάλουν στη διαμόρφωση του τελικού πάχους της επικάλυψης αλουμινίου. [18] Τα παραπάνω συμπεράσματα μπορούν να φανούν και στο παράδειγμα που ακολουθεί στην εικόνα 20. Πρόκειται για αλουμινίωση 0.45C-χάλυβα. [19] Εικόνα 20. Επικάλυψη αλουμινίου του 0.45C-χάλυβα. Αλλαγές στο πάχος και τη μορφή της επικάλυψης εν σχέση με τη θερμοκρασία και τον χρόνο παραμονής σε αυτή. [19] Ουσιαστικά διαπιστώνεται η λάμψη που χαρακτηρίζει την επικάλυψη αλουμινίου, ενώ παράλληλα επιβεβαιώνεται και πάλι ότι το πάχος του επιστρώματος μεταβάλλεται σε σχέση με τη θερμοκρασία και τον χρόνο που έχει διαρκέσει η διάχυση. [19] 2.4 Γενικά για την κόπωση διάβρωσης-corrosion fatigue Ουσιαστικά, η κόπωση διάβρωσης ή αλλιώς corrosion fatigue, αποτελεί ένα μηχανισμό αστοχίας του δοκιμίου ή εξαρτήματος. Ο συγκεκριμένος μηχανισμός μπορεί να εξαρτάται από τη συνδυασμένη δράση κυκλικών επαναλαμβανόμενων τάσεων και ενός χημικά αντιδραστικού περιβάλλοντος το οποίο μπορεί να δράσει ως διαβρωτικό μέσο. Ακόμα μπορεί να τονισθεί ότι κατά τη κόπωση διάβρωσης, παρατηρείται αθροιστικά η φθορά τόσο λόγο της φόρτισης όσο και λόγο του διαβρωτικού μέσου. Μάλιστα σε περίπτωση που μία από τις δύο παραπάνω συνιστώσες δρούσαν ξεχωριστά επί του εξαρτήματος, η φθορά θα ήταν μικρότερη.[20] Όσον αναφορά τη μελέτη του φαινομένου της κόπωσης διάβρωσης, ο αναγνώστης θα πρέπει να γνωρίζει ότι πρόκειται για ένα αρκετά πολύπλοκο φαινόμενο. Για αυτόν ακριβώς το λόγο, για μία σε βάθος μελέτη του φαινομένου, απαιτούνται γνώσεις της μεταλλουργίας, της χημείας και φυσικά της μηχανολογίας. [20] Βέβαια, όσον αναφορά την παρέμβαση, με σκοπό την προστασία κάποιου μεταλλικού εξαρτήματος από την κόπωση διάβρωσης, τονίζεται ότι υφίστανται διάφορες προσεγγίσεις. Έτσι από τη μία πλευρά, γίνεται μία προσπάθεια να μειωθεί ο ρυθμός διάβρωσης, επιλέγοντας ένα υλικό υψηλής αντοχής σε διάβρωση, με σκοπό τη δημιουργία επιφανειακής επικάλυψης. Από την άλλη, υπάρχει και η δυνατότητα προστασίας από την κόπωση διάβρωσης, προσεγγίζοντας περισσότερο την κόπωση. Με σκοπό την αύξηση της αντοχής σε κόπωση, μπορεί με κάποιο τρόπο να μειωθεί η τιμή της κυκλικής φόρτισης, ενώ ακόμα θα 22

23 μπορούσε να εφαρμοσθούν εσωτερικές συμπιεστικές τάσεις στην επιφάνεια, οι οποίες αποτελούν εμπόδιο στην κόπωση και μάλιστα στη γρήγορη διάδοση των ρωγμών.[21] Σχέση μεταξύ εργοδιάβρωσης και κόπωσης διάβρωσης Στο σημείο αυτό κρίνεται απαραίτητο να γίνει λόγος για την στενή σχέση που συνδέει τις δύο αυτές έννοιες. Πιο συγκεκριμένα, στην περίπτωση της εργοδιάβρωσης είναι γνωστό ότι η δημιουργία της ρωγμής και η διάδοση αυτής, σε συνδυασμό με τη δράση κάποιου διαβρωτικού μέσου, περιορίζεται για ένα μικρό πλήθος συνδυασμού υλικών και περιβάλλοντος. Από την άλλη, στην περίπτωση της κόπωσης, η ενίσχυση της φθοράς που μπορεί να επέλθει με τη δράση κάποιου διαβρωτικού μέσου, μπορεί να εμφανισθεί σε μεγαλύτερο πλήθος συνδυασμών περιβάλλοντος και υλικού. Ο λόγος για τον οποίο συμβαίνει αυτό, είναι ότι στην περίπτωση της εργοδιάβρωσης, όπου οι μη κυκλικές τάσεις επικρατούν, δεν μπορούν οι κεφαλές των ρωγμών να διατηρηθούν αιχμηρές. Αντίθετα η αιχμηρότητα αυτή κάνει έντονα την εμφάνιση της στην κόπωση διάβρωσης. [20] Μία ακόμα σημαντική διαφορά μεταξύ εργοδιάβρωσης και κόπωσης διάβρωσης, έχει να κάνει με την οριακή τιμή ενέργειας, η οποία θα πρέπει να ξεπεραστεί ώστε να επέλθει ρωγμάτωση. Έτσι αναφέρεται ότι το κατώφλι της τάσης που θα οδηγήσει στην έναρξη εμφάνισης ρωγμής, είναι μικρότερη στην περίπτωση κόπωσης διάβρωσης. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι κατά την κόπωση επέρχεται ρήξη στο προστατευτικό επιφανειακό φιλμ οξειδίων, με αποτέλεσμα το διαβρωτικό μέσο να μπορεί να εισέλθει πολύ πιο εύκολα. Έτσι η διάδοση της ρωγμής στη περίπτωση της κόπωσης διάβρωσης, γίνεται αρκετά πιο γρήγορα, εν σχέση με την περίπτωση της εργοδιάβρωσης. [20] Τελικά, αναφέρεται ότι ο μηχανισμός ο οποίος πρόκειται να οδηγήσει σε αστοχία, θα μπορούσε να είναι ίδιος τόσο για την περίπτωση της κόπωσης διάβρωσης, όσο και για την περίπτωση της εργοδιάβρωσης, με μοναδική διαφορά, το είδος της φόρτισης. Στην περίπτωση της κόπωσης διάβρωσης, το είδος της φόρτισης είναι κυκλική, ενώ στην περίπτωση της εργοδιάβρωσης, γίνεται λόγος για στατική φόρτιση. [20] Κόπωση διάβρωσης Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, κατά την κόπωση διάβρωσης, το κυκλικό δοκίμιο τύπου C, υποβάλλεται σε κυκλικές τάσεις έως ότου επέλθει η αστοχία, ή έως ότου αντέξει τελικά σε ένα προκαθορισμένο αριθμό κύκλων. Αποτελέσματα από την δοκιμασία αυτή μπορούν να αποτυπωθούν σε S-N καμπύλες, οι οποίες δείχνουν τον αριθμό των κύκλων για αστοχία, ως συνάρτηση του εύρους κυκλικής τάσης S. Στην πορεία παρουσιάζεται ενδεικτικά ένα τέτοιο διάγραμμα (εικόνα 21). [20] 23

24 Εικόνα 21. Καμπύλες S-N σε διάφορα μέσα. Είναι εμφανής η καλύτερη συμπεριφορά του υλικού σε λιγότερο διαβρωτικά περιβάλλοντα. [22] Η κυκλική συχνότητα είναι μια άκρως σημαντική μεταβλητή, διότι αυτή μπορεί άμεσα να συνδέεται με το ρυθμό ανάπτυξης της ρωγμής ανά κύκλο φόρτισης. [20] Η ανάγκη για γνώση της κόπωσης διάβρωσης οφείλεται στο ότι μπορεί να συναντηθεί σε ένα μεγάλο πλήθος εφαρμογών. Χαρακτηριστικά παραδείγματα αποτελούν οι περιπτώσεις κόπωσης διάβρωσης σε υποβρύχια σκάφη, κατασκευές παραγωγής πετρελαίου και αερίου, που βρίσκονται σε θαλάσσιο περιβάλλον. Ακόμη περιπτώσεις κόπωσης διάβρωσης συναντάμε σε κατασκευαστικά στοιχεία αεροσκαφών, καθώς και εναλλάκτες θερμότητας όλων των τύπων. Τα διαβρωτικά περιβάλλοντα στα οποία κανείς μπορεί να συναντήσει την κόπωση διάβρωσης είναι αρκετά. Αυτά μπορούν να ξεκινούν από το θαλασσινό θάλασσα ή το νερό των ποταμών, έως τα χημικώς ελεγχόμενα νερά των σύγχρονων boilers και των πυρηνικών αντιδραστήρων.[20] Όσον αναφορά τη μορφολογία της επιφάνειας θραύσης από κόπωση, είναι σε μία μεγάλη της έκταση λεία, πράγμα που δηλώνει την ανάπτυξη της ρωγμής. Επιπρόσθετα, υπάρχει μια μικρή σχετικά περιοχή που είναι τραχιά. Πρόκειται για επιφάνεια διαμορφωμένη από τη γρήγορη και απότομη θραύση, όταν η μέγιστη τάση φτάσει το όριο αντοχής. Στην επιφάνεια θραύσης, συχνά υπάρχουν κάποια χαρακτηριστικά σημάδια τα οποία καλούνται beachmarks (γιατί θυμίζουν σημάδια ακτής). Αυτά φαίνονται στο λείο μέρος της επιφάνειας και καταδεικνύουν τη μορφή και τη θέση του μετώπου της ρωγμής σε διάφορα στάδια. Βέβαια έχουν σημειωθεί και περιπτώσεις στις οποίες η κόπωση διάβρωσης φαίνεται με σημάδια τύπου beachmarks, αλλά αυτά κρύβονται εξαιτίας των προϊόντων διάβρωσης. [20] Ακόμα αναφέρεται ότι η θραύση από κόπωση διάβρωσης είναι γενικά ενδοκρυσταλλική. Μόνο στην περίπτωση θραύσης σε ξηρό περιβάλλον, διαφέρει και είναι συνήθως διακλαδισμένη. [20] Μηχανισμοί της κόπωσης διάβρωσης Στη βιβλιογραφία υπάρχουν αρκετές θεωρίες με τις οποίες γίνεται μία προσπάθεια για την προσέγγιση του τρόπου με τον οποίο επέρχεται θραύση κατά την κόπωση σε διάβρωση. Πιο συγκεκριμένα οι διάφοροι μηχανισμοί που είναι γνωστοί, έχουν στόχο για να εξηγήσουν τον τρόπο ανάπτυξης της ρωγμής στην κόπωση διάβρωσης. Οι γενικοί μηχανισμοί είναι:[20] 24

25 1. ο μηχανισμός, που αφορά την προκαλούμενη από το υδρογόνο ρωγμάτωση (hydrogen-induced cracking) και 2. την ανοδική διάλυση στην κορυφή της ρωγμής (anodic dissolution). Αναφέρεται ότι οι δύο παραπάνω μηχανισμοί μπορούν να εμφανισθούν είτε μεμονωμένα είτε μαζί. 3. Τέλος υπάρχει και ο μηχανισμός μείωσης της επιφανειακής ενέργειας. Υπάρχουν τέσσερις πιθανοί μηχανισμοί της ανοδικής διάλυσης: ολίσθηση-διάλυση (slipdissolution), διάρρηξη ψαθυρού φιλμ (brittle film-rupture), διάβρωση-δημιουργία σηράγγων (corrosion-tunneling) και επιλεκτική διάβρωση (selective-dissolution (dealloying)). Για την ψαθυροποίηση υδρογόνου (hydrogen embrittlement) υπάρχουν πέντε τύποι μηχανισμών: διάσπαση της συνοχής (decohesion), πίεση (pressure), προσρόφηση (adsorption), παραμόρφωση (deformation), ψαθυρό υδρίδιο (brittle hydride). [20] Ακόμα είναι γνωστό ότι, η ανοδική διάλυση και η ρωγμάτωση, που προκαλείται από το υδρογόνο είναι ανταγωνιστικές διαδικασίες. Βέβαια μόνο μία από αυτές θα έχει τη μέγιστη επίδραση με αποτέλεσμα την έναρξη της ρωγμάτωσης. Στην πράξη βέβαια και οι δυο διαδικασίες μπορεί να συμβούν ταυτόχρονα στις κεφαλές των ρωγμών. Σε περίπτωση που με βεβαιότητα ήταν ανεξάρτητες, θα υπήρχε ανάγκη να προσδιορισθεί το ποια από τις δύο εμφανίζεται γρηγορότερα. Τέλος αναφέρεται ότι η ανοδική και η καθοδική διαδικασία δηλαδή είναι αλληλοεξαρτώμενες και μπορεί να λειτουργούν ταυτόχρονα ή διαδοχικά. [20] Ρωγμάτωση προκαλούμενη από το υδρογόνο Στην συγκεκριμένη περίπτωση, κατά τη διαδικασία της κόπωσης διάβρωσης, το υδρογόνο μπορεί να παραχθεί από την αντίδραση μεταξύ περιβάλλοντος και της περιοχής στην οποία έχει κάνει την εμφάνιση της η ρωγμή. Λεπτομερέστερα αναφέρεται ότι το υδρογόνο παράγεται μεταξύ του περιβάλλοντος και της κεφαλής της ρωγμής. Έτσι το υδρογόνο απορροφάται από την επιφάνεια του μετάλλου και στην πορεία αυτό διαχέεται είτε μεταφέρεται με μηχανισμό σάρωσης εξάρθρωσης γραμμοαταξιών (dislocation sweeping) στην περιοχή που έχει υποστεί την εντονότερη φόρτιση, που συνήθως είναι η πλαστική ζώνη στην κεφαλή της ρωγμής. Όλο αυτό που περιγράφηκε, έχει ως αποτέλεσμα την τοπική φθορά η οποία με τη σειρά της αυξάνει το ρυθμό ανάπτυξης της ρωγμής. [20] Στην συνέχεια παρουσιάζεται μία εικόνα, στην οποία φαίνονται σχηματικά οι διάφορες διαδικασίες που μπορούν να οδηγήσουν στην ανάπτυξη μίας ρωγμής λόγω κόπωσης από διάβρωση σε περίπτωση σιδηρούχων κραμάτων. 25

26 Εικόνα 22. Διαδοχικές διαδικασίες στην ανάπτυξη ρωγμής κόπωσης διάβρωσης σε σιδηρούχα κράματα, που εκτίθενται σε επιθετικά περιβάλλοντα. [20] Όπως λοιπόν φαίνεται και στην εικόνα 22, τα βήματα κατά την προσέγγιση του υδρογόνου στην κορυφή της ρωγμής και ύστερα τη μεταφορά του στην μέγιστα φορτισμένη περιοχή είναι διαδοχικά. Βέβαια όπως είναι και λογικό, ο ρυθμός ανάπτυξης της ρωγμής ελέγχεται από την πιο αργή διαδικασία. Περιγραφικά, οι διαδικασίες μεταφοράς αφορούν τη μεταφορά της αέριας φάσης, τη φυσική προσρόφηση, τη διασπαστική χημική προσρόφηση, την είσοδο του υδρογόνου και τη διάχυση. [20] Τέλος κρίνεται ακόμα απαραίτητο να αναφερθεί ότι σε κάποιες περιπτώσεις το υδρογόνο μπορεί να μπει στο υλικό κατά τη διάρκεια της κατασκευής χωρίς να υπάρχει ένα επιθετικό εξωτερικό περιβάλλον. [20] Σχετικά με το υδρογόνο, όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, έχουν διατυπωθεί κάποιοι μηχανισμοί. Αυτοί παρουσιάζονται στη συνέχεια. Αρχικά λοιπόν γίνεται λόγος για το μηχανισμό διάσπασης συνοχής του πλέγματος. Ο συγκεκριμένος μηχανισμός έχει ως χαρακτηριστικό του γνώρισμα, ότι το υδρογόνο ως διαλύτης ουσίας μειώνει τις δυνάμεις συνοχής μεταξύ των δεσμών των ατόμων των μετάλλων. Συνεπώς, όπως είναι λογικό, η ανάπτυξη της ρωγμής συμβαίνει, όταν η τοπική ελαστική εφελκυστική τάση (tensile elastic stress) στην περιοχή της κορυφής της ρωγμής υπερβαίνει την αποδυναμωμένη από το υδρογόνο ενδοατομική δύναμη συνοχής. Επιπρόσθετα αναφέρεται ότι η εξασθένηση της δύναμης συνοχής εξαρτάται από την τοπική συγκέντρωση υδρογόνου. [20] Ένας άλλος μηχανισμός στην κατηγορία αυτή είναι ο μηχανισμός πίεσης. Πολλές από τις πρώτες παρατηρήσεις της ψαθυροποίησης υδρογόνου συσχετίστηκαν με τη δημιουργία φυσαλίδων αέριου υδρογόνου υψηλής πίεσης σε εσωτερικά κενά και μικρορωγμές. Οι φυσαλίδες μπορεί να σχηματιστούν, όταν το κράμα εκτίθεται σε περιβάλλον υψηλής πτητικότητας-τάσης διαφυγής υδρογόνου, όπως σε ένα περιβάλλον υψηλής πίεσης αερίου υδρογόνου. Το ατομικό υδρογόνο, που προέρχεται από τις επιφανειακές αντιδράσεις του μετάλλου με το περιβάλλον διαχέεται στις ανομοιογένειες της μικροδομής στην κεφαλή της ρωγμής, όπως π.χ. στα κενά και στις μικρορωγμές, ανασχηματίζεται σε μοριακή μορφή κι έτσι συσσωρεύεται μια πολύ μεγάλη εσωτερική πίεση. Η υψηλή πίεση προφανώς ασκεί μια πρόσθετη τάση κι επομένως αυξάνει την κινητήρια δύναμη στην κεφαλή της ρωγμής έχοντας ως αποτέλεσμα έναν υψηλότερο ρυθμό προώθησης. Τέλος, ο μηχανισμός πίεσης δεν είναι 26

27 επαρκής, για να εξηγήσει στις περισσότερες περιπτώσεις το φαινόμενο της ρωγμάτωσης των κραμάτων. [20] Όσον αναφορά τον μηχανισμό επιφανειακής απορρόφησης-προσρόφησης, υποστηρίζεται ότι, ότι το υδρογόνο απορροφάται από την επιφάνεια και αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της επιφανειακής ενέργειας του μετάλλου. Αν ακόμα ληφθεί υπόψη η κλασική θεωρία του Griffith για την προώθηση της ρωγμής, προκύπτει το συμπέρασμα ότι το υδρογόνο διευκολύνει την επέκταση της ρωγμής και αυξάνει το ρυθμό ανάπτυξής της. Ακόμα αναφέρεται ότι ο μηχανισμός επιφανειακής απορρόφησης-προσρόφησης και ο μηχανισμός διάσπασης συνοχής του πλέγματος είναι στενά συνδεδεμένοι. Ο πρώτος προτείνει, ότι το απορροφούμενο υδρογόνο μειώνει την επιφανειακή ενέργεια, που απαιτείται για την επέκταση της ρωγμής και ο δεύτερος, ότι το υδρογόνο μειώνει την αντοχή των ατομικών δεσμών στην κεφαλή της ρωγμής. Τα τελικά αποτελέσματα είναι τα ίδια στο ότι τα κρίσιμα μεγέθη στην κεφαλή της ρωγμής, που αφορούν την προώθησή της (επιφανειακή ενέργεια και αντοχή ατομικών δεσμών) μειώνονται από την παρουσία υδρογόνου. Μια από τις μεγαλύτερες ελλείψεις στο μηχανισμό επιφανειακής απορρόφησης-προσρόφησης σχετίζεται με το μεγάλο ποσοστό ενέργειας πλαστικής παραμόρφωσης, που συνοδεύει την ανάπτυξη της ρωγμής. Η ενέργεια πλαστικής παραμόρφωσης είναι συνήθως πολύ μεγαλύτερη απ ότι η σχετικά μικρή επιφανειακή ενέργεια (περίπου 1000 προς 1). Έτσι ακόμη και μια μεγάλη μείωση στην επιφανειακή ενέργεια, εξαιτίας της απορρόφησης υδρογόνου δεν πρέπει να επηρεάζει αισθητά την τάση θραύσης. Ένα άλλο ζήτημα είναι, ότι άλλα περιβαλλοντικά είδη, όπως το οξυγόνο και το άζωτο απορροφούνται ισχυρά από τις καθαρές μεταλλικές επιφάνειες και έχουν τη δυνατότητα να μειώσουν την επιφανειακή ενέργεια σε μεγαλύτερο βαθμό από το υδρογόνο. Όμως ούτε το οξυγόνο, ούτε το άζωτο επιταχύνουν τους ρυθμούς ανάπτυξης ρωγμής, όπως το υδρογόνο. [20] Στο σημείο αυτό θα γίνει λόγος για τον μηχανισμό πλαστικότητας ενισχυμένος από το υδρογόνο. Όσον αναφορά τον μηχανισμό αυτό, σε αντίθεση με τους προηγούμενους, που προτείνουν, ότι το υδρογόνο ψαθυροποιεί το υλικό κι έτσι μειώνει την κινητήρια δύναμη, που απαιτείται για την επέκταση της ρωγμής, προτείνει, ότι το υδρογόνο βοηθά τις διαδικασίες της πλαστικής ροής κάνοντας τις γραμμοαταξίες, να κινηθούν σε μειωμένες τάσεις ή διευκολύνοντας τη γέννηση των γραμμοαταξιών στην κορυφή της ρωγμής. [20] Ακόμη έχοντας κατά νου, ότι οι τρεις μεγάλες κατηγορίες των μονοπατιών (paths) θραύσης (η συνένωση μικροκενών, το σχίσιμο και η περικρυσταλλική ρωγμάτωση), οι οποίες παρατηρούνται σε αδρανή περιβάλλοντα παρουσιάζονται επίσης στην περιβαλλοντικά υποβοηθούμενη ρωγμάτωση, προβάλλεται το επιχείρημα, ότι το υδρογόνο στο πλέγμα απλώς βοηθάει αυτές τις διαδικασίες θραύσης. Βέβαια ο παρόν μηχανισμός έχει λάβει μερική πειραματική υποστήριξη. Το υδρογόνο για παράδειγμα φαίνεται να ενισχύει την κινητικότητα της γραμμοαταξίας στο νικέλιο, μειώνοντας τη δραστηριοποίηση-ενεργοποίηση της ενθαλπίας για την κίνηση της γραμμοαταξίας. [20] Συχνά βέβαια γίνεται λόγος για μηχανισμό υδριδίου. Πρέπει λοιπόν να αναφερθεί ότι κάποια μέταλλα, που είναι ευπαθή στην υποβοηθούμενη από το περιβάλλον ρωγμάτωση σχηματίζουν σταθερά ή μετασταθή υδρίδια. Αυτά είναι συχνά ψαθυρά και σε συστήματα κράματος - περιβάλλοντος, όπου η κατακρήμνιση του υδριδίου είναι εφικτή, η προώθηση της ρωγμής υποβοηθάτε με ρωγμάτωση μέσω των υδριδίων ή κατά μήκος των διεπιφανειών υδριδίου-μήτρας. Εξαιτίας της διαστολής του όγκου, που συμβαίνει κατά το σχηματισμό των μεταλλικών υδριδίων, η υψηλή εφελκυστική τάση στην περιοχή της κεφαλής της ρωγμής προωθεί το σχηματισμό υποβοηθούμενων από την τάση υδριδίων. [20] Σε κράματα, που σχηματίζουν σταθερά υδρίδια, ο μηχανισμός υδριδίου είναι εύλογος για τη ρωγμάτωση κόπωσης διάβρωσης. Για κράματα, που σχηματίζουν μετασταθή υδρίδια, όπως AlH ή μη σταθερά υδρίδια, όπως FeH, το τεκμήριο, που συνδέει τα υδρίδια απευθείας με τη 27

28 θραύση απουσιάζει κι έτσι η δυνατότητα να εφαρμοστεί ο μηχανισμός σε αυτά τα κράματα είναι υπό συζήτηση.[20] Ανοδική διάλυση Εικόνα 23. Διαδοχικά γεγονότα, που συμβαίνουν στην κεφαλή της ρωγμής κατά την ανοδική διάλυση. [20] Στην εικόνα 23, μπορεί να φανεί η κεφαλή της ρωγμής κατά την ανοδική διάλυση και να παρατηρηθούν διαδοχικά γεγονότα που μπορούν να συμβούν. Κατά την ανάπτυξη της ρωγμής, ο ρυθμός ανάπτυξης αυτής ενισχύεται από την ανοδική διάλυση κατά μήκος των ευαίσθητων μονοπατιών (paths), όπως είναι τα όρια των κόκκων ή ακόμα οι κορυφές των ρωγμών του παραμορφωμένου μετάλλου (crack-tip strained metal), οι οποίες είναι ανοδικές σε σχέση με την περιβάλλουσα μήτρα. Ουσιαστικά στη ρωγμάτωση κόπωσης διάβρωσης, ο μηχανισμός ανοδικής διάλυσης εξαρτάται από τη διάρρηξη του προστατευτικού φιλμ που βρίσκεται στην κεφαλή της ρωγμής, εξαιτίας της διαδικασίας κόπωσης και την ακόλουθη επαναπαθητικοποίηση της νέας εκτιθέμενης επιφάνειας του μετάλλου. Μάλιστα υπάρχουν κάποιες διαδικασίες οι οποίες ελέγχουν τον ρυθμό ανάπτυξης της ρωγμής. Ο ρυθμός ανάπτυξης της ρωγμής ελέγχεται από το ρυθμό της ανοδικής διάλυσης της «γυμνής» επιφάνειας, επίσης από το ρυθμό της επαναπαθητικοποίησης, από το ρυθμό διάρρηξης του φιλμ οξειδίου, το ρυθμό μεταφοράς μάζας του αντιδρώντος στην επιφάνεια, που διαλύεται και τη ροή των διαλυμένων μεταλλικών κατιόντων μακριά από την επιφάνεια. Σημειώνεται, ότι ο ρυθμός επαναπαθητικοποίησης είναι ιδιαίτερα κρίσιμος. Πιο συγκεκριμένα πρέπει να είναι αρκετά γρήγορος, για να αποφευχθεί η εκτεταμένη και ευρεία διάλυση, που οδηγεί σε άμβλυνση της κεφαλής της ρωγμής και σε σχηματισμό pit, αλλά πρέπει να είναι και αρκετά αργός, για να επιτρέψει σημαντική διάλυση στην κορυφή της ρωγμής. [20] Στο σημείο αυτό αναφέρεται ότι η δυναμική φύση της ανοδικής διάλυσης και οι διαδικασίες επαναπαθητικοποίησης παρουσιάζονται σχηματικά στην παραπάνω εικόνα. Υπό φορτίο κόπωσης διαμορφώνεται ένα βήμα ολίσθησης στην κορυφή της ρωγμής, το οποίο διαρρηγνύει το προστατευτικό επιφανειακό φιλμ (Β). Η νέα δημιουργημένη επιφάνεια αντιδρά με το περιβάλλον και εν μέρει διαλύεται μέχρι η περιοχή της κορυφής της ρωγμής να επαναπαθητικοποιηθεί τελείως και το προστατευτικό επιφανειακό φιλμ να επιδιορθωθεί (C και D). Αυτές οι διαδικασίες επαναλαμβάνονται, όταν ένα βήμα ολίσθησης πάλι διαρρηγνύει το προστατευτικό φιλμ και εκθέτει περισσότερο «γυμνή» επιφάνεια. [20] Αναφέρεται στην πορεία ότι η ανοδική διάλυση μπορεί να μειωθεί ή να ελεγχθεί από τεχνικές καθοδικής προστασίας.ο ρόλος της καθοδικής προστασίας έχει στόχο να μειώσει το ρυθμό ανάπτυξης της κόπωσης διάβρωσης προωθώντας την επαναπαθητικοποίηση, μειώνοντας το ρυθμό διάλυσης και διευκολύνοντας την επιδιόρθωση του φιλμ επί της κεφαλής της ρωγμής. [20] 28

29 Σε περίπτωση κόπωσης διάβρωσης των κραμάτων σε αέρια επιβλαβή περιβάλλοντα, όπου η ηλεκτροχημική αντίδραση, που απαιτείται για τη διάλυση στη κεφαλή της ρωγμής είναι ανέφικτη, είναι αρκετά δύσκολο να χρησιμοποιηθεί ο μηχανισμός της ανοδικής διάλυσης με σκοπό να δοθεί μία εξήγηση στην δημιουργία ρωγμής. Ακόμα σημαντικό μειονέκτημα είναι το γεγονός ότι η ανοδική διάλυση αποτυγχάνει να λάβει υπόψη της διάφορες φαινομενολογικές παρατηρήσεις και ειδικά τα θραυστογραφικά χαρακτηριστικά των χαλύβων, σε αντίθεση με τον υποβοηθούμενο από το υδρογόνο μηχανισμό ρωγμάτωσης. Ο τελευταίος έχει το πλεονέκτημα, ότι μπορεί να λάβει υπόψη τα θραυστογραφικά χαρακτηριστικά των χαλύβων, αλλά είναι δύσκολο να ποσοτικοποιήσει το φαινόμενο του υδρογόνου. Επιπρόσθετα, ένα άλλο ζήτημα είναι, ότι ο μηχανισμός διάλυσης δεν μπορεί να εξηγήσει την παρατηρούμενη συμπεριφορά του κατωφλιού (threshold) και την εξάρτηση των ρυθμών ανάπτυξης της ρωγμής σε χάλυβες από την παράμετρο της συχνότητας χωρίς να επικαλεστεί μια ισχυρά ανταγωνιστική διαδικασία. [20] Μηχανισμός μείωσης της επιφανειακής ενέργειας Αναφέρεται ότι ο μηχανισμός μείωσης της επιφανειακής ενέργειας είναι παρόμοιος με το μηχανισμό επιφανειακής απορρόφησης υδρογόνου. Ο λόγος για τον οποίο παρουσιάζεται αυτή η ομοιότητα είναι το γεγονός ότι και τα δύο είδη (εκτός από το υδρογόνο), που απορροφούνται ισχυρά στις επιφάνειες, χρησιμεύουν για τη μείωση της επιφανειακής ενέργειας, που απαιτείται για το σχηματισμό μιας ρωγμής. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να αυξάνουν τους ρυθμούς ανάπτυξης της ρωγμής κόπωσης διάβρωσης. Ωστόσο θα πρέπει να δοθεί έμφαση στο γεγονός ότι ο μηχανισμός μείωσης της ενέργειας είναι δύσκολο να επιλύσει τα προβλήματα, που σχετίζονται με την αποδοχή του μηχανισμού απορρόφησης υδρογόνου. [20] Παράγοντες που επιδρούν στην κόπωση διάβρωσης. Συνοπτικά αναφέρεται ότι οι παράγοντες που μπορούν να επιδράσουν αρνητικά κατά την κόπωση διάβρωσης, είναι: 1. Μηχανικές παράμετροι. Χαρακτηριστικά παραδείγματα είναι η συχνότητα και ο λόγος φορτίου κόπωσης, η κυματομορφή του φορτίου κόπωσης, ο μέγιστος συντελεστής έντασης τάσης Kmax, το εύρος του συντελεστή έντασης τάσης ΔΚ, οι αλληλεπιδράσεις του φορτίου σε μεταβλητό πλάτος φόρτισης και οι υπολειπόμενες τάσεις. 2. Γεωμετρικές παράμετροι. Τέτοιες μπορεί να είναι η γεωμετρία της ρωγμής, οι διαστάσεις δοκιμίου ή εξαρτήματος. 3. Μεταλλουργικά μεγέθη. Παράδειγμα αποτελούν η σύσταση του κράματος το οποίο συνθέτει το εξάρτημα, η μικροδομή και τα σύνορα των κόκκων, η κατανομή διαφόρων μεταλλικών στοιχείων στο κράμα, καθώς και η ύπαρξη εγκλεισμάτων. 4. Περιβαλλοντικοί παράγοντες. Τέτοιοι είναι ο τύπος του διαβρωτικού μέσου στο οποίο γίνεται η λειτουργία, η θερμοκρασία του περιβάλλοντος, το ph του περιβάλλοντος και άλλα. 29

30 Στην πορεία γίνεται λόγος για τις παραπάνω μεταβλητές. 1. Μηχανικές παράμετροι Όσον αφορά τη συχνότητα φόρτισης, πρόκειται για μια σημαντική παράμετρο στην κόπωση διάβρωσης. Αυτό συμβαίνει διότι ο αριθμός των κύκλων για αστοχία σ αυτή την περίπτωση εξαρτάται από τη συχνότητα φόρτισης. Είναι δυνατό μάλιστα ανάλογα με την τιμή της συχνότητας να εξαλειφθεί ή να μειωθεί δραστικά το όριο κόπωσης. Γενικότερα μπορεί να ειπωθεί ότι μεγαλύτερους ρυθμούς ανάπτυξης της ρωγμής παρατηρούνται σε περιπτώσεις χαμηλών συχνοτήτων. [2] Στην εικόνα 24, φαίνεται διαγραμματικά η σχέση μεταξύ του ρυθμού ανάπτυξης ρωγμής και της συχνότητας κυκλικής φόρτισης. Εικόνα 24. Απόκριση του ρυθμού ανάπτυξης ρωγμής στις αλλαγές της συχνότητας κυκλικής φόρτισης σε περιβάλλον υδρατμών για χάλυβα AISI [20] Μετά από τη θραυστομηχανική εξέταση των επιφανειών, μπορεί να προκύψει το συμπέρασμα ότι σε χαμηλές συχνότητες το περιβάλλον παίζει το μεγαλύτερο ρόλο και το μονοπάτι στο οποίο επέρχεται θραύση είναι κυρίως περικρυσταλλικό. Από την άλλη σε υψηλότερες συχνότητες το μονοπάτι είναι κυρίως ενδοκρυσταλλικό. Η εικόνα που παρουσιάστηκε παραπάνω (εικόνα 24), αφορά την απόκριση του ρυθμού ανάπτυξης ρωγμής στις αλλαγές της συχνότητας κυκλικής φόρτισης σε περιβάλλον υδρατμών για χάλυβα AISI Παρατηρείται μια ζώνη μετάβασης μεταξύ των συχνοτήτων, η οποία εξαρτάται από το μέγεθος αλλαγής της συχνότητας και το μήκος της ρωγμής (ή το ΔK), για φορτίο κόπωσης σταθερού πλάτους. [20] Μεγάλης σημασίας είναι και ο λόγος τάσεων, δηλαδή ο λόγος της ελάχιστης προς την μέγιστη τιμή τάσης. Σχετικά με την επίδραση του λόγου τάσεων, R, στους ρυθμούς ανάπτυξης ρωγμής, αυτή εξαρτάται από το σύστημα κράμα-περιβάλλον. Ακόμα, υψηλότεροι λόγοι τάσεων οδηγούν σε υψηλότερους ρυθμούς ανάπτυξης ρωγμής για παρόμοια επίπεδα έντασης τάσης. Επίσης υψηλότεροι λόγοι τάσεων αφορούν χαμηλότερα κατώφλια-όρια ανάπτυξης ρωγμής για τον ίδιο ρυθμό. [3] 30

31 Όσον αναφορά το ρόλο της κυματομορφής, αυτή έχει κάποια επίδραση, λαμβάνοντας υπόψη ότι το περιβάλλον επιδρά μόνο στη φάση αύξησης της τάσης εφελκυσμού. Η κυματομορφή της κυκλικής φόρτισης ασκεί μικρή επιρροή στους ρυθμούς ανάπτυξης της ρωγμής κόπωσης σε αδρανή περιβάλλοντα, ενώ σε επιθετικά περιβάλλοντα οι αντίστοιχοι ρυθμοί μπορεί να είναι υψηλότεροι και να εξαρτώνται από το σχήμα της κυματομορφής.[20] 2. Γεωμετρικές παράμετροι Αναφορικά με τους γεωμετρικούς παράγοντες, που επηρεάζουν την κόπωση διάβρωσης, σημαντικά θεωρούνται τα στοιχεία που σχετίζονται με τη γεωμετρία του δοκιμίου (και κυρίως το πάχος αυτού) και της ρωγμής. Σημαντικό βέβαια ακόμα είναι το μέγεθος της ρωγμής. [20] Σύμφωνα με κάποιες έρευνες ο ρυθμός ανάπτυξης αυξάνει πολύ με την αύξηση του πάχους, ωστόσο η επίδραση αυτού του παράγοντα ποικίλλει. 3. Μεταλλουργικά μεγέθη Οι μεταλλουργικοί παράγοντες σχετίζονται άμεσα με τις μηχανικές ιδιότητες του υλικού όπως η αντοχή, η σκληρότητα, και άλλες. Ακόμα οι μεταλλουργικοί παράγοντες έχουν να κάνουν με το σχήμα των κόκκων και το μέγεθος τους, τη σύνθεση του κράματος, τη μικροδομή και την κρυσταλλική δομή, τη θερμική κατεργασία, τη δομή των ορίων των κόκκων, την υφή, την κατανομή των κραματικών στοιχείων και των προσμίξεων και τον τρόπο παραμόρφωσης. [20] Μερικά παραδείγματα διατυπώνονται στην συνέχεια. Η αντοχή σε κόπωση για διάφορους χάλυβες αυξάνεται ανάλογα με το όριο αντοχής σε εφελκυσμό στον ξηρό αέρα, ενώ στο νερό βρύσης είναι σχεδόν ανεξάρτητο του ορίου αντοχής σε εφελκυσμό. Επιπρόσθετα το θαλασσινό νερό δίνει λίγο μικρότερο εύρος αντοχής σε κόπωση, απ ότι το νερό της βρύσης.[2] Όσο αφορά την επίδραση του μεγέθους των κόκκων, εξαρτάται από τον τρόπο θραύσης του κράματος στο συγκεκριμένο περιβάλλον. Σε αδρανή περιβάλλοντα, όπως το κενό, η ρωγμή κόπωσης προωθείται κατά μήκος των ενδοκρυσταλλικών ζωνών ολίσθησης και οι ρυθμοί ανάπτυξης της ρωγμής συνήθως μειώνονται με την αύξηση του μεγέθους των κόκκων. Σε επιθετικά περιβάλλοντα (δηλαδή σε κόπωση διάβρωσης) η επίδραση του μεγέθους των κόκκων μπορεί να υφίσταται ή να είναι μειωμένη σε μεγάλο βαθμό. [20] 4. Περιβαλλοντικοί παράγοντες. Όπως αναφέρθηκε και νωρίτερα, η κόπωση διάβρωσης επηρεάζεται επίσης από περιβαλλοντικές μεταβλητές, όπως: ο τύπος περιβάλλοντος (αέριο ή υγρό), η θερμοκρασία, το ph, η μερική πίεση των επιβλαβών ειδών σε αέρια περιβάλλοντα, η συγκέντρωση των επιβλαβών ειδών σε υδατικά ή σε άλλα υγρά περιβάλλοντα, το ηλεκτροχημικό δυναμικό και το ιξώδες του περιβάλλοντος. [3] Είναι πολύ σημαντικό ότι ο αριθμός των κύκλων ζωής ενός υλικού υπό κόπωση, έως ότου επέλθει η αστοχία αυτού, γίνεται μικρότερος μέσα σ ένα διαβρωτικό περιβάλλον, εν σχέση με τον χρόνο ζωής που θα είχε εάν υποστεί κόπωση ελεύθερο στην ατμόσφαιρα. [2] Σημαντικός περιβαλλοντικός παράγοντας είναι και η θερμοκρασία. Όσον αναφορά λοιπόν τη θερμοκρασία, η μέτρια διακύμανσή της έχει μικρή επίδραση στον αριθμό των κύκλων για θραύση κατά την κόπωση, είναι όμως σημαντική στην κόπωση διάβρωσης. Ο λόγος για τον οποίο είναι σημαντική η επίδραση της διακύμανσης της θερμοκρασίας επί της κόπωσης διάβρωσης, είναι το γεγονός ότι επειδή μπορεί να επηρεάσει τις αντιδράσεις επιφάνειας μετάλλου-περιβάλλοντος, καθώς και πολλές διαδικασίες μεταφοράς, αναμένεται να επιδρά 31

32 στους ρυθμούς ανάπτυξης ρωγμής. Σε πολλά συστήματα περιβάλλοντος κράματος οι ρυθμοί ανάπτυξης ρωγμής αυξάνονται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Η διαδικασία ρωγμάτωσης στην κόπωση διάβρωσης ενεργοποιείται θερμικά. [20] Εξίσου σημαντικός περιβαλλοντικός παράγοντας είναι το ph. Αυτός έχει την ικανότητα να επιδρά στο μηχανισμό με διαφορετικό τρόπο για τα διάφορα υλικά. Στην περίπτωση που το υλικό είναι από χάλυβα, οι συνθήκες παθητικοποίησης για το χάλυβα είναι καλύτερες σε αλκαλικό περιβάλλον και παρατηρείται γρηγορότερη έναρξη κόπωσης και θραύση σε ph = 10 απ ότι σε ph = 7. Παρόλα αυτά αυτό δεν αποτελεί ένα γενικό συμπέρασμα. Όταν το ph γίνει αρκετά υψηλό, η διάβρωση εμποδίζεται αποτελεσματικά κι έτσι αποφεύγεται η κόπωση διάβρωσης. Ο λόγος που συμβαίνει αυτό είναι η δημιουργία ενός σταθερού παθητικού φιλμ οξειδίων στην επιφάνεια του μετάλλου που μπορεί να εμποδίσει τη διάβρωση στην έναρξη της κόπωσης. [2] Εικόνα 25. Σχέση μεταξύ του ph και του μήκους της ρωγμής[23] Παρατηρώντας το παραπάνω διάγραμμα της εικόνας 25, το οποίο παρουσιάζει αποτελέσματα από πειράματα στα οποία χρησιμοποιήθηκαν ο 304 και 316L χάλυβας, μπορεί να επιβεβαιωθεί ότι όσο υψηλότερη είναι η τιμή της αλκαλικότητας του διαλύματος, ή διαφορετικά όσο περισσότερο απέχει από την ουδέτερη τιμή 7, τόσο μεγαλύτερο είναι το μήκος της ρωγμής.[23] Σπουδαίο ρόλο παίζει και ο χρόνος κατά τον οποίο παραμένει το δοκίμιο εμβυθισμένο στο διαβρωτικό μέσο ενώ παράλληλα υφίσταται κόπωση. Στην συνέχεια παρουσιάζεται στην εικόνα 26 ένα διάγραμμα το οποίο πάλι αφορά τους χάλυβες για τους οποίους έγινε λόγος παραπάνω. Μελετάται η σχέση μεταξύ του μήκους της ρωγμής χρόνου εμβύθισης.[23] 32

33 Εικόνα 26. Σχέση μεταξύ χρόνου εμβύθισης και μήκους ρωγμής.[23] Το διάγραμμα της εικόνας 26, προέκυψε από μετρήσεις οι οποίες έγιναν σε περιβάλλον μέγιστης αλκαλικότητας. Κατά τη διάρκεια της πειραματικής διαδικασίας μεταβάλλονταν ο χρόνος εμβύθισης του δοκιμίου μέσα στο διάλυμα. Τελικά φάνηκε ότι όσο περισσότερο χρόνο παραμένει τόσο αυξάνεται το μήκος της ρωγμής. Ακόμα παρατηρώντας το διάγραμμα, είναι εμφανές ότι υπάρχουν τρεις περιοχές Α,Β,C. Η περιοχή Α περιλαμβάνει το τμήμα στο οποίο η εξέλιξη της ρωγμής γίνεται με αργούς ρυθμούς. Στην πρώτη περιοχή ουσιαστικά ο χρόνος καταναλώνεται στην έναρξη της ρωγμής, ή αλλιώς στη δημιουργία της ρωγμάτωσης. Αναφέρεται ότι η έναρξη της ρωγμής σχετίζεται άμεσα με τη ρήξη που επέρχεται στο λεπτό επιφανειακό στρώμα οξειδίων. Όσον αναφορά την περιοχή Β, αυτή περιγράφει μία σχετικά πιο ελεύθερη διάδοση της ρωγμής. Στην παρούσα περιοχή το επιφανειακό φιλμ δημιουργείται ξανά και αρχίζει να μεγαλώνει με αυξημένη εσωτερική τάση. Λαμβάνοντας τα παραπάνω υπόψη, σε συνδυασμό με το γεγονός ότι το δοκίμιο υφίσταται κόπωση, το φιλμ μπορεί να οδηγηθεί σε ψαθυρή θραύση. Κατ αυτόν τον τρόπο επέρχεται η περιοδική αύξηση του μήκους της ρωγμής. Τέλος η Τρίτη περιοχή, C, είναι η περιοχή στην οποία παρατηρείται μία ανακούφιση εσωτερικών τάσεων. Ουσιαστικά είναι η περιοχή στην οποία η ρωγμή και η διάδοση αυτής χαρακτηρίζεται από μία σχετική σταθερότητα. Αναμφίβολα βέβαια η περιοχή C αποτελεί μία συνέχεια της Β, πράγμα που σημαίνει ότι η διάδοση της ρωγμής λαμβάνει χώρα με ένα πιο σταθερό ρυθμό, έως ότου επέλθει η τελική θραύση.[23] Ακόμα, παρουσιάζονται τα παρακάτω διαγράμματα των εικόνων 27 και 28, στα οποία μπορεί να φανεί η σχέση μεταξύ του βάθους της ρωγμής και της μέσης τάσης, καθώς και του ρυθμού διάδοσης της τάσης. 33

34 Εικόνα 27. Βάθος ρωγμής συναρτήσει της μέσης τάσης.[23] Εικόνα 28. Βάθος ρωγμής συναρτήσει του ρυθμού διάδοσης της ρωγμής.[23] Μελετώντας το διάγραμμα στην εικόνα 27, παρατηρούνται και πάλι οι τρεις περιοχές οι οποίες σχολιάσθηκαν και παραπάνω. Από αυτές μεγαλύτερης σημασίας είναι οι Β και C. Ο λόγος για τον οποίο η πρώτη δεν έχει πολύ ενδιαφέρον είναι το γεγονός ότι αφορά κυρίως την έναρξη της ρωγμής και όχι την διάδοση αυτής. Στην πορεία, παρατηρώντας το δεύτερο διάγραμμα της εικόνας 28, για τη διάδοση δύο διαφορετικών ρωγμών, εξάγεται το συμπέρασμα ότι ο ρυθμός διάδοσης της ρωγμής γίνεται μέγιστος στην Β περιοχή.[23] 2.5 Επιφανειακές επικαλύψεις και κόπωση διάβρωσης σε δοκίμια. Στην συνέχεια, θα γίνει μία προσπάθεια να γίνει λόγος για δοκίμια τα οποία πρόκειται να δοκιμαστούν σε κόπωση διάβρωσης, αλλά παράλληλα έχουν επικαλυφθεί επιφανειακά. Βέβαια σε αυτό θα βοηθήσει αρκετά και η θραυστομηχανική μελέτη της επιφάνειας θραύσης. Αρχικά, είναι γνωστό ότι η επιφανειακή επικάλυψη κάποιου δοκιμίου, μπορεί να το βοηθήσει και να συμβάλλει στην αύξηση της αντοχής σε κόπωση. Ακόμα, υπάρχουν συγκεκριμένες επιφανειακές επικαλύψεις, οι οποίες ουσιαστικά προστατεύουν το μεταλλικό υπόστρωμα από το διαβρωτικό μέσο εντός του οποίου γίνεται η διεξαγωγή της πειραματικής διαδικασίας. Έτσι προκαλούν αύξηση της αντοχής σε διάβρωση. Η θραυστομηχανική μελέτη και η παρατήρηση της επιφάνειας θραύσης του δοκιμίου, μπορεί να δώσει αρκετές πληροφορίες για το μηχανισμό ο οποίος οδήγησε στην θραύση του δοκιμίου. Ως αποτέλεσμα την μελέτης της επιφάνειας θραύσης, μπορεί να διαπιστωθεί αν η αστοχία οφείλεται σε μόνο μία ρωγμή, η οποία κατάφερε να επικρατήσει και να προκαλέσει την αστοχία, ή αν ήταν αποτέλεσμα κοινής δράσης περισσότερων από μία ρωγμών.[24] Όσον αναφορά τη δημιουργία των ρωγμών, είναι γνωστό ότι αυτές μπορούν να δημιουργηθούν και να διαδοθούν από την επικάλυψη στο υπόστρωμα, ή να δημιουργηθούν στις αιχμηρές εγκοπές που εντοπίζονται στην διεπιφάνεια και οφείλουν την ύπαρξη τους στην πλαστική παραμόρφωση που υφίσταται το μεταλλικό υπόστρωμα κατά τη διαδικασία της επικάλυψης και την διαχυτική κίνηση των σωματιδίων αυτής, προς το εσωτερικό του υποστρώματος. [24] Κατά την διαδικασία της επικάλυψης, αναφέρθηκε ότι προκαλούνται πλαστικές παραμορφώσεις επί του μεταλλικού υποστρώματος στη θέση της διεπιφάνειας. Λεπτομερέστερα, θα πρέπει να λεχθεί ότι αφότου το δοκίμιο έχει υποστεί επικάλυψη, η 34

35 διεπιφάνεια αποκτά ένα, ανώμαλο προφίλ. Αυτό, όπως σχολιάσθηκε και πρωτύτερα οφείλεται στο γεγονός ότι κατά τη θέρμανση του δοκιμίου υφίσταται διάχυση των σωματιδίων της επικάλυψης. Στην προσπάθεια τους λοιπόν να εισαχθούν μέσα στο μεταλλικό υπόστρωμα, και να δημιουργηθεί το επίστρωμα, προκαλούν πλαστική παραμόρφωση στο υπόστρωμα επί της διεπιφάνειας, με αποτέλεσμα να κάνει την εμφάνιση του το ανώμαλο προφίλ. Αυτό με τη σειρά του μπορεί να δημιουργήσει περεταίρω προβλήματα στο επικαλυμμένο δοκίμιο κατά την δοκιμή κόπωσης διάβρωσης. Το ανώμαλο προφίλ εισάγει αιχμηρές εγκοπές οι οποίες αυξάνουν τον κίνδυνο απότομης συγκέντρωσης τάσεων που μπορεί να οδηγήσει στην έναρξη ρωγμής. Βέβαια πέρα από όλα αυτά, η δημιουργούμενη πλαστική παραμόρφωση κατά την διαδικασία της επικάλυψης, θα μπορούσε να οδηγήσει στην εμφάνιση εναπομενουσών εσωτερικών τάσεων, που μπορεί να σταθεί εμπόδιο στην δημιουργία ή διάδοση της ρωγμής. Τελικά προκύπτει το συμπέρασμα ότι θα πρέπει να ληφθούν τα κατάλληλα μέτρα ώστε ο διαχυτικό μηχανισμός να οδηγήσει σε ένα όσο το δυνατόν πιο ομαλό προφίλ διεπιφάνειας, μειώνοντας έτσι τον κίνδυνο αστοχίας του επικαλυμμένου δοκιμίου.[24] Σχολιάζεται η επιφανειακή τραχύτητα του δοκιμίου, και πως αυτή μεταβάλλεται πριν και μετά την επικάλυψη. Σχετικά λοιπόν με αυτό, πειράματα έδειξαν ότι η τραχύτητα αυξάνεται κατά την επικάλυψη του δοκιμίου. Αυτό όμως δεν είναι επιθυμητό διότι κατά την δοκιμασία κόπωσης διάβρωσης το δοκίμιο κινδυνεύει να αστοχήσει. Αυτό συμβαίνει διότι όσο μεγαλύτερη είναι η επιφανειακή τραχύτητα, τόσο περισσότερες είναι οι επιφανειακές ατέλειες και οι αιχμηρές εγκοπές που μπορούν να οδηγήσουν στην συγκέντρωση τάσεως. Για να μειωθεί λοιπόν ο κίνδυνος αστοχίας από ρωγμή, που οφείλει την εμφάνιση της στα παραπάνω, κρίνεται απαραίτητο το δοκίμιο να υποστεί μηχανική λείανση. Έτσι η τραχύτητα μπορεί και πάλι να πλησιάσει την χαμηλή τιμή που είχε πριν την επικάλυψη.[24] Με σκοπό να γίνουν πιο κατανοητά αυτά που αναφέρθηκαν παραπάνω, παρουσιάζονται κάποια κυλινδρικά δοκίμια στα οποία μελετήθηκε η επιφάνεια θραύσης. Εικόνα 29. α. Επιφάνεια θραύσης μη επικαλυμμένου δοκιμίου που δοκιμάστηκε στον αέρα σε μέγιστη εναλλασσόμενη τάση 270 MPa και αστόχησε σε κύκλους. b. Επιφάνεια θραύσης επικαλυμμένου δοκιμίου, που δοκιμάστηκε στον αέρα σε μέγιστη τάση 270MPa και αστόχησε σε κύκλους.[24] 35

36 Όσον αναφορά την εικόνα 29, αναφέρεται ότι και τα δύο δοκίμια δοκιμάστηκαν σε αέρα με ίδια εναλλασσόμενη μέγιστη τάση, 270ΜPa. Από αυτά, το πρώτο είναι μη επικαλυμμένο ενώ το δεύτερο έχει υποστεί επικάλυψη. [24] Είναι εύκολο να παρατηρήσει κάποιος ότι το μη επικαλυμμένο άντεξε περισσότερους κύκλους από το επικαλυμμένο δοκίμιο. Ο λόγος που πιθανότατα έγινε αυτό είναι ότι λόγο την διαδικασίας της επικάλυψης και της πλαστικής παραμόρφωσης που εισάγεται στη διεπιφάνεια, αυξάνεται ο κίνδυνος θραύσης του δοκιμίου b, κάτι το οποίο περιγράφθηκε εκτενώς και νωρίτερα. Μελετώντας την επιφάνεια θραύσης του ακάλυπτου δοκιμίου, προκύπτει επίσης το συμπέρασμα ότι η αστοχία οφείλονταν σε μία επικρατούσα ρωγμή, η οποία ξεκίνησε να διαδίδεται από την περιοχή Α, δίπλα στην περιφέρεια, που είναι σεσημασμένη στην εικόνα. Τελικά, αυτή διαδόθηκε έως την αντιδιαμετρική περιοχή. Ακριβώς επειδή η τελική αστοχία οφείλεται σε μία μόνο ρωγμή και όχι σε κοινή δράση πολλών ρωγμών, δεν παρατηρείται η δημιουργία πολλών επιπέδων επί της επιφάνειας θραύσης. Τέλος, τονίζεται ότι στην αντιδιαμετρική περιοχή συμβαίνει ψαθυρή θραύση του δοκιμίου (DFZ) και αυτό γίνεται αντιληπτό από το γεγονός ότι στην περιοχή αυτή η τραχύτητα είναι αρκετά μεγαλύτερη από την απέναντι, στην οποία η ρωγμή εμφανίστηκε και άρχισε να διαδίδεται.[24] Μελετώντας στην συνέχεια το επικαλυμμένο δοκίμιο-b, μπορούν να προκύψουν περισσότερο ολοκληρωμένα συμπεράσματα σχετικά με τον μηχανισμό που ευθύνεται για την αστοχία του δοκιμίου το οποίο υφίσταται κόπωση διάβρωσης. Όπως φάνηκε και πρωτύτερα, το δοκίμιο που ήταν επικαλυμμένο, αστόχησε πιο γρήγορα από το μη επικαλυμμένο δοκίμιο. Μετά από προσεκτική παρατήρηση της επιφάνειας θραύσης στην εικόνα 29, στο τμήμα b, μπορεί να εξαχθεί το συμπέρασμα ότι η τελική αστοχία προήλθε από την ταυτόχρονη δράση και διάδοση πολλών ρωγμών. Η κοινή δράση των ρωγμών μπορεί να διαπιστωθεί από τα διαφορετικά επίπεδα τα οποία είναι ορατά στην φωτογραφία, στο τμήμα b, στην επιφάνεια θραύσης. Τα επίπεδα αυτά οφείλουν την εμφάνιση τους στη διαφορετική διεύθυνση διάδοσης των ποικίλων ρωγμών που δρουν ταυτόχρονα. Ακόμα, σε αντίθεση με την περίπτωση μίας επικρατούσας ρωγμής, η κοινή δράση πολλών ρωγμών ταυτόχρονα, μπορεί να επιβεβαιωθεί και από το γεγονός ότι η περιοχή στην οποία δημιουργείται η ψαθυρή θραύση (DFZ), είναι στο κέντρο του κυλινδρικού δοκιμίου. Παράλληλα αναφέρεται ότι η ψαθυρή αστοχία χαρακτηρίζεται από αυξημένη τραχύτητα, εν σχέση με αυτή των γειτονικών περιοχών. Πέρα από αυτά που αναφέρθηκαν έως εδώ, με μία λεπτομερέστερη παρατήρηση της επιφάνειας θραύσης του δοκιμίου, είναι εύκολο να παρατηρηθεί η εμφάνιση και κάποιων δευτερευουσών ρωγμών, οι οποίες ουσιαστικά έχουν την ικανότητα να επηρεάσουν και να αλλάξουν τη διεύθυνση διάδοσης των βασικών ρωγμών. Όλα αυτά που σχολιάσθηκαν μπορούν να φανούν και στην εικόνα 30, που ουσιαστικά αποτελεί τμήμα της παραπάνω, και μάλιστα του b τμήματος σε μεγέθυνση. [24] 36

37 Εικόνα 30. Μεγέθυνση το τμήματος b της προηγούμενης εικόνας στην οποία είναι ορατές οι κύριες και οι δευτερεύουσες ρωγμές, καθώς επίσης και η διεύθυνση διάδοσης αυτών προς το κέντρο του δοκιμίου. [24] Με σκοπό να γίνει κατανοητή η επίδραση του διαβρωτικού περιβάλλοντος επί της κόπωσης επικαλυμμένων και μη δοκιμίων, γίνεται αναφορά σε δύο επιπλέον δοκίμια. Από αυτά το ένα είχε υποστεί επικάλυψη ενώ το άλλο όχι. Παράλληλα και τα δύο δοκίμια δοκιμάστηκαν μέσα σε αλατόνερο σύστασης 3,5%κ.β και με φόρτιση ίση με 270 ΜPa. [24] Τα αποτελέσματα μετά τη δοκιμή κόπωσης μέσα σε αλατόνερο, έδειξαν ότι το ακάλυπτο δοκίμιο σπάει σε κύκλους φόρτισης, ενώ το επικαλυμμένο έσπασε μετά το πέρας κύκλων. Με άλλα λόγια το μη επικαλυμμένο δοκίμιο αστόχησε νωρίτερα, πράγμα που οδηγεί στο συμπέρασμα ότι η επικάλυψη λειτούργησε θετικά προστατεύοντας το υπόστρωμα από την διάβρωση. [24] Εικόνα 31. α. Επιφάνεια θραύσης μη επικαλυμμένου δοκιμίου που δοκιμάστηκε σε NaCl 3,5%κ.β με εναλλασσόμενη τάση 270 MPa και αστόχησε σε κύκλους. b. Επιφάνεια θραύσης επικαλυμμένου δοκιμίου, που δοκιμάστηκε σε NaCl 3,5%κ.β με τάση 270MPa και αστόχησε σε κύκλους. [24] 37

38 Παρατηρώντας την επιφάνεια θραύσης στο δοκίμιο της εικόνα 31, τα συμπεράσματα που προέκυψαν ήταν ακριβώς ίδια με αυτά στην περίπτωση που τα δοκίμια δοκιμάστηκαν σε κόπωση στον αέρα. [24] Έτσι για το μη επικσυμμένο δοκίμιο, η αστοχία προήλθε από μία επικρατούσα ρωγμή που έκανε την εμφάνιση της στη θέση Α του σχήματος α της προηγούμενης εικόνας. Στην συνέχεια, αυτή διαδόθηκε με διεύθυνση προς το κέντρο του δοκιμίου, έως ότου έγινε ψαθυρή θραύση αντιδιαμετρικά της περιοχής Α. Και πάλι αναφέρεται ότι στην περιοχή που γίνεται η ψαθυρή θραύση, η τραχύτητα είναι μεγαλύτερη από αυτή στο υπόλοιπο τμήμα της επιφάνειας θραύσης. [24] Από την άλλη, όσον αναφορά το επικαλυμμένο δοκίμιο, αναφέρεται ότι στην περιφέρεια της επιφάνειας θραύσης αρχίζουν να εμφανίζονται διάφορες ρωγμές. Αυτές διαδίδονται προς το κέντρο του δοκιμίου και η ψαθυρή θραύση γίνεται ακριβώς στο κέντρο του δοκιμίου με αποτέλεσμα την αύξηση τοπικά της τραχύτητας. Τέλος είναι και πάλι έντονα τα διαφορετικά επίπεδα που δημιουργούνται λόγω της κοινής δράσης αρκετών ρωγμών, ενώ ακόμα κάνουν την εμφάνιση τους δευτερεύουσες ρωγμές που με τη σειρά τους συμβάλουν στην αλλαγή της διεύθυνσης διάδοσης των ρωγμών. [24] Έως το σημείο αυτό, παρακολουθήθηκαν οι μηχανισμοί που μπορούν να οδηγήσουν σε τελική αστοχία του δοκιμίου, και πως αυτοί μεταβάλλονται ανάλογα με την επικάλυψη που έχει υποστεί το δοκίμιο καθώς και με το διαβρωτικό περιβάλλον μέσα στο οποίο γίνεται η κόπωση διάβρωσης. Το ενδιαφέρον στο σημείο αυτό είναι να παρατηρήσει κανείς πως επηρεάζεται η κόπωση διάβρωσης και ο μηχανισμός που προκαλεί την τελική αστοχία, σε περίπτωση που μεταβάλλεται το φορτίο. [24] Επιλέγεται λοιπόν ως διαβρωτικό μέσο το αλατόνερο. Κόπωση διάβρωσης θα υποστούν τόσο το επικαλυμμένο όσο και το μη επικαλυμμένο δοκίμιο. Έτσι, τελικά παρατηρείται ότι και στα δύο δοκίμια, η αστοχία οφείλεται σε μία κυρίαρχη ρωγμή, που και στις δύο περιπτώσεις αυτή κάνει την εμφάνιση της περιφερειακά και διαδίδεται προς το κέντρο του δοκιμίου, έως ότου σταματήσει να διαδίδεται αντιδιαμετρικά του σημείου ρωγμάτωσης. Επιπρόσθετα παρατηρήθηκε ότι το επικαλυμμένο έσπασε λίγο νωρίτερα από το ακάλυπτο. [24] Με σκοπό να γίνουν απόλυτα κατανοητές και οι δύο περιπτώσεις μηχανισμών που οδηγούν σε τελική αστοχία, παρουσιάζονται στη συνέχεια φωτογραφίες από διαφορετικά δοκίμια και συγκρίνονται μεταξύ τους. 38

39 Εικόνα 33. Επιφάνεια θραύσης δοκιμίου λόγω κοινής δράσης ρωγμών[26] Εικόνα 32. a. Προβολή 3D της επιφάνειας θραύσης. b. επιφάνεια θραύσης με τη χρήση SEM. c.τοπογραφία της επιφάνειας θραύσης[25] Παρακολουθώντας την εικόνα 32, προκύπτει το συμπέρασμα ότι η επιφάνεια θραύσης του πρώτου δοκιμίου αποτελείται από μία σχετικά λεία περιοχή και μία ακόμη, μεγαλύτερης έκτασης, τραχιά επιφάνεια. Η λεία κάνει την εμφάνιση της στο ακριανό μέρος του δοκιμίου που είναι κυκλωμένο και είναι η περιοχή αργής διάδοσης της ρωγμής. Η υπόλοιπη περιοχή της επιφάνειας θραύσης, περιγράφει την απότομη θραύση που υφίσταται το δοκίμιο.[21,25] Το τελικό συμπέρασμα για το δοκίμιο της εικόνας 32 είναι ότι η θραύση βασίστηκε σε μία, την επικρατέστερη ρωγμή. Από την άλλη η εικόνα 33, παρουσιάζει το δοκίμιο στην επιφάνεια του οποίου εντοπίζονται πολλαπλά επίπεδα, αποτέλεσμα της κοινής δράσης ρωγμών. Πρέπει βέβαια να ληφθεί υπόψη, και στις δύο περιπτώσεις ότι ανεξάρτητα του πλήθους των ρωγμών που οδηγούν στην αστοχία, η ρωγμή και η διάδοση αυτής ακολουθεί τρία βήματα. Αρχικά γίνεται λόγος για την δημιουργία της ρωγμής, στη συνέχεια για τη διάδοση αυτής και τέλος για την αστοχία του δοκιμίου.[21] 39

40 3. Σκοπός της εργασίας Ο σκοπός της παρούσας εργασίας, ήταν κυρίως η διερεύνηση της κόπωσης-διάβρωσης σε δοκίμια μεταλλικού υποστρώματος χάλυβα. Για την ακρίβεια χρησιμοποιήθηκαν δοκίμια τύπου C από 51CrV, τα οποία δοκιμάστηκαν μέσα σε διαβρωτικό μέσο χλωριούχου νατρίου. Μεγάλο ενδιαφέρον κατά την διεξαγωγή της πειραματικής διαδικασίας είχε η επικάλυψη των δοκιμίων. Επιλέχθηκε να γίνει επιφανειακή επικάλυψη αλουμινίωσης και βορίωσης. Βασικοί λόγοι για τους οποίου επιλέχθηκαν αρχικά οι συγκεκριμένες επικαλύψεις είναι οι εξής: Αρχικά το αλουμίνιο είναι γνωστό για την προστασία που μπορεί να προσφέρει στο μεταλλικό υπόστρωμα, όταν αυτό βρίσκεται μέσα σε διαβρωτικό μέσο. Από την άλλη η επιφανειακή επικάλυψη με τη χρήση βορίου, έχει τη δυνατότητα να αυξήσει την επιφανειακή σκληρότητα προκαλώντας με τον τρόπο αυτό αύξηση της αντοχής σε κόπωση του δοκιμίου. Τελικά, αφού τα δοκίμια χωρίστηκαν σε ομάδες ανάλογα με την τιμή φόρτισης κατά την κόπωση, δόθηκε η δυνατότητα να γίνει σύγκριση μεταξύ των δοκιμίων που είχαν υποστεί επικάλυψη αλουμινίωσης και αυτών που είχαν υποστεί βορίωση. Μάλιστα η πρώτη ομάδα δοκιμίων συγκρίθηκε με τα μη επικαλυμμένα δοκίμια, όσον αναφορά το χρόνο έως ότου επέλθει η αστοχία. Ακόμα ενδιαφέρον παρουσίασε η σχέση μεταξύ του χρόνου ζωής των δοκιμίων εν σχέση με τη δύναμη φόρτισης. 40

41 4. Εργαστηριακός εξοπλισμός 4.1 Ζυγός ακριβείας Κατά τη διεξαγωγή της πειραματικής διαδικασίας, έπρεπε να μετρηθούν οι ποσότητες των συστατικών των επικαλύψεων. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιήθηκε ζυγός ακριβείας τύπου Sartorius. Στην εικόνα 34 παρουσιάζεται μία τέτοια ζυγαριά τύπου Sartorius. Εικόνα 34. Ζυγός ακριβείας τύπου Sartorius[27] 4.2 Προετοιμασία δοκιμίων για οπτική μικροσκοπία Η κοπή των δοκιμίων πραγματοποιήθηκε με τον κοπτικό τροχό που διαθέτει το εργαστήριο. Στην εικόνα 35, φαίνεται ο συγκεκριμένος τροχός. Εικόνα 35. Κοπτικός τροχός του εργαστηρίου. Στην συνέχεια, χρησιμοποιήθηκε διάταξη εγκιβωτισμού σε βακελλίτη. 41

42 Εικόνα 36. Διάταξη για τη δημιουργία εγκιβωτισμού Εικόνα 37. Βακελίτης σε μορφής σκόνης Στην εικόνα 36 παρατηρείται η διάταξη που χρησιμοποιήθηκε με σκοπό να επιτευχθεί ο εγκιβωτισμός. Στην εικόνα 37, δεξιά, είναι ορατός ο βακελίτης σε μορφή σκόνης. Στην εικόνα 38 παρουσιάζεται ενδεικτικά ένα παρόμοιο δοκίμιο το οποίο έχει υποστεί εγκιβωτισμό. Εικόνα 38. Δοκίμιο το οποίο έχει υποστεί εγκιβωτισμό. Μετά την ολοκλήρωση των παραπάνω περιγραφέντων βημάτων, το δοκίμιο θα υποστεί λείανση και στίλβωση. Για τα σιδηρούχα υλικά χρησιμοποιούνται χαρτιά καρβιδίου του πυριτίου (SiC). Η στίλβωση γίνεται σε περιστρεφόμενους δίσκους (εικόνα 39) που είναι καλυμμένοι με κατάλληλα υφάσματα και όπου προστίθενται ειδικές ουσίες που περιέχουν διαμαντοσκόπηση ή σκληρά σωματίδια (Αl 2 Ο 3 ). Σε αρκετές περιπτώσεις βέβαια κατά το γυάλισμα του δοκιμίου χρησιμοποιείται υγρό διάλυμα λεπτής Αl 2 Ο 3.[12] 42

43 Εικόνα 39. Διάταξη στην οποία γίνεται η λείανση και η στίλβωση[12] Το δοκίμιο καθαρίζεται και πραγματοποιείται η χημική προσβολή ούτως ώστε να μπορεί να παρατηρηθεί με τη βοήθεια οπτικού μικροσκοπίου. 4.3 Σκληρόμετρο Για τη μέτρηση της σκληρότητας χρησιμοποιήθηκε το σκληρόμετρο Rockwell που διέθετε το εργαστήριο και μπορεί να φανεί στην εικόνα 40. Η διαδικασία της σκληρομέτρησης, συνίσταται από δύο στάδια. Αρχικά γίνεται λόγος για την εφαρμογή ενός αρχικού φορτίου F=10Kgr για κάποια δευτερόλεπτα και επιτυγχάνεται τοιουτοτρόπως ένα αρχικό βάθος. Μετά την αποκατάσταση της ηρεμίας στο σύστημα, συνάμα με το αρχικό φορτίο, ασκείται το τελικό φορτίο F 1. Αυτό με τη σειρά του, δημιουργεί μια περαιτέρω διείσδυση στο προς μελέτη υλικό. Αφού επέλθει πάλι ηρεμία στο σύστημα, αφαιρείται το τελικό φορτίο F 1 και παραμένει μόνο το αρχικό. Η τιμή της σκληρότητας υπολογίζεται από την διαφορά του τελικού βάθους διείσδυσης μείον το αρχικό. [28] Εικόνα 40. Χειροκίνητο σκληρόμετρο Rockwell.[29] 43

44 4.4 Οπτικό στερεοσκόπιο Με σκοπό την παρατήρηση της ρωγμής καθώς και την διάδοση αυτής επί των δοκιμίων τα οποία υπέστησαν κυκλική φόρτιση και μάλιστα σε διαβρωτικό μέσο, χρησιμοποιήθηκε οπτικό στερεοσκόπιο με κάμερα, το οποίο ήταν συνδεδεμένο με ηλεκτρονικό υπολογιστή. Έτσι υπήρχε η δυνατότητα παρατήρησης και λήψης φωτογραφιών από τα δοκίμια. Στην εικόνα 41 φαίνεται ένα τέτοιο στερεοσκόπιο της εταιρίας Leica-microsystems. Εικόνα 41. Οπτικό στερεοσκόπιο της εταιρίας Leica.[30] 4.5 Οπτικό μικροσκόπιο Ακόμα χρησιμοποιήθηκε οπτικό μικροσκόπιο, με τη βοήθεια του οποίου ήταν εφικτή η παρατήρηση και μελέτη των μικροδομών των βοηθητικών δοκιμίων τα οποία είχαν επίσης επικαλυφθεί μαζί με τα δοκίμια C. Ουσιαστικά, ήταν ανάγκη να παρατηρηθεί ο τρόπος με τον οποίο έχει πραγματοποιηθεί η διάχυση της επιφανειακής επικάλυψης στο υπόστρωμα των δοκιμίων με υλικό 51CrV. Η μέθοδος που χρησιμοποιείται για την παρατήρηση της μικροδομής, καλείται οπτική μικροσκοπία. Αυτή μπορεί να ακολουθείται από ταυτόχρονη διαδικασία θέρμανσης του προς μελέτη δοκιμίου ή και όχι. Τονίζουμε πως είναι μία παλιά και απλή μέθοδος, που επιτρέπει να αναγνωρίσουμε αμέσως τις φάσεις που σχηματίζονται στις διάφορες συστάσεις. Η μελέτη γίνεται είτε στη θερμοκρασία δωματίου, οπότε τα κράματα των υψηλών θερμοκρασιών υποβάλλονται σε γρήγορη ψύξη πριν τα εξετάσουμε και έτσι διατηρούν την κατάσταση της υψηλής θερμοκρασίας, είτε στο ίδιο το μεταλλογραφικό μικροσκόπιο προστίθεται ένα ειδικό εξάρτημα όπου μπορούμε να θερμαίνουμε το δείγμα και να κάνουμε ταυτόχρονη παρατήρηση. Τονίζεται βέβαια πως θα πρέπει να έχει προηγηθεί η προετοιμασία του δοκιμίου που απαιτείται ώστε να είναι εφικτή η παρατήρηση του με οπτική μικροσκοπία. Τέλος, απλά αναφέρουμε, πως προκειμένου η εμφάνιση της μικροδομής να γίνει πιο σαφής, χρησιμοποιούνται διάφορες τεχνικές απεικόνισης και φωτισμού.[1] 44

45 Στην φωτογραφία 42 παρατηρείται μία διάταξη οπτικού μικροσκοπίου της εταιρίας Leica, το οποίο σε συνεργασία με τον ηλεκτρονικό υπολογιστή δίνει τις επιθυμητές εικόνες της μικροδομής. Εικόνα 42. Οπτικό μικροσκόπιο της εταιρίας Leica.[31] 4.6 Φούρνοι Κατά τη διεξαγωγή της πειραματικής διαδικασίας χρησιμοποιήθηκε ο φούρνος του εργαστηρίου, με σκοπό να γίνει θερμική κατεργασία στα δοκίμια. Το εργαστήριο διαθέτει έναν φούρνο τύπου furnace Παρακάτω παρουσιάζεται η εικόνα 43 με τον φούρνο αυτό. Εικόνα 43. Εργαστηριακός φούρνος τύπου furnace [32] 45

46 Ο φούρνος αυτός, έχει τη δυνατότητα να ανεβάσει τη θερμοκρασία του χώρου, που ο ίδιος διαθέτει, μέσα σε πολύ μικρό χρονικό διάστημα, ενώ τελικά προκύπτει μία αρκετά μικρή έως και αμελητέα θερμοκρασιακή απόκλιση από την επιθυμητή. Η μέγιστη θερμοκρασία η οποία μπορεί να επιτευχθεί με τον συγκεκριμένο φούρνο, είναι περίπου 1200 o C. Τέλος όσον αναφορά τις διαστάσεις του, αναφέρεται ότι είναι 18x13x25cm το πλάτος, το βάθος και το ύψος αντίστοιχα.[33] 4.7 Φούρνος μέσου κενού Τα επικαλυμμένα δοκίμια, θα πρέπει μετά το ξηραντήριο να τοποθετηθούν μέσα σε φούρνο. Ο συγκεκριμένος φούρνος, είναι σωληνοειδούς τύπου με χαλαζία, στον οποίο με τη βοήθεια κατάλληλης συνδεσμολογίας, μπορεί να επιτευχθεί η εξασφάλιση μέσου κενού. Πιο συγκεκριμένα το μέσο κενό που εξασφαλίζεται με τη βοήθεια του σωλήνα τύπου χαλαζία, χαρακτηρίζεται από πίεση 10-3 torr. Στην εικόνα 44 φαίνεται η κατάλληλη συνδεσμολογία με τη βοήθεια της οποίας μπορεί να επιτευχθεί το επιθυμητό κενό. Εικόνα 44. Εργαστηριακή διάταξη και συνδεσμολογία φούρνου σωληνοειδούς τύπου. Στη θέση 1, είναι τοποθετημένη μία αντλία, με τη βοήθεια της οποίας απομακρύνεται όλος ο αέρας από τον σωλήνα 5 που είναι τοποθετημένος μέσα στο φούρνο 6. Στην απομάκρυνση λοιπόν του αέρα από το χώρο του εντός του σωλήνα, συμβάλει άμεσα και η βαλβίδα της θέσης 2. Πέρα από αυτό, η βαλβίδα της θέσης 2, θα πρέπει να τοποθετηθεί όσο το δυνατόν πιο αριστερά στη διάταξη της παραπάνω εικόνας, ώστε να είναι σε θέση να μετρήσει όλες τις απώλειες κενού κατά τη ροή μέσα στις σωληνώσεις. Παράλληλα στη θέση 3 είναι εγκατεστημένο ένα μανόμετρο με σκοπό την ένδειξη της πίεσης. Είναι πολύ σημαντικό να υπάρχει γνώση της πίεσης που επικρατεί μέσα στο σωλήνα, και αυτό διότι όσο μειώνεται η πίεση, τόσο μεγαλύτερο είναι το κενό που μπορεί να εξασφαλιστεί. Επιπρόσθετα, στην προσπάθεια μας να βελτιστοποιήσουμε το κενό που μπορεί να εξασφαλισθεί, θα πρέπει να απομακρυνθεί ο εναπομείναντας ατμοσφαιρικός αέρας από το εσωτερικό του χαλαζία. Αυτό θα γίνει με την παροχή αδρανούς αερίου αργού Ar, το οποίο είναι πιο βαρύ από τον αέρα και έτσι έχει την δυνατότητα να τον σπρώχνει οδηγώντας τον έξω από τη διάταξη. Βέβαια η προσθήκη αργού μέσα στον φούρνο, μπορεί να περιορίσει φαινόμενα οξείδωσης των μεταλλικών δοκιμίων τα οποία εμφανίζονται σε περιπτώσεις υψηλών θερμοκρασιών. Στη θέση λοιπόν 7, μπορούμε να παρατηρήσουμε τη φιάλη παροχής του αδρανούς αερίου, ενώ στις σωληνώσεις της θέσης 8, αναφέρεται ότι παρεμβάλλεται βαλβίδα και αντλία, τα οποία εξυπηρετούν την παροχή του αδρανούς αερίου στη διάταξη. 46

47 Στη θέση 6 εντοπίζεται ο φούρνος μέσα στον οποίο είναι τοποθετημένος ο σωλήνα τύπου χαλαζία με τον αριθμό 5. Όπως αναφέρθηκε και πριν ο χαλαζίας χρησιμοποιήθηκε για την βέλτιστη επίτευξη του κενού. Επίσης αναφέρεται ότι μέσα σε αυτόν τοποθετήθηκαν τα δοκίμια και αφέθηκαν 4 ώρες με σκοπό να επιτευχθεί η διάχυση. Τέλος στην συνδεσμολογία χρησιμοποιείται το εξάρτημα της θέσης 4, που είναι σταυρός και δίνει τη δυνατότητα σύνδεσης περεταίρω εξαρτημάτων στη διάταξη. 4.8 Πειραματική διάταξη για την κόπωση των δοκιμίων σε διαβρωτικό μέσο Η πειραματική διάταξη κόπωσης διάβρωσης, σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε στο εργαστήριο Μεταλλογνωσίας της πολυτεχνικής σχολής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Αυτή είναι κατασκευασμένη κυρίως από αλουμίνιο. Στην συνέχεια, εικονίζεται η πειραματική διάταξη η οποία χρησιμοποιήθηκε κατά τη διεξαγωγή της πειραματικής διαδικασίας. Εικόνα 45. Πειραματική διάταξη.[2] Λεπτομερέστερα, εικόνα 45, παρουσιάζεται συνολικά η πειραματική διάταξη, με την βοήθεια της οποίας πραγματοποιήθηκε η κόπωση-διάβρωση των δοκιμίων C-rings. Για να είναι εφικτή η κόπωση των δοκιμίων μέσα σε διαβρωτικό μέσο, υπάρχει δοχείο εντός του οποίου μπορεί να τοποθετηθεί το υγρό διαβρωτικό περιβάλλον. Πρόκειται για δοχείο Plexiglas το οποίο μπορεί να φανεί και παρακάτω (εικόνα 46). 47

48 Εικόνα 46. Δοχείο Plexiglas για την τοποθέτηση του διαβρωτικού μέσου[2] Συνολικά, η πειραματική διάταξη, συνίσταται από τρία τμήματα. Αρχικά γίνεται λόγος για τον ηλεκτρονικό υπολογιστή, στον οποίο με τη βοήθεια των κατάλληλων λογισμικών, αποθηκεύονται τα αποτελέσματα και με μορφή διαγραμμάτων μπορούν να εξαχθούν διάφορα συμπεράσματα. Τα λογισμικά που χρησιμοποιούνται κατά τη διεξαγωγή της πειραματικής διαδικασίας, είναι τα λογισμικά WMEMOC 3.3, Lab View Signal Express καθώς και μια διάταξη ηλεκτρονικών. Αριστερά του ηλεκτρονικού υπολογιστή, υπάρχει ένα κιβώτιο μέσα στο οποίο εντοπίζονται τα ηλεκτρονικά ελέγχου. Από την άλλη, δεξιά του υπολογιστή είναι τοποθετημένη η βασική μηχανή δοκιμών κόπωσης-κόπωσης διάβρωσης.[2] Εικόνα 47. Κιβώτιο ηλεκτρονικών ελέγχου. [2] 48

49 Στην εικόνα 47 φαίνονται τα βασικά τμήματα, τα οποία δομούν το σύστημα ηλεκτρονικών ελέγχου. Σχετικά με τα ηλεκτρονικά ελέγχου της πειραματικής διάταξης, αποτελούνται από το σύστημα τροφοδοσίας, από έναν ενισχυτή της εταιρείας HBM, μια εξωτερική κάρτα σήματος της National Instruments (USB 6009) και μια διάταξη ελέγχου του σερβοκινητήρα της Festo. [2] Η βασική μηχανή δοκιμών κόπωσης- κόπωσης διάβρωσης, φαίνεται παρακάτω: Εικόνα 48. Μηχανή κοπώσεως και κόπωσης-διάβρωσης. [2] Στην εικόνα 48 μπορεί κανείς να παρατηρήσει και τα επιμέρους τμήματα της πειραματικής μηχανής. Στο κάτω τμήμα λοιπόν αυτής εντοπίζεται ο ρυθμιστικός κοχλίας με την βοήθεια του οποίου ρυθμίζεται το ύψος του δοκιμίου και κατ επέκταση η δύναμη φόρτισης επί του δοκιμίου κατά τη διάρκεια της κυκλικής φόρτισης. Στην πορεία παρατηρείται η βάση Plexiglas μέσω της οποίας μεταφέρεται η δύναμη φόρτισης από τον ρυθμιστικό κοχλία στο δοκίμιο. Πάνω στη βάση αυτή είναι τοποθετημένος ο μεταλλικός δίσκος στον οποίο υπάρχει η έδραση με σκοπό την τοποθέτηση και στήριξη του δοκιμίου. Όσον αναφορά την έδραση, υπάρχει ένας κατακόρυφος άξονας, ο οποίος είναι κάθετος στο επίπεδο του δίσκου. Παρακάτω, στην εικόνα 49, μπορεί να φανεί ποιοτικά η μορφή που πρέπει να έχουν τα δοκίμια C-rings ούτως ώστε να μπορούν να τοποθετηθούν επάνω στην διάταξη. 49

50 Εικόνα 49. Δοκίμια τύπου C κατά G [1] Το δοκίμιο δηλαδή φέρει δύο αντιδιαμετρικές οπές μέσα από τις οποίες διέρχεται ο άξονας και το συγκρατεί. Βέβαια θα πρέπει να αναφερθεί ότι ο μεταλλικός δίσκος και το δοκίμιο, είναι τοποθετημένα μέσα στο δοχείο Plexiglas το οποίο είναι τοποθετημένο επάνω στην τράπεζα Plexiglas. Έτσι, δίνεται η δυνατότητα, μέσα στο δοχείο Plexiglas να τοποθετηθεί διαβρωτικό μέσο με σκοπό τη μελέτη της κόπωσης-διάβρωσης. Παράλληλα, κινούμενοι προς τα πάνω, συναντάμε το έμβολο το οποίο συμβάλει (σε συνδυασμό με τον ρυθμιστικό κοχλία) στην εξάσκηση δύναμης επί του δοκιμίου. Τέλος, πάνω και δεξιά, εντοπίζεται ο σερβοκινητήρας. Πρόκειται για σερβοκινητήρα της εταιρείας Festo με τα εξής χαρακτηριστικά: Mo = 0,98 Nm, Io = 2,15 A, nn = 6800 rpm, MN = 0,66 Nm, UN = 325 V, Imax = 6,4 A, Mbrake =0,9 Nm, Pbrake = 11 W, Ubrake = 24 V. Ακόμα ο σερβοκινητήρας διαθέτει άτρακτο, μέσω της οποίας μεταδίδεται ροπή σε έκκεντρο το οποίο κινεί το έμβολο που περιγράφηκε πριν. Το έμβολο ασκεί με τη σειρά του κρουστική φόρτιση στο δοκίμιο, πραγματοποιώντας τέσσερα χτυπήματα σε κάθε κύκλο. [2] 50

51 5. Περιγραφή της πειραματικής διαδικασίας Η διεξαγωγή της πειραματικής διαδικασίας έγινε στο Εργαστήριο Μεταλλογνωσίας του τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών, της Πολυτεχνικής σχολής του Α.Π.Θ. και πραγματεύεται δοκιμασίες κόπωσης και κόπωσης διάβρωσης. Με σκοπό να είναι κατανοητή η πορεία που ακολουθήθηκε κατά τη διάρκεια του πειραματικού τμήματος της εργασίας, κρίθηκε απαραίτητο να παρουσιαστεί διαγραμματικά κάθε βήμα. 8 δοκίμια τύπου C από 51CrV προς κόπωση διάβρωσης σε διαβρωτικό μέσο NaCl 3,5% κ.β 3 δοκίμια θα αλουμινιωθούν 3 δοκίμια θα βοριωθούν 2 δοκίμια θα παραμείνουν μη επικαλυμμένα Διαδικασία επικάλυψης- πρώτος θερμικός κύκλος Τα 6 δοκίμια που επικαλύπτονται και ανά 3 (αλουμινιωμένα και βοριωμένα) τοποθετούνται στο ξηραντήριο στους 400 ο C για 30min και στη συνέχεια σε φούρνο στους 800 με 850 ο C για 4 ώρες Δεύτερος θερμικός κύκλος, αποκατάστασης της επιθυμητής τιμής τελικής σκληρότητας των επικαλυμμένων δοκιμίων Ωστενιτοποίηση των 6 δοκιμίων στους 850 ο C Αναθέρμανση των 6 δοκιμίων στους 300 ο C 51

52 Κόπωση διάβρωσης Ομάδα δοκιμίων αναφοράς-μη επικαλυμμένα δοκίμια Επικαλυμμένα δοκίμια. Χωρίστηκαν σε τρεις ομάδες ανάλογα με την ένταση φόρτισης. Κάθε ομάδα περιλάμβανε 1 βοριωμένο και 1 αλουμινιωμένο δοκίμιο Το δοκίμιο 1 δοκιμάστηκε σε διαβρωτικό μέσο NaCl Το δοκίμιο 2 δοκιμάστηκε στον αέρα Ομάδα 1. διαβρωτικό μέσο:nacl στροφές: 750x4 rpm ένταση φόρτισης: 45Kg Κόπωση με αριθμό στροφών 750x4 rpm και ένταση φόρτισης ίση με 45Kg 5.1 Διαβρωτικό μέσο Ομάδα 2. διαβρωτικό μέσο:nacl στροφές: 750x4 rpm ένταση φόρτισης: 35Kg Ομάδα 3. διαβρωτικό μέσο:nacl στροφές: 750x4 rpm ένταση φόρτισης: 25Kg Όσον αναφορά το διαβρωτικό μέσο, χρησιμοποιήθηκε υδατικό διάλυμα χλωριούχου νατρίου-nacl, με σύσταση άλατος ίδια με αυτή που συναντάται και στο θαλασσινό νερό. Δηλαδή 3,5% κατά βάρος. Λεπτομερέστερα, μετρήθηκαν 35 gr χλωριούχου νατρίου, τα οποία διαλύθηκαν μέσα σε 1L απιονισμένου νερού. Βέβαια θα πρέπει να αναφερθεί, ότι κατά τη διεξαγωγή των πειραμάτων, κάποια δοκίμια υπέστησαν κόπωση σε περιβάλλον ατμοσφαιρικού αέρα, δηλαδή χωρίς την χρήση υδατικού διαλύματος χλωριούχου νατρίου. 5.2 Δοκίμια Συνολικά, χρησιμοποιήθηκαν οκτώ δοκίμια C-Rings, ή αλλιώς δοκίμια τύπου C. Το υλικόυπόστρωμα των δοκιμίων αυτών ήταν από υλικό 51CrV. Από αυτά τα δοκίμια, τα πρώτα τρία υπέστησαν επιφανειακή επικάλυψη από αλουμίνιο. Παράλληλα, σε άλλα τρία δοκίμια έγινε επιφανειακή επικάλυψη βορίωσης. Τα υπόλοιπα δύο δοκίμια, δεν είχαν κάποια επικάλυψη και χρησιμοποιήθηκαν ως δοκίμια αναφοράς. Το πρώτο δοκίμιο αναφοράς υπέστη κόπωση μέσα σε αλατόνερο, ενώ το δεύτερο υπέστη κυκλική κόπωση σε περιβάλλον ατμοσφαιρικού αέρα. 52

53 5.3 Βοηθητικά δοκίμια Κρίθηκε απαραίτητο να χρησιμοποιηθούν και κάποια δοκιμαστικά δοκίμια. Όπως θα φανεί και στην περιγραφή της πειραματικής διαδικασίας παρακάτω, τα δοκίμια αυτά, είχαν σκοπό να δώσουν πληροφορίες σχετικά με τη μικροδομή των επικαλύψεων και του υποστρώματος με τη βοήθεια του οπτικού μικροσκοπίου. Ακόμα τα δοκιμαστικά δοκίμια ήταν χρήσιμα γιατί μπορούσαν να υποστούν σκληρομέτρηση και να δώσουν πληροφορίες σχετικά με την επιθυμητή σκληρότητα του υποστρώματος. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκαν τέσσερα τέτοια δοκίμια με υπόστρωμα ίδιο ακριβώς με αυτό των δοκιμίων τύπου C. Τα δύο από αυτά είχαν υποστεί αλουμινίωση και τα άλλα δύο βορίωση. Στο ζεύγος που είχε υποστεί βορίωση, έγιναν διάφορες δοκιμές κατά τη διερεύνηση του δεύτερου θερμικού κύκλου (ωστενιτοποίηση, βαφή και επαναφορά) που έπρεπε να υποστούν τα δοκίμια τύπου C ώστε να αποκτήσουν την επιθυμητή σκληρότητα τους. Μετά το πέρας των δοκιμών αυτών ήμασταν σε θέση να γνωρίζουμε τον θερμικό κύκλο που θα πρέπει να υποστούν τα δοκίμια τύπου C, με σκοπό να αποκτηθεί η επιθυμητή σκληρότητα στο υπόβαθρο. 5.4 Προετοιμασία επικάλυψης βορίωσης Τα στοιχεία που χρησιμοποιήθηκαν είναι βόριο-βο με σύσταση 15%. Ακόμα χρησιμοποιήθηκε αλουμίνιο Αl 5% σύστασης και χλωριούχο αμμώνιο NH 4 Cl και 75% οξείδιο του αργιλίου Al 2 O 3. Για συνολική μάζα λοιπόν μίγματος ίση με 12gr, προκύπτει ότι προστίθενται 1,8 gr βορίου, 0,6 gr αλουμινίου και επίσης 0,6 gr χλωριούχου αμμωνίου, καθώς και 9gr οξειδίου του αργιλίου. Υπήρχε ανάγκη χρήσης συνδετικού υλικού-binder. Αυτό ήταν διάλυμα οξικής κυτταρίνης 20% σε κετόνη και έχει μία χαρακτηριστικά παχύρευστη υφή. Από τις παραπάνω ουσίες, το βόριο και το αλουμίνιο θα διαχυθούν επιφανειακά συνθέτοντας με τον τρόπο αυτό την επιφανειακή επικάλυψη. Ακόμα οι ενώσεις NH 4 Cl και Al 2 O 3 έχουν βοηθητικό ρόλο με το πρώτο να αποτελεί τον ενεργοποιητή και το οξείδιο του αργιλίου, το filler, να εξυπηρετεί την διαδικασία της επικάλυψης. Μέσα σε ένα δοχείο, τοποθετούνται οι παραπάνω ουσίες-ενώσεις και ανακατεύονται αρκετά καλά με σκοπό το μίγμα να αποκτήσει ομοιογένεια. Στο σημείο αυτό η επικάλυψη είναι έτοιμη να χρησιμοποιηθεί. Το παχύρευστο μίγμα με τη μορφή πάστας, απλώνεται επάνω στα μεταλλικά δοκίμια όσο το δυνατόν πιο ομοιόμορφα γίνεται. Στην πορεία τα δοκίμια τοποθετούνται μέσα σε ξηραντήριο και στη συνέχεια σε φούρνο. με σκοπό η επικάλυψη να επικαθίσει επί του υποστρώματος και να πραγματοποιηθεί η διάχυση. Μέσα στο ξηραντήριο, αρχικά διατηρούμε το μίγμα και τα δοκίμια σε θερμοκρασία 400 o C για χρονικό διάστημα 30 λεπτών. Αυτό γίνεται με σκοπό να διασπαστεί το συνδετικό υλικό, δηλαδή ο Binder. Επίσης με τον τρόπο αυτό, αφαιρείται η υγρασία από το επιφανειακό στρώμα επικάλυψης. Στην πορεία τοποθετούμε τα επικαλυμμένα δοκίμια μέσα σε φούρνο και αυξάνουμε την θερμοκρασία στους 800 με 850 o C, με σκοπό να επιτευχθεί η διάχυση του αλουμινίου και του βορίου. Τα αφήνουμε εντός του φούρνου για 4 ώρες. Μετά το πέρας και των 4 ωρών, στα δοκίμια έχει γίνει η επιφανειακή διάχυση και κατ επέκταση έχει ολοκληρωθεί η επικάλυψη στο υπόστρωμα των δοκιμίων. Τελικά αφαιρείται η ξερή πλέον πάστα επάνω από τα δοκίμια και καθαρίζονται. Τα βοριωμένα δοκίμια είναι πλέον έτοιμα να ακολουθήσουν τον δεύτερο θερμικό κύκλο που σκοπό έχει να αποκτηθεί η επιθυμητή σκληρότητα του υποστρώματος. 53

54 Αναφέρεται ότι στο φούρνο, μέσα στον οποίο αφέθηκαν για 4 ώρες τα επικαλυμμένα δοκίμια μετά το ξηραντήριο, είχαν δημιουργηθεί συνθήκες κενού με σκοπό να αποφευχθεί η δημιουργία οξείδωσης. Πιο συγκεκριμένα αποκαταστάθηκαν συνθήκες μέσου κενού πίεσης 10-3 torr και ο χώρος μέσα στον οποίο τοποθετήθηκαν τα δοκίμια για διάρκεια τεσσάρων ωρών ήταν σωληνοειδούς μορφής χαλαζίας. Μέσα από τον χώρο αυτό απομακρύνθηκε ο ατμοσφαιρικός αέρας ενώ ακόμα έγινε παροχή του αδρανούς αερίου Ar το οποίο παρέσυρε τον εναπομείναντα αέρα από το φούρνο οδηγώντας έτσι στην επίτευξη του βέλτιστου κενού. Περισσότερα στοιχεία για τον φούρνο τύπου χαλαζία αναφέρονται στο τμήμα της παρούσας εργασίας με τίτλο εργαστηριακός εξοπλισμός. 5.5 Προετοιμασία επικάλυψης αλουμινίωσης Όσον αναφορά την αλουμινίωση, τονίζεται ότι πρόκειται για μία μαλακή επιφανειακή επικάλυψη. Από το σύνολο των δοκιμίων (8 στο πλήθος), όπως αναφέρθηκε και πρωτύτερα, 3 χρησιμοποιήθηκαν με σκοπό να υποστούν βορίωση, ενώ άλλα 3 επιλέγονται για αλουμινίωση. Για την σύνθεση λοιπόν του μίγματος, το οποίο με τη μορφή πάστας απλώθηκε επάνω στο υπόστρωμα 51CrV των δοκιμίων, χρησιμοποιήθηκαν 20% αλουμίνιο, 5% χλωριούχο αμμώνιο, 75% οξείδιο του αργιλίου, καθώς και διάλυμα οξικής κυτταρίνης σε κετόνη, το οποίο έπαιζε το ρόλο του συνδετικού υλικού-binder. Χρησιμοποιήθηκαν 5,5 ml από αυτήν την ουσία. Επειδή η συνολική μάζα του μίγματος ήταν 12 gr, προκύπτει ότι απατήθηκαν 2,4 gr αλουμινίου, 0,6 gr χλωριούχου αμμωνίου και 9 gr οξειδίου του αργιλίου. Ακολουθεί και πάλι η τοποθέτηση των δοκιμίων στο ξηραντήριο ώστε να τοποθετηθεί καλά η στρώση επί του υποστρώματος και επίσης να αφαιρεθεί η υγρασία. Στο σημείο αυτό πρέπει να ειπωθεί ότι τα δοκίμια παρέμειναν για μισή ώρα στο ξηραντήριο και σε θερμοκρασία 400 o C. Στην συνέχεια τα αλουμινιωμένα δοκίμια τοποθετούνται στον φούρνο τύπου χαλαζία, όπως περιγράφηκε και στην βορίωση. Αφέθηκαν σε θερμοκρασία 820 o C για τέσσερεις ώρες. Έτσι ολοκληρώνεται η διάχυση της επικάλυψης επί του υποστρώματος. Στο σημείο αυτό, τα δοκίμια καθαρίζονται από την ξερή πάστα και είναι έτοιμα να υποστούν τον δεύτερο θερμικό κύκλο. 5.6 Εύρεση θερμικής κατεργασίας για αποκατάσταση της επιθυμητής σκληρότητας μετά την επικάλυψη Στο σημείο αυτό έχει ολοκληρωθεί ο πρώτος θερμικός κύκλος και κατ επέκταση η επικάλυψη τόσο των δοκιμίων τύπου C όσο και των τεσσάρων βοηθητικών δοκιμίων. Είναι εύλογο ότι τα δοκίμια έχουν χάσει την σκληρότητα τους και για το λόγο αυτό θα πρέπει να ακολουθηθεί ένας δεύτερος θερμικός κύκλος ο οποίος θα περιλαμβάνει ωστενιτοποίηση των επικαλυμμένων δοκιμίων καθώς βαφή και επαναφορά αυτών. Ο δεύτερος θερμικός κύκλος θα γίνει κλιμακωτά και η διερεύνηση του θα πραγματοποιηθεί με τη βοήθεια των βοηθητικών δοκιμίων. Από τα τέσσερα βοηθητικά δοκίμια, υπάρχουν δύο βοριωμένα και δύο αλουμινιωμένα. Κατά τη διαδικασία της διερεύνησης, θα χρησιμοποιηθούν τα βοριωμένα. Αφού καταλήξουμε στην επιλογή των θερμοκρασιών του θερμικού κύκλου για αυτά τα δύο, είμαστε σε θέση να τον εφαρμόσουμε και στα υπόλοιπα (τα δύο αλουμινιωμένα και τα έξι τύπου C που έχουν επικαλυφθεί. Ο λόγος που πρόκειται να χρησιμοποιηθεί ο ίδιος θερμικός κύκλος, είναι ότι όλα τα δοκίμια αποτελούνται από υπόστρωμα ίδιου υλικού 51CrV. Αρχικά λοιπόν θα γίνει η ωστενιτοποίηση των δύο βοριωμένων δοκιμαστικών δοκιμίων. 54

55 Θερμοκρασία Εικόνα 50. ΤΤΤ διάγραμμα μετασχηματισμού για το χάλυβα 51CrV. [34] Όπως λοιπόν είναι εμφανές από την εικόνα 50, η θερμοκρασία ωστενιτοποίησης για το υλικό του χάλυβα το οποίο αποτελούσε το υπόστρωμα των δοκιμίων, είναι περίπου στους 850 ο C. Συνεπώς έγινε ωστενιτοποίηση των δύο δοκιμαστικών δοκιμίων στην θερμοκρασία αυτή για περίπου 50 λεπτά. Στην πορεία έγινε βαφή αυτών με εμβύθιση τους σε λουτρό νερού. Μετά την ωστενιτοποίηση και την βαφή των βοριωμένων δοκιμίων, ακολουθεί η επαναφορά. Δηλαδή αναθέρμανση των δοκιμίων. Το πρώτο δοκίμιο-1, αναθερμαίνεται σε θερμοκρασία 610 o C, ενώ το δοκίμιο 2 αναθερμάνθηκε σε θερμοκρασία 550 ο C. Έτσι, μετά την απόψυξη προκύπτει και στα δύο δοκίμια μαρτενσίτης από επαναφορά και η πορεία του θερμικού κύκλου εικονίζεται ποιοτικά στο επόμενο διάγραμμα της εικόνας Χρόνος t θερμικός κύκλος δοκιμίου 1 Θερμικός κύκλος δοκιμίου 2 Εικόνα 51. Ποιοτικό διάγραμμα βοριωμένων δοκιμίων για τη διερεύνηση του κατάλληλου θερμικού κύκλου. 55