Σχέση μικροδομής, μηχανικών και μαγνητικών ιδιοτήτων σε χάλυβες χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα (Low Carbon Steel). – Μελέτη της επίδρασης ηλεκτροχημικής και χημικής διάβρωσης στη μηχανική και μαγνητική συμπεριφορά του μαλακού χάλυβα τύπου ARMCO

Abstract

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετάται η επίδραση της ηλεκτροχημικής διάβρωσης και θερμικής οξείδωσης (χημική διάβρωση) αλλά και φαινομένων ισοθερμίας στη μηχανική και μικροθραυστική συμπεριφορά ενός χάλυβα χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα τύπου ARMCO. Τα φαινόμενα αυτά μελετώνται με τη βοήθεια τοπικού χαρακτήρα μαγνητικής τεχνικής θορύβου Barkhausen, αλλά και μονολιθικού χαρακτήρα μαγνητικής τεχνικής, βρόχου υστέρησης. Ο εξεταζόμενος χάλυβας υπέστη ηλεκτροχημική διάβρωση μέσα σε περιβάλλον αλατονέφωσης περιεκτικότητας 3,5% NaCl για προσδιορισμένα χρονικά διαστήματα. Η χημική διάβρωση που έγκειται σε επιφανειακή οξείδωση αλλά και σε ισοθερμική καταπόνηση του υλικού πραγματοποιήθηκε σε ειδικό φούρνο ελεγχόμενης ροής αδρανούς αερίου και πίεσης οξυγόνου σε θερμοκρασία 4100C. Με αυτή την έννοια παράγεται το κύριο προϊόν οξείδωσης που είναι μαγνητίτης (Fe3O4) αλλά και άλλα προϊόντα ισοθερμικής «ψευδογύρανσης» όπως διάφορες κατακρημνίσεις σεμεντίτη (Fe3C). Κάτω από αυτές τις συνθήκες αποδείχτηκε ότι τα κύρια προϊόντα της ηλεκτρο- χημικής διάβρωσης όπως το εισερχόμενο ατομικό υδρογόνο και το σχηματιζόμενο επιφανειακό στρώμα μαγνητίτη (Fe3O4), επηρεάζουν με διαφορετικό τρόπο την μαγνητομηχανική και μικροθραυστική συμπεριφορά του χάλυβα. Η συμπεριφορά αυτή μελετήθηκε υπό συνθήκες μονοαξονικού εφελκυσμού, όπου καταγράφηκε υπό τάση η μαγνητική απόκριση του υλικού στο παλμικό σήμα Barkhausen. Έτσι, διαπιστώθηκε η σύνθετη αλληλεπίδραση των μαγνητικών τοιχωμάτων με τα σημεία συγκέντρωσης του ατομικού υδρογόνου στα όρια των κόκκων αλλά και γύρω από άλλες προϋπάρχουσες εσωτερικές ασυνέχειες του χάλυβα με τις μικροδομικές αλλαγές που πραγματοποιούνται λόγω πλαστικής παραμόρφωσης, όπως σχηματισμοί διαταραχών (εξαρμόσεων) και μικρορωγμών–μικροκενών. Με αυτόν τον τρόπο φάνηκε ταυτόχρονα ο ενισχυτικός ρόλος της επιβαλλόμενης τάσης ως τασική πόλωση για τις μικρομαγνητικές διεργασίες και ειδικά την κινητικότητα των μαγνητικών περιοχών/τοιχωμάτων. Έχοντας υπόψη τα παραπάνω και με τη βοήθεια ενός προτεινόμενου “αριθμού μαγνητικής σκλήρυνσης”, πραγματοποιήθηκε μια ημι- ποσοτική ανάλυση, όπου εκτιμήθηκε ο κύριος ρόλος του ατομικού υδρογόνου στη μαγνητομηχανική συμπεριφορά του υλικού. Ταυτόχρονα μέσα από αυτή τη δια-δικασία διαπιστώθηκε η διαφορετική συμπεριφορά και ο διαφορετικός ρόλος του σχηματιζόμενου μαγνητίτη για τη “μαγνητομηχανική τύπου σκλήρυνσης”. Επομένως, αποδείχτηκε ακόμα ότι, με την αύξηση του χρόνου της ηλεκτροχημικής διάβρωσης δηλαδή με την αύξηση της συσσώρευσης του υδρογόνου, μέσω απλής διάχυσης αλλά και μεταφοράς αυτού μέσω κινούμενων διαταραχών στα σημεία μηχανικής φθοράς του κρυσταλλικού πλέγματος που δημιουργήθηκαν λόγω πλαστικής παραμόρφωσης, η “μαγνητομηχανική τύπου σκλήρυνσης” του υλικού σχετίζεται συνεργειακά με το γνωστό φαινόμενο “Ψαθυροποίησης από υδρογόνο”. Η ύπαρξη αυτού του φαινομένου αποδείχτηκε έμπρακτα μέσω της Μικροθραυστογραφικής Ανάλυσης που διεξάγεται με το Ηλεκτρονικό Μικροσκόπιο Σάρωσης. Ο δευτερεύων ρόλος του μαγνητίτη στη μαγνητομηχανική συμπεριφορά σχετίστηκε με “διεπιφανειακά” φαινόμενα αλληλεπίδρασης μεταξύ διαταραχών (εξαρμόσεων) του χάλυβα και των μαγνητικών τοιχωμάτων του μαγνητίτη. Στη συνέχεια μελετάται η επίδραση της χημικής διάβρωσης από θερμική οξείδωση του χάλυβα στην μαγνητομηχανική συμπεριφορά αυτού. Η μελέτη της συμπεριφοράς αυτής πραγματοποιήθηκε με δύο μεθόδους: πρώτον με τη βοήθεια ενός προτεινόμενου “αριθμού μαγνητικής διασποράς” και δεύτερον με τη βοήθεια “κατανομής σήματος Barkhausen μέσω ενεργειακού φράγματος”, όπου διαπιστώθηκε κατ’ αρχάς η ασήμαντη συμβολή του πολύ λεπτού στρώματος επιφανειακού μαγνητίτη στο μαγνητικό σήμα. Με την πρώτη μέθοδο διαπιστώθηκε και μελετήθηκε η αύξηση της “μαγνητομηχανικής τύπου σκλήρυνσης” λόγω εντατικοποίησης μικρομαγνητικών διεργασιών που πηγάζουν από την εμφάνιση έντονων φαινομένων δυναμικής και στατικής εσωτερικής μαγνητικής “τριβής”. Η κύρια συμβολή σ’ αυτή τη “τριβή” προέρχεται κυρίως από την αλληλεπίδραση των μαγνητικών τοιχωμάτων με τα σημεία συγκέντρωσης κατακρημνίσεων σεμεντίτη (Fe3C), ενισχυμένη από την δημιουργία πεδίων μικρορωγμών και μικροκενών στην περιοχή σχηματισμού του πλαστικού λαιμού. Με τη δεύτερη μεθόδο διαπιστώθηκε η καθοριστική και συνδυαστική συμβολή της πλαστικής παραμόρφωσης και των κατακρημνίσεων σεμεντίτη (Fe3C) στη διαφοροποίηση της κινητικότητας των μαγνητικών τοιχωμάτων, με αποτέλεσμα την καταγραφή της ύπαρξης δυο κύριων “φάσεων” κίνησης αυτών. Έτσι, η μια “φάση” συνδέθηκε με την κίνηση στην περιοχή των ορίων των κόκκων και η δεύτερη εντός του εσωτερικού των κόκκων. Τέλος, με τη βοήθεια της τεχνικής του βρόχου υστέρησης αποδείχτηκε για άλλη μια φορά το σύνθετο πρόβλημα της αλληλεπίδρασης των μαγνητικών τοιχωμάτων με τα σημεία συσσώρευσης ατομικού υδρογόνου, αλλά και με την επιβαλλόμενη τάση ως τασική πόλωση. Το πρόβλημα αυτό αναλύθηκε μέσω μετρήσεων της μαγνητικής διαπερατότητας και του συνεκτικού πεδίου, όπου παρατηρήθηκε μια συμπεριφορά αυξομειώσεων των μετρήσεων αυτών, συναρτήσει της επιβαλλόμενης τάσης και του χρόνου διάβρωσης. Ακόμα, με τον τρόπο αυτό, διαπιστώθηκαν ορισμένα “κρίσιμα” σημεία συμπεριφοράς των δυο αυτών παραμέτρων συναρτήσει του χρόνου ηλεκτροχημικής διάβρωσης (βαθμού συσσώρευσης υδρογόνου) και πλαστικής παραμόρφωσης, όπου οι παραπάνω δυο παράμετροι, στα σημεία αυτά, παρουσιάζουν μια “ανώμαλη” συμπεριφορά με απότομες και μεγάλες αλλαγές, γεγονός που χρήζει περαιτέρω έρευνας.

In the present Ph.D. work the influence of the electrochemical and thermal oxidation (chemical corrosion) as well as isothermal heating-related phenomena on the magnetomechanical and microfailure behavior of a low carbon, ARMCO-type steel is studied. This task is performed by means of the highly localized measuring magnetic Barkhausen emission as well as by bulk (integrated) measuring magnetic hysteresis loop technique. The investigated steel is subjected to electrochemical corrosion conditions by means of a Salt Spray Fog technique in a 3.5% NaCl-water solution environment for predeterminated time intervals. The chemical corrosion of the steel consists in a surface thermal oxidation accompanied by a certain bulk isothermal “pseudoageing” process. This thermal oxidation was conducted in a special furnace with controlled inert gas flow with constant temperature of 4100C and given partial oxygen pressure. Under the above materials conditions it was shown that main products of the electrochemical corrosion were the surface magnetite layer and internal atomic hydrogen accumulations whereas the main products of the chemical corrosion were the surface magnetite (Fe3O4) layer and certain, internal, cementite (Fe3C) precipitations. Thereafter, it was also shown the very different influence of these products on the magnetomechanical and microfailure behavior of the steel. This behavior was investigated under conditions of maximal tensile stressing/straining where the magnetic response of the steel on the Barkhausen noise signal was measured. In this way, the complex interplay of magnetic domains/walls, applied stress and atomic hydrogen accumulation sites, as well as plastic strain-induced microstuctural changes, such as volume damages microcracks and/or microvoids and dislocation configurations, were revealed. In this way, the basic role of the applied stress in form of stress bias effects on the micromagnetic activity and especially on the domain wall motion state, determined by the pinning strength and jumping length (size), was investigated. Taking the above facts into consideration and by means of a proposed “Magnetic Hardening Number” technique it was possible to perform a semiquantitative analysis, where the major influence of the hydrogen accumulation by common diffusion, as well as by dislocation transport on the observed magneto-mechanical-type hardening behavior of the material was revealed. At the same time, the secondary role of the formed magnetite layer on this hardening behavior was mentioned. In this context, it was shown that an increase in the electrochemical corrosion time i.e., in the atomic hydrogen accumulation at crystal damage sites leads, to a synergistic connection with the well-known hydrogen embritlement effect in influencing the magnetomechanical behavior of the material. The occurrence of the hydrogen embritlement effect was shown by means of the Electron Microfractography Analysis where the observed related microfailure features were in agreement with the measured reduction in the ductility (fracture strain). The secondary influencing role of the formed magnetite layer, was connected with certain metal-oxide-interface hardening effects caused by interaction of subsurface dislocation activity with the domain walls of magnetite layer. Furthermore, in this Ph.D.- work the influence of the internal oxidation products on the magnetomechanical behavior of the steel was also investigated. This investigation was conducted by means of two basic novel techniques: a robust parameter, called “Magnetic Dispersion Number” and a proposed “Barkhausen Pulse Discrimination” procedure. By these two techniques it was at first shown the secondary role of the very thin formed magnetite layer for all the related phenomena. So far, by the first technique, it was possible to show that the magnetomechanical behavior can be correlated with the intensification of micromagnetic activity and specially with changes in the magnetic wall motion state expressed by pinning strength and jump size (length). These changes are caused by interaction of cementite (Fe3C) precipitation sites with volume damages (microcracks and/or microvoids), formed mainly by plastic deformation during necking. By means of the second technique, was possible to show the existence of two basic wall motion modes. The first mode, was connected with wall kinetic effects within grain boundary regions whereas the second one with kinetic effects within the grain interior. In this sense, it was further shown the influence of the cementite precipitation effects on the differentiation of these two kinetic modes. Last but not least, by means of the hysteresis loop technique it was possible to show, in another way, the complex problem of interaction between magnetic domains, hydrogen accumulation sites and plastic deformation effects. In this way, this problem was analyzed by measuring the magnetic permeability and coercivity where a non-monotonic behavior of these parameters with increasing corrosion time was obtained. Furthermore, certain “critical” points in function of plastic deformation i.e. the degree of dislocation multiplication were observed in the sense that at these points these parameters show remarkable and abrupt changes, fact which needs further investigation.