Μελέτη ψαθυροποίησης υδρογόνου ανομοιογενών συγκολλημένων ελασμάτων ΑΑ6082-ΑΑ5083 μέσω της τεχνικής δια τριβής με ανάδευση

Φαράντος, Χρήστος; Farantos, Christos

dc.contributor.author	Φαράντος, Χρήστος	el
dc.contributor.author	Farantos, Christos	en
dc.date.accessioned	2019-03-28T08:55:32Z
dc.date.available	2019-03-28T08:55:32Z
dc.date.issued	2019-03-28
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/48521
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.15939
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού - Μη Εμπορική Χρήση - Παρόμοια Διανομή 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/gr/	*
dc.subject	Ψαθυροποίηση υδρογόνου	el
dc.subject	Καθοδική φόρτιση	el
dc.subject	Δοκιμές εφελκυσμού	el
dc.subject	Κράματα αλουμινίου	el
dc.subject	Θραυστογραφική μελέτη	el
dc.subject	Hydrogen embrittlement	en
dc.subject	Hydrogen cathodic charging	en
dc.subject	Slow strain rate tensile tests (SSRT)	en
dc.subject	Aluminum alloys	en
dc.subject	Fracture analysis	en
dc.title	Μελέτη ψαθυροποίησης υδρογόνου ανομοιογενών συγκολλημένων ελασμάτων ΑΑ6082-ΑΑ5083 μέσω της τεχνικής δια τριβής με ανάδευση	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Συγκολλήσεις	el
heal.classification	WELDING	en
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/c1b0fdbf59df81e165f5ece1ac87df4d3ae96347
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2018-06-18
heal.abstract	H παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως στόχο τη διερεύνηση της ψαθυροποίησης μέσω εισδοχής υδρογόνου σε ανομοιογενείς συγκολλήσεις θερμικώς και μη θερμικώς κατεργάσιμων κραμάτων αλουμινίου ΑΑ6082/Τ6-ΑΑ5083/Η111, μέσω της τεχνικής δια τριβής με ανάδευση (FSW). Η τεχνική συγκόλλησης που εφαρμόστηκε αποτελεί μια από τις πιο εξελιγμένες μεθόδους συγκόλλησης των τελευταίων ετών, προσανατολιζόμενη όλο και περισσότερο σε συνθετότερα τεχνολογικά πεδία εφαρμογών, παρέχοντας σημαντική βελτίωση στην ποιότητα και στο συνολικό κόστος καινοτόμων κατασκευών. Η συγκόλληση δια τριβής με ανάδευση είθισται να χρησιμοποιείται κυρίως για τη συγκόλληση κραμάτων αλουμινίου και ιδιαίτερα για τη σύνδεση μεταξύ ανόμοιων κραμάτων, η οποία καθίσταται εξαιρετικά δύσκολή έως και αδύνατη με τη χρήση των περισσότερων συμβατικών μεθόδων συγκόλλησης. Έχει αρχίσει μάλιστα να εφαρμόζεται σε διάφορους βιομηχανικούς τομείς λόγω των σημαντικών πλεονεκτημάτων που τη χαρακτηρίζουν. Οι σημαντικότεροι βιομηχανικοί τομείς εφαρμογής της δεδομένης μεθόδου, οι οποίοι αποτελούν και το αντικείμενο μελέτης της παρούσας διπλωματικής εργασίας, είναι η ναυπηγική και η αεροναυπηγική. Βέβαια, η μακροχρόνια έκθεση των ναυπηγικών κατασκευών στο εξαιρετικά διαβρωτικό θαλάσσιο περιβάλλον που χαρακτηρίζεται από εναλλασσόμενη ταχύτητα ροής και τοπική παλινδρόμηση εγκυμονεί σοβαρότατους κινδύνους για τις κατασκευές αυτού του τύπου καθώς αυτές επιδεικνύουν ευαισθησία ως προς την υποβάθμιση των μηχανικών τους ιδιοτήτων λόγω ψαθυροποίησης μέσω προσρόφησης υδρογόνου. Επιπλέον η υψηλή συγκέντρωση υδρογόνου σε συνδυασμό με τις εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες που επικρατούν στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας, δημιουργούν ένα ιδιαίτερα δυσμενές περιβάλλον που ενισχύει την πιθανότητα εκδήλωσης του φαινομένου της ψαθυροποίησης μέσω υδρογόνου σε αεροναυπηγικές-αεροδιαστημικές κατασκευές. Όπως συμπεραίνεται από τα ανωτέρω, η διεξοδική έρευνα για τον προσδιορισμό και την κατανόηση των μηχανισμών που διέπουν την ψαθυροποίηση λόγω διάχυσης υδρογονοκατιόντων εντός του κρυσταλλικού πλέγματος κραμάτων αλουμινίου καθίσταται απαραίτητη. Στον τομέα αυτό έχουν πραγματοποιηθεί κατά κύριο λόγο εμπειρικές-ποιοτικές προσεγγίσεις ενώ ταυτόχρονα παρατηρείται έλλειψη ολοκληρωμένων ποσοτικοποιημένων μελετών και βιβλιογραφίας εστιασμένης σε ότι αφορά στην κινητική και τον τρόπο επίδρασης του μηχανισμού ψαθυροποίησης μέσω υδρογόνου ιδιαίτερα σε ανομοιογενώς συγκολλημένα ελάσματα. Η ανάγκη συχνής πραγματοποίησης δαπανηρών ελέγχων και αντικαταστάσεων προκειμένου να διασφαλίζεται η ακεραιότητα των συστημάτων αυτών, καθιστούν τέτοιου είδους μελέτες αναπόφευκτες για τον τεχνικό και για τον οικονομικό κλάδο σε εθνικό και διεθνές επίπεδο. Βασικό αντικείμενο μελέτης της παρούσας διπλωματικής εργασίας αποτελεί, όπως προαναφέρθηκε, η σύγκριση των βασικών μηχανικών και επιφανειακών ιδιοτήτων των δύο αρχικών κραμάτων αλουμινίου καθώς και των επιμέρους ζωνών της συγκόλλησης μεταξύ αυτών, τόσο πριν όσο και έπειτα από την επιβολή καθοδικής φόρτισης εντός υδρογονωμένου περιβάλλοντος. Ο παραπάνω μηχανισμός λαμβάνει χώρα σε πραγματική κλίμακα λόγω της διαβρωτικής δράσης του θαλασσίου περιβάλλοντος επί των ναυπηγικών κατασκευών καθώς και εξαιτίας των χαμηλών θερμοκρασιακών πεδίων και της υψηλής συγκέντρωσης υδρογόνου κατά τις δυναμικές συνθήκες πτήσης σε αεροναυπηγικές εφαρμογές. Το φαινόμενο αυτό προσομοιώθηκε εργαστηριακά μέσω της τεχνικής της ηλεκτροδυναμικά ελεγχόμενης καθοδικής φόρτισης σε ηλεκτρολύτη με υψηλή συγκέντρωση υδρογονοκατιόντων (Hydrogen Cathodic Charging (HCC)), σύμφωνα με το πρότυπο ASTM G148-97 (2011). Η δεδομένη μελέτη περιλαμβάνει το μακροδομικό και μικροδομικό χαρακτηρισμό των εξεταζόμενων μικρογραφικών δομών μέσω στερεοσκοπικής ανάλυσης, οπτικής μικροσκοπίας και ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης καθώς και τον προσδιορισμό του μικροδομικού ιστού ανάπτυξης και της κρυστάλλωσης μέσω χρήσης της αναλυτικής τεχνικής EBSD. Επιπλέον, ταυτοποιήθηκε η συμμετοχή τόσο των ομάδων φάσεων στερεοποίησης όσο και της ενδομεταλλικής φάσης σκλήρυνσης για τα αρχικά κραματικά συστήματα καθώς και η πυρηνοποίηση-ανάπτυξη στοιχειακών βαθμίδων υδριδίων έπειτα από την επιβολή ισχυρών συνθηκών καθοδικής φόρτισης εντός υδρογονωμένου περιβάλλοντος, μέσω της περιθλασιμετρίας ακτίνων Χ. Επίσης πραγματοποιήθηκε μελέτη της επίδρασης της καθοδικής φόρτισης εντός περιβάλλοντος υψηλής συγκέντρωσης υδρογονοκατιόντων στην κατανομή της μικροσκληρότητας, τόσο στην επιφάνεια όσο και στην κάθετη τομή δειγμάτων, καθώς και στην τραχύτητα των ανωτέρω κραματικών συστημάτων. Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας διενεργήθηκαν ακόμη δοκιμές μονοαξονικού εφελκυσμού χαμηλού ρυθμού παραμόρφωσης (2.4 × 10-4 s-1) σε ανομοιογενώς συγκολλημένα δοκίμια FSW AA5083/H111-AA682/T6 τόσο πριν όσο και έπειτα από την καθοδική τους φόρτιση εντός περιβάλλοντος υψηλής ποσοστιαίας συμμετοχής σε υδρογονοκατιόντα. Οι δοκιμές εφελκυσμού πραγματοποιήθηκαν βάσει του προτύπου ASTM E8M-04 σε δοκίμια τα οποία κόπηκαν από τις συγκολλημένες πλάκες εγκάρσια προς τη διεύθυνση συγκόλλησης, έτσι ώστε να περιλαμβάνουν όλες τις διαζωνικές μεταβάσεις της συγκόλλησης και τα μητρικά υλικά. Σε ότι αφορά στο πεδίο των αναμενόμενων αποτελεσμάτων επιχειρήθηκε συσχέτιση της μικροδομής με το πεδίο εμβέλειας του διαχεόμενου υδρογόνου και τη μηχανική απόκριση έναντι εφελκυσμού των συστημάτων αυτών (όριο διαρροής, μέγιστη εφελκυστική αντοχή έναντι θραύσης, επιμήκυνση έως τη θραύση). Κατά τη διάρκεια της εφελκυστικής δοκιμής, ελήφθησαν διαγράμματα επιβαλλόμενης τάσης-παραμόρφωσης από τα οποία εξήχθησαν τα παραπάνω εξεταζόμενα μεγέθη. Τέλος, πραγματοποιήθηκε θραυστογραφική μελέτη επί των θραυσιγενών επιφανειών, μέσω στερεοσκοπικής ανάλυσης και ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης τόσο για τα αρχικά συγκολλημένα δοκίμια όσο και για τα καθοδικά φορτισμένα δοκίμια, με σκοπό να προσδιοριστεί ο τύπος της θραύσης και ο μηχανισμός διάδοσής της. Η παρούσα διπλωματική εργασία, είναι μία προσπάθεια συνεισφοράς στον προσδιορισμό των μηχανισμών επίδρασης του υδρογόνου ως προς τις αποδιδόμενες μηχανικές ιδιότητες έναντι εφελκυστικής φόρτισης ανομοιογενώς συγκολλημένων κραμάτων αλουμινίου FSW AA5083-AA6082, τα οποία βρίσκουν ευρεία εφαρμογή σε συνεχώς ανερχόμενους και καινοτόμους τεχνολογικούς τομείς.	el
heal.abstract	The aim of the present diploma thesis is the investigation of hydrogen embrittlement in two welded aluminum alloys with different microstructure, that is the AA5083-H111 alloy and the AA6082-T6 alloy, the first of which belongs to the category of non-heat-treated aluminum alloys, while the second belongs to that of heat-treated alloys. The welding technique to be applied is that of Friction Stir Welding (FSW), as it is considered to be one of the most advanced welding methods in recent years, increasingly oriented to more complex technological fields of application, resulting in significant improvement in the quality and the total cost of construction. FSW is mainly used for welding procedure of aluminum alloys and especially for bonding dissimilar alloys, which becomes extremely difficult or even impossible using most conventional welding methods. It has even begun to be implemented to various industrial sectors due to its significant advantages. The most important industrial sectors of application of the given method, which are also the subject of this diploma thesis, are shipbuilding and aircraft construction. Nevertheless, the long-term exposure of shipbuilding structures to the highly corrosive marine environment poses a serious risk to these structures because of their sensitivity to degradation of their mechanical properties due to hydrogen absorption and embrittlement. Moreover, the augmented concentration of hydrogen combined to the extremely low temperatures prevailing in the upper air layers create a particularly favorable environment for the phenomenon of embrittlement in aircraft constructions. As can be concluded from the above mentioned, thorough research into the identification and understanding of the mechanism that governs hydrogen embrittlement of aluminum alloys becomes necessary. In this field, mainly empirical approaches have been made, while at the same time there is a lack of complete studies and bibliography, particularly regarding the embrittling effect of hydrogen on non-homogeneously welded structures. The need for frequent costly checks and replacements to ensure the integrity of these systems makes such studies necessary and essential for the technical and economic sectors at national and international level. The main object of this study is the comparison of the basic mechanical and surface properties of the two original aluminum alloys as well as of those of the individual welding zones both under ambient conditions and after the influence of embrittlement due to hydrogen diffusion within the above structures. The above phenomenon occurs due to the corrosive effect of the marine environment on shipbuilding structures as well as due to the low temperatures and high hydrogen concentration as far as the aeronautical and aerospace applications are concerned. This phenomenon was simulated in the laboratory by Hydrogen Cathodic Charging (HCC) according to ASTM G148-97 (2011) standard. This study includes the macrostructural and microstructural characterization of the examined structures by stereoscopic analysis, optical microscopy and scanning electron microscopy as well as by the use of EBSD analytical technique. Additionally, the development of solidification phase groups and intermetallic phases as well as the formation of hydrides for the most adverse cathodic charging conditions in a hydrogenated environment, was identified by X-ray diffractometry. Also, a study of the effect of cathodic charging in hydrogenated environment on the surface micro-hardness, the degradation of micro-hardness along the cross section of the specimens and the surface roughness of the above alloy systems was conducted. In addition, within the framework of this diploma thesis, tensile tests under slow strain rate mode were performed both before and after cathodic charging in the hydrogenated environment of welded specimens. The tensile tests were performed according to the ASTM E8M-04 standard on samples which were cut from the welded plates transversely to the welding direction so as to include all the welding zones and the base metals. Regarding the field of expected results, correlation of the developed microstructure and the depth of field of the diffused hydrogen, with the main surface and mechanical properties (yield stress, ultimate tensile strength, elongation to fracture) was attempted. During the tensile test, stress-strain diagrams were obtained from which the above-considered values were extracted. Finally, a fractographic study of the fractured surfaces was carried out by stereoscopic analysis and scanning electron microscopy for both uncharged and cathodically charged specimens, in order to determine the type of fracture and its propagation mechanism (Crack Propagation). This diploma thesis is an effort to contribute to the determination of the evolution of synergistic mechanisms concerning the hydrogen effect on the mechanical properties of FSW bonded aluminum alloys, which are widely applied in many innovative sectors of the industrial field.	en
heal.advisorName	Παντελής, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Μανωλάκος, Δημήτριος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Θαλάσσιων Κατασκευών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	197 σ.
heal.fullTextAvailability	true