Μελέτη αντοχής σε διάβρωση χάλυβα υψηλής αντοχής σε θαλάσσιο περιβάλλον – Επίδραση διαβρωτικών συνθηκών στις μηχανικές ιδιότητες

Δουμένης, Παρασκευάς Νικόλαος; Doumenis, Paraskefas Nikolaos

dc.contributor.author	Δουμένης, Παρασκευάς Νικόλαος
dc.contributor.author	Doumenis, Paraskefas Nikolaos	en
dc.date.accessioned	2019-11-25T12:40:15Z
dc.date.available	2019-11-25T12:40:15Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/49472
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.17170
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Αντοχή χάλυβα	el
dc.subject	Μεταβολή μηχανικών ιδιοτήτων	el
dc.subject	Θαλάσσιο περιβάλλον	el
dc.subject	Αλατονέφωση	el
dc.subject	High strength steel corrosion	en
dc.subject	Change of mechanical properties	el
dc.subject	Marine environment	el
dc.subject	Salt spray corrosion	el
dc.subject	Παρατήρηση μικροδομής	el
dc.subject	Microstructure observation	el
dc.title	Μελέτη αντοχής σε διάβρωση χάλυβα υψηλής αντοχής σε θαλάσσιο περιβάλλον – Επίδραση διαβρωτικών συνθηκών στις μηχανικές ιδιότητες	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Διάβρωση	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2019-10-07
heal.abstract	Ύστερα από μελέτες που πραγματοποιήθηκαν, διαπιστώθηκε ότι αρκετά πλοία μεταφοράς ξηρού φορτίου παρουσίασαν έντονη διάβρωση στις μεταλλικές επιφάνειες του περιφερειακού τους σκελετού και του εξωτερικού πυθμένα. Να σημειωθεί ότι οι επιφάνειες αυτές αποτελούνται από χάλυβα υψηλής αντοχής και έρχονται σε άμεση επαφή με το θαλάσσιο περιβάλλον για μεγάλο χρονικό διάστημα και συγκεκριμένα για όλο τον κύκλο ζωής του πλοίου. Στην παρούσα διπλωματική εργασία έγινε πειραματική διερεύνηση της μηχανικής συμπεριφοράς και της συμπεριφοράς σε διάβρωση του ναυπηγικού χάλυβα υψηλής αντοχής με εμπειρική ονομασία ΑΗ36. Πρόκειται για το είδος του χάλυβα που χρησιμοποιείται σήμερα σε αρκετά πλοία μεταφοράς ξηρού φορτίου, τόσο λόγω των βελτιωμένων μηχανικών του ιδιοτήτων σε σύγκριση με παλαιότερους χάλυβες αλλά και λόγω του σχετικά μικρού του βάρους για δεδομένο πάχος. Σε πρώτη φάση, γίνεται μια γενική αναφορά στα μέταλλα και τις ιδιότητές τους καθώς και στα μεταλλικά κράματα και τους παράγοντες εκείνους που επιδρούν κατά κύριο λόγο στη μεταβολή των μηχανικών τους ιδιοτήτων. Στη συνέχεια, αναλύονται συνοπτικά το σύνολο των κατεργασιών που πραγματοποιούνται στις μεταλλικές κατασκευές καθώς και τα μεταλλικά εξαρτήματα δίνοντας κυρίως έμφαση στην υποκατηγορία των μηχανικών κατεργασιών που χρησιμοποιήθηκαν για την υλοποίηση της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Σε επόμενο κεφάλαιο αναλύεται το φαινόμενο της διάβρωσης, η θερμοδυναμική και η ηλεκτροχημεία της διάβρωσης καθώς και οι μηχανισμοί της, οι αρχές των μεθόδων και κατεργασιών που αξιοποιήθηκαν. Στο τέλος αυτού του κεφαλαίου, παρατίθενται διάφοροι τρόποι αντιμετώπισης του φαινομένου της θαλάσσιας διάβρωσης, δίνοντας έμφαση σε μια από τις πιο συχνά εφαρμοζόμενες μεθόδους, την καθοδική προστασία. Ενδιάμεσα στα ανωτέρω, γίνεται αναφορά στις συνθήκες λειτουργίας των φορτηγών πλοίων μεταφοράς ξηρού φορτίου και τα κατασκευαστικά μέρη που υποφέρουν περισσότερο από ελάττωση πάχους από διάβρωση και άλλους παράγοντες. Συνοπτικά παρουσιάζονται αποτελέσματα λόγω φαινομένων διάβρωσης από προηγούμενες έρευνες που αφορούν τη μεταφορά πορώδους μέσου με πλοία του ίδιου τύπου. Σε επόμενο στάδιο γίνεται αναλυτική παρουσίαση των δύο βασικών πειραματικών μεθόδων θαλάσσιας διάβρωσης, της εμβάπτισης σε λουτρό NaCl καθώς και της έκθεσης σε θάλαμο αλατονέφωσης. Με τις δύο αυτές μεθόδους, έγινε όσο το δυνατόν καλύτερη προσομοίωση των συνθηκών λειτουργίας του ελάσματος εξωτερικού πυθμένα και της γάστρας του πλοίου, που είναι κατασκευασμένα από ναυπηγικό χάλυβα AH36. Επιπρόσθετα, γίνεται αναφορά στις μεθόδους που χρησιμοποιούνται ευρύτατα για την εξέταση της μικροδομής του χάλυβα. Πριν την εξέταση της μικροδομής των χαλύβδινων δοκιμίων προηγήθηκε κατεργασία λείανσης/στίλβωσης των επιφανειών, η οποία υλοποιήθηκε σε διαδοχικά στάδια. Σκοπός της διαδικασίας αυτής ήταν η σταδιακή λείανση των χαλύβδινων επιφανειών μέχρι αυτές να γίνουν «καθρέφτες». Στη συνέχεια ακολούθησε καθαρισμός των επιφανειών αυτών από τυχόν επικαθίσεις αποβλίττων με τη βοήθεια υπερήχων (ultrasonic) καθώς και η χημική προσβολή των δοκιμίων με χρήση Nital ώστε να έχουμε πιο ευκρινή αποτελέσματα κατά την οπτική παρακολούθηση με χρήση οπτικού μικροσκοπίου. Με τη βοήθεια της μεταλλογραφίας μπορέσαμε να εντοπίσουμε στην επιφάνεια των χαλύβδινων δοκιμίων προς εξέταση τις φάσεις του χάλυβα καθώς και την έναρξη αστοχίας και τη μορφή αυτής. Γίνεται αναφορά στη μέθοδο της φασματοσκοπίας και πως αυτή πραγματοποιείται και στη συνέχεια περιγράφεται λεπτομερώς η μέθοδος της Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης (S.E.M). Στη χρήση της μεθόδου S.E.M στηρίχτηκε μέρος της πειραματικής διαδικασίας με σκοπό την εξέταση της περιοχής θραύσης κι 8 \| P a g e επομένως το χαρακτηρισμό του είδους της αστοχίας που επετεύχθη στην περιοχή του «λαιμού» των μεταλλικών δοκιμίων από χάλυβα υψηλής αντοχής AH36. Ανάλογα με το είδος της αστοχίας που πραγματοποιήθηκε (όλκιμη ή ψαθυρή θραύση, εμφάνιση πορώδους στην ευρύτερη περιοχή της θραύσης πριν την αστοχία του υλικού κλπ) μπορούμε να αποφανθούμε σχετικά με τη συνολική ενέργεια (EUTS) που απαιτήθηκε να καταναλωθεί ώστε να φτάσουμε στη μέγιστη τάση θραύσης των δοκιμίων και άρα να έχουμε την έναρξη της αστοχίας του υλικού. Προφανώς, όσο πιο ψαθυρή κρίνεται η θραύση ενός δοκιμίου και επιπρόσθετα πιο διαβρωμένη είναι η ευρύτερη περιοχή της θραύσης, θα απαιτείται σχετικά μικρότερη EUTS για την έναρξη θραύσης των δοκιμίων. Τα αποτελέσματα της διάβρωσης των χαλύβδινων δοκιμίων συναρτήσει του χρόνου έκθεσης, μετατράπηκαν σε διαγράμματα μετρήσεων απώλειας μάζας ως προς τη συνολική επιφάνεια διάβρωσης συναρτήσει του χρόνου έκθεσης κατά τα πρότυπα. Μια άλλη κατηγορία δοκιμίων επίσης μαθηματικοποιήθηκε σε διαγράμματα όπου στον άξονα (y) τοποθετήθηκαν οι μέσες τιμές των μηχανικών ιδιοτήτων (όριο διαρροής σy , μέγιστη εφελκυστική τάση σUTS ) κατάλληλα ομαδοποιημένων δοκιμίων συγκριτικά με τις μηχανικές ιδιότητες των αρχικών blank δοκιμίων, ενώ στον άξονα (x) τοποθετήθηκαν κατά τα γνωστά τα χρονικά διαστήματα διάβρωσης των δοκιμίων. Όσον αφορά την τάση θραύσης των δοκιμίων, αυτή προσεγγίστηκε με τον real engineering τρόπο και αποτυπώθηκε με τη χρήση ραβδογραμμάτων από κατάλληλη επεξεργασία των δεδομένων σε λογιστικό φύλλο excel. Αξίζει να σημειωθεί, πως η διατομή των δοκιμίων έπρεπε να μελετηθεί ξεχωριστά και στην περίπτωση της θραύσης έπρεπε να υπολογιστεί η διατομή του λαιμού στην περιοχή αυτή. Αντίθετα, για τη μελέτη του engineering διαγράμματος τάσης – παραμόρφωσης η διατομή των δοκιμίων παρέμενε πρακτικά σταθερή σε όλη τη μελέτη και ίση με τη διατομή του λαιμού μετά το πέρας του χρόνου έκθεσης των δοκιμίων και πριν την έναρξη της μηχανικής τους καταπόνησης. Ο συνολικός χρόνος έκθεσης των δοκιμίων βασίστηκε σε πρότυπα διάβρωσης μεταλλικών κατασκευών. Αυτός συνήθως κυμαίνεται στην αφαίρεση δοκιμίων κάθε 2 ως 4 εβδομάδες έκθεσης σε διαβρωτικές συνθήκες, ανάλογα τη μέθοδο διάβρωσης που χρησιμοποιείται. Σχετικά με τις καμπύλες απώλειας μάζας και μεταβολής των μέσων μηχανικών ιδιοτήτων, έγινε προσπάθεια να προσεγγιστούν με καμπύλες που μαθηματικοποιούν τους μηχανισμούς και όχι καμπύλες που απλά προσεγγίζουν τα σημεία χωρίς μεγάλη απόκλιση. Στη συνέχεια συσχετίστηκε η οπτική παρατήρηση της επιφάνειας των δοκιμίων με τη μορφή της καμπύλης στην οποία το καθένα αντιστοιχούσε. Τέλος, στο Παράρτημα της παρούσης διπλωματικής εργασίας παρουσιάζονται οι πίνακες μεταβολής τόσο του πάχους των δοκιμίων μετά το πέρας του χρόνου έκθεσης σε διαβρωτικό περιβάλλον καθώς και της διατομής πριν και μετά τη μηχανική τους καταπόνηση.	el
heal.abstract	Following studies carried out, several dry-cargo ships were found to have intense corrosion on the metal surfaces of their peripheral skeleton and the outer bottom. It must be mentioned that these surfaces are made of high strength steel and come in contact with the marine environment for a long time and in particular for the whole circle of life of the ship. In this diploma thesis we made an experimental investigation of the mechanical behavior and the corrosion behavior of high strength shipbuilding steel with the empirical name AH36. This is the kind of steel currently used on several dry cargo ships, both because of its improved mechanical properties compared to older steels and because of its relatively low weight for a given thickness. Initially, a general reference is made to metals and their properties as well as to metal alloys and those factors that primarily affect the change in their mechanical properties. Subsequently, we briefly analyze all the mechanical processes of the metal constructions as well as the metal parts, focusing mainly on the subclass of machining processes used for the implementation of this diploma thesis. In the next chapter we analyze the phenomenon of corrosion, thermodynamics and electrochemistry of corrosion as well as its mechanisms, the principles of the methods and processes used. At the end of this chapter, various ways of dealing with the phenomenon of marine erosion are apposed, emphasizing on one of the most commonly applied methods, cathodic protection. In the above, reference is made to the operating conditions of dry cargo carriers and the components that suffer most from thickness reduction because of corrosion and other factors. In summary, results from corrosion phenomena from previous surveys concerning the porosity transfer of ships of the same type are presented. Continuing, the two basic experimental methods of marine erosion, NaCl solution immersion and exposure to salt spray chamber are presented. With these two methods, the operating conditions of the outer bottom plate and the hull of the ship, made of AH36 shipbuilding steel, were optimally simulated. In addition, reference is made to the methods widely used for examining the microstructure of steel. Before the examination of the microstructure of the steel specimens, a grinding / polishing treatment of the surfaces was carried out in successive stages. The purpose of this process was the gradual grinding of the steel surfaces until they become "mirrors". Thereafter, these surfaces were cleaned from any deposits of waste with an ultrasonic generating machine. Finally, a chemical attack with Nital was realized to specimens, in order to have more visible results in visual observation using an optical microscope. Using metallography, we were able to identify the steel phases as well as the start of the failure and its format. An extensive reference is made to the spectroscopy method and how it is performed and then details of the methods of Electronic Scanning Microscopy (S.E.M). In using the S.E.M method, a part of the experimental procedure was used to examine the fracture area and thus to characterize the type of failure achieved in the "throat" area of the AH36 high strength steel specimens. Depending on the type of failure (ductile or brittle fracture, the appearance of porosity in the wider area of breakage before material failure, etc.), we can decide on the total energy (EUTS) required to be consumed to reach the maximum failure strain of the specimens and thus have the beginning of the failure of the material. Obviously, the more brittle the failure of a specimen is and the more corroded the wider the fracture area, the relatively smaller the EUTS will be required to start breaking the specimens. The corrosion effects of the steel specimens as a function of exposure time were converted into mass loss diagrams for the total corrosion surface area as a function of standard exposure time. Another category of specimens was also mathematically plotted on axis (y) with the mean values of mechanical properties (yield strength σy maximum tensile 10 \| P a g e stress σUTS) of properly grouped specimens compared to the mechanical properties of the original blank specimens, while the corrosion time of the specimens was placed on the (x) axis. Concerning about the failure strain of the specimens this was approached in the real engineering way and was described using bar charts from the proper processing of the data in an excel spreadsheet. It is worth mentioning that the specimens surface had to be studied separately and in the case of failure the surface of the neck had to be calculated separately. In contrast, for the study of the stress-strain engineering diagram the specimen surface remained practically fixed throughout the study and equal to the surface area of the specimen after the exposure time and before mechanical stress was applied. The total exposure time of the specimens was based on corrosion patterns of metal structures. This usually varies in removing specimens every 2 or 4 weeks of exposure to corrosive conditions. Concerning about the mass loss curves and average mechanical properties, an attempt was made to approach curves that mathematicize the mechanisms rather than curves that simply approach the points without much deviation. The visual observation of the surface of the specimens was then correlated in the form of the curve in which each corresponded. Finally, the Appendix to this thesis presents tables showing the changes in both the thickness of the specimens after the exposure time to a corrosive environment and the surface before and after mechanical stress.	el
heal.advisorName	Βασιλείου, Παναγιώτα
heal.committeeMemberName	Βασιλείου, Παναγιώτα
heal.committeeMemberName	Μανωλάκος, Δημήτριος
heal.committeeMemberName	Μαρκόπουλος, Άγγελος
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	168
heal.fullTextAvailability	false