ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΚΑΙ ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΥΠΟΒΑΘΜΙΣΗΣ ΤΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΤΟΥ ΑΕΡΟΝΑΥΠΗΓΙΚΟΥ ΚΡΑΜΑΤΟΣ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ 2024 ΛΟΓΩ ΔΙΑΒΡΩΣΗΣ

Αντικείμενο του έργου αποτελεί η μελέτη της επίδρασης της διάβρωσης στην απομένουσα δομική ακεραιότητα αεροπορικών κατασκευαστικών στοιχείων από κράμα αλουμινίου 2024 για διαφορετικές καταστάσεις τεχνητής γήρανσης του κράματος. Οι διαφορετικές αυτές καταστάσεις αντιστοιχούν σε διαφορετική ημερολογιακή ηλικία του κράματος υπό εξέταση. Σκοπός είναι η ανάπτυξη μιας μεθοδολογίας εκτίμησης της επίδρασης της διάβρωσης στη δομική ακεραιότητα αεροπορικών δομών. Η πειραματική διερεύνηση θα εστιαστεί στις δοκιμές εφελκυσμού και δυσθραυστότητας (R-Curve) για τον υπολογισμό του κρίσιμου συντελεστή έντασης τάσεων του κράματος 2024, για διαφορετικές καταστάσεις τεχνητής γήρανσης του υλικού και για διαφορετικούς χρόνους προ-διάβρωσης σε διάλυμα αποφλοίωσης. Τέλος, θα πραγματοποιηθεί οπτική και ηλεκτρονική μικροσκοπία για το χαρακτηρισμό της βλάβης της επιφάνειας του υλικού, της μικροδομής καθώς και των επιφανειών θραύσης των δοκιμίων.

Θα αναπτυχθεί μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων το οποίο θα λαμβάνει υπόψη το μέγεθος και τη μορφή της βλάβης που προκαλείται στην επιφάνεια του δοκιμίου λόγω της επιβαλλόμενης επιταχυνόμενης διάβρωσης. Η βλάβη θα αναγνωριστεί και θα ποσοτικοποιηθεί από το προηγούμενο στάδιο της μεταλλογραφικής μελέτης των προϊόντων της διάβρωσης στο υλικό. Η ανάγκη ανάπτυξης αυτού του μοντέλου έγκειται στο γεγονός ότι όπως έχει αναφερθεί στην σχετική βιβλιογραφία η υποβάθμιση των μηχανικών ιδιοτήτων οφείλεται στην μείωση της ενεργού διατομής, στην δημιουργία τοπικής ψαθυροποιημένης ζώνης λόγω υδρογόνου και στην ύπαρξη γεωμετρικών χαρακτηριστικών συγκέντρωσης τάσης τα οποία δημιουργούνται λόγω της ανομοιόμορφης βλάβης λόγω διάβρωσης που προκαλείται στην επιφάνεια του υλικού. Το μοντέλο αυτό θα αποτελέσει ένα υπολογιστικό εργαλείο για την πρόβλεψη της μηχανικής συμπεριφοράς διαβρωμένων δομικών στοιχείων.

Για τη πρόβλεψη της επίδρασης της διάβρωσης στη δομική ακεραιότητα κατασκευαστικών στοιχείων από κράμα αλουμινίου 2024 για διαφορετικές καταστάσεις τεχνητής γήρανσης, θα αναπτυχθεί ένα υπολογιστικό εργαλείο βασισμένο σε αριθμητικές μεθόδους (μέθοδο των πεπερασμένων (FEM) ή/και οριακών στοιχείων (BEM). Το υπολογιστικό μοντέλο θα λαμβάνει υπόψη την υποβάθμιση των τοπικών ιδιοτήτων εφελκυσμού και τις ανάλογες εφελκυστικές καμπύλες των προ-διαβρωμένων και μη διαβρωμένων δοκιμίων. Το μοντέλο θα μπορεί να εκτιμήσει την δυσθραυστότητα του υλικού και επομένως μπορεί να αποτελέσει ένα εργαλείο σύγκρισης για την επίδραση της διάβρωσης στις διαφορετικές καταστάσεις τεχνητής γήρανσης του κράματος 2024.

Σχεδιασμός των θερμικών κατεργασιών

Στην παρούσα φάση εργασίας θα αξιοποιηθούν τα βιβλιογραφικά δεδομένα για την μεταβολή των μηχανικών ιδιοτήτων του κράματος αναφοράς με την αύξηση του χρόνου τεχνητής γήρανσης. Θα σχεδιαστούν διαφορετικές θερμικές κατεργασίες στο υλικό με βάση τα παραπάνω δεδομένα καθώς και από το διάγραμμα φάσεων ισορροπίας του κράματος. Οι διαφορετικές θερμικές κατεργασίες σε δοκίμια αναφοράς από το αεροναυπηγικό κράμα Al-Cu αποσκοπούν στην προσομοίωση διαφορετικής κατάστασης φυσικής γήρανσης. Η τεχνητή γήρανση αποσκοπεί στην κατακρήμνιση της μετασταθούς β’ φάσης (Al2Cu) του κράματος και προσομοιάζει την φυσική γήρανση του μετά από μακροχρόνια έκθεσή του στο ατμοσφαιρικό περιβάλλον.

Διάρκεια: Μ4-Μ7

ΠΑΡΑΔΟΤΕΑ: Εκθέσεις προόδου (1)

 

Πειραματική διαδικασία

Στην παρούσα δράση θα πραγματοποιηθούν οι πειραματικές δοκιμές του έργου. Αναλυτικά περιγράφονται ανά εργασίες στη συνέχεια.

Ε3.1 Πειράματα διαβρώσεων σε υλικό αναφοράς

Σε αυτή την πειραματική εργασία θα πραγματοποιηθούν πειράματα επιταχυνόμενης διάβρωσης σε δοκίμια μεταλλογραφίας, εφελκυσμού και δυσθραυστότητας και για διαφορετικούς χρόνους έκθεσης σε διαβρωτικό διάλυμα αποφλοίωσης (exfoliation corrosion) σύμφωνα με την προδιαγραφή ASTM G34. Οι πειραματικές διαβρώσεις θα πραγματοποιηθούν σε ήδη κατασκευασμένα δοκίμια εφελκυσμού και δυσθραυστότητας σύμφωνα με τις προδιαγραφές ASTM E8 και ASTM Ε561, αντίστοιχα. Θα προσδιοριστούν ποσοτικά για κάθε διαφορετικό χρόνο έκθεσης το μέγιστο βάθος προσβολής καθώς και οι απομένουσες μηχανικές ιδιότητες σε εφελκυσμό και σε δυσθραυστότητα. Θα εκτιμηθεί ο χρόνος έκθεσης του υλικού στο διάλυμα διάβρωσης, κατά τον οποίο η επίδραση της διάχυσης υδρογόνου υφίσταται κορεσμό.

Διάρκεια: Μ4-Μ11

 

Ε3.2 Τεχνητές γηράνσεις σε υλικό αναφοράς

Διαφορετικά δοκίμια από το υλικό αναφοράς θα υποστούν διαφορετικές θερμικές κατεργασίες τεχνητής γήρανσης (artificial aging) με σκοπό τα δοκίμια να φτάσουν σε διαφορετικές καταστάσεις θερμικής κατεργασίας, δηλαδή τις καταστάσεις της υπο-γήρανσης, της μέγιστης γήρανσης και της υπερ-γήρανσης. Οι τεχνητές γηράνσεις θα πραγματοποιηθούν σε διαφορετικά, ήδη κατασκευασμένα δοκίμια εφελκυσμού και δυσθραυστότητας. Σκοπός αυτής της εργασίας είναι η επίδραση της τεχνητής γήρανσης στις εφελκυστικές μηχανικές ιδιότητες καθώς και στην δυσθραυστότητα του κράματος αναφοράς. Πρέπει να αναφερθεί ότι στην ανοικτή βιβλιογραφία δεν μπορεί να βρεθούν εύκολα δεδομένα για την δυσθραυστότητα του κράματος, κυρίως λόγω της πολυπλοκότητας της δοκιμής και της αποτίμησης των πειραματικών δεδομένων.

Διάρκεια: Μ6-Μ15

 

Ε3.3 Επιταχυνόμενες διαβρώσεις σε τεχνητά γηρασμένα δοκίμια

Από την εργασία 3.1 θα προσδιοριστεί ο χρόνος έκθεσης (χρόνος για τον κορεσμό) για τον οποίο θα πραγματοποιηθούν όλες οι διαβρώσεις των δοκιμίων αυτής της υπο-ενότητας. Από την εργασία 3.2 θα προκύψουν δοκίμια εφελκυσμού και δυσθραυστότητας που θα έχουν υποστεί διαφορετική θερμική κατεργασία για την τεχνητή γήρανσή τους. Στην παρούσα εργασία, τα ήδη υπάρχοντα δοκίμια με τις διαφορετικές συνθήκες τεχνητής γήρανσης θα υποβληθούν σε επιταχυνόμενη διάβρωση και για χρόνο έκθεσης που θα καθοριστεί από την Δ3.1. Θα πραγματοποιηθούν οι μηχανικές δοκιμές εφελκυσμού και δυσθραυστότητας στα προ-διαβρωμένα δοκίμια σύμφωνα με τις προδιαγραφές ASTM E8 και Ε561, αντίστοιχα. Θα αποτιμηθούν τα πειράματα και θα υπολογιστούν οι απομένουσες μηχανικές ιδιότητες του υλικού που ενδιαφέρουν, ονομαστικά το όριο διαρροής, το όριο αντοχής, ο εκθέτης εργοσκλήρυνσης, η παραμόρφωση θραύσης, η ειδική ενέργεια παραμόρφωσης και η δυσθραυστότητα (για το συγκεκριμένο πάχος του δοκιμίου).

Διάρκεια: Μ10-Μ27

 

Ε3.4 Χαρακτηρισμός της μικροδομής

Σε αυτή την εργασία θα εξεταστούν τα μικροσκοπικά χαρακτηριστικά που προκαλεί η επιταχυνόμενη διάβρωση στην επιφάνεια του υλικού. Θα αποτιμηθεί το μέγιστο βάθος προσβολής της διάβρωσης κατά το πάχος του δοκιμίου και θα εκτιμηθεί η ενεργή διατομή του δοκιμίου ανάλογα με τον βαθμό επιταχυνόμενης διάβρωσης. Για τα δοκίμια που θα υποστούν τεχνητή γήρανση, θα πραγματοποιηθούν μεταλλογραφικές αναλύσεις για την εκτίμηση της αλλαγής της μικροδομής του υλικού. Τέλος, στις επιφάνειες θραύσης των δοκιμίων εφελκυσμού και δυσθραυστότητας θα πραγματοποιηθεί μελέτη με χρήση ηλεκτρονικού μικροσκοπίου. Η χρήση ηλεκτρονικού μικροσκοπίου αναμένεται να αναδείξει τον μηχανισμό υποβάθμισης των τεχνητά γηρασμένων υλικών λόγω των δημιουργούμενων εγκοπών στην επιφάνεια των δοκιμίων ή λόγω της τοπικής ψαθυροποίησης του υλικού λόγω διάχυσης υδρογόνου.

Διάρκεια: Μ15-Μ30

 

Δ3.5 Ποσοτική συσχέτιση των αποτελεσμάτων

Στην παρούσα φάση εργασίας θα πραγματοποιηθεί ποσοτικός συσχετισμός μεταξύ των πειραματικών αποτελεσμάτων των μηχανικών ιδιοτήτων και των μικροσκοπικών χαρακτηριστικών για τις διαφορετικές θερμικές κατεργασίες που θα πραγματοποιηθούν στο παρόν ερευνητικό έργο. Με την βοήθεια αυτής της εργασίας, θα καθοριστούν οι ακριβής μηχανισμοί υποβάθμισης λόγω διάβρωσης της δομικής ακεραιότητας του κράματος 2024 ανάλογα με την θερμική του κατεργασία.

Διάρκεια: Μ28-Μ34

ΠΑΡΑΔΟΤΕΑ: 

• Τεχνητές γηράνσεις σε υλικό αναφοράς

• Πειράματα διαβρώσεων σε υλικό αναφοράς και σε τεχνητά γηρασμένα δοκίμια

• Χαρακτηρισμός της μικροδομής και ποσοτική συσχέτιση της επίδρασης της διάβρωσης

• Δημοσίευση εργασιών σε έγκριτα διεθνή επιστημονικά περιοδικά και πρακτικά συνεδρίων (2)

 

Θεωρητική διερεύνηση

Θα αναπτυχθεί μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων το οποίο θα λαμβάνει υπόψη το μέγεθος και τη μορφή της βλάβης που προκαλείται στην επιφάνεια του δοκιμίου λόγω της επιβληθείσας επιταχυνόμενης διάβρωσης. Η βλάβη θα αναγνωριστεί και θα ποσοτικοποιηθεί από το προηγούμενο στάδιο της μεταλλογραφικής μελέτης των προϊόντων της διάβρωσης στο υλικό. Η ανάγκη ανάπτυξης αυτού του μοντέλου έγκειται στο γεγονός ότι όπως έχει αναφερθεί στην σχετική βιβλιογραφία η υποβάθμιση των μηχανικών ιδιοτήτων οφείλεται στην μείωση της ενεργού διατομής, στην δημιουργία τοπικής ψαθυροποιημένης ζώνης λόγω υδρογόνου και στην ύπαρξη γεωμετρικών χαρακτηριστικών συγκέντρωσης τάσης τα οποία δημιουργούνται λόγω της ανομοιόμορφης βλάβης λόγω διάβρωσης που προκαλείται στην επιφάνεια του υλικού. Το μοντέλο αυτό θα αποτελέσει ένα υπολογιστικό εργαλείο για την πρόβλεψη της μηχανικής συμπεριφοράς διαβρωμένων δομικών στοιχείων.

Για τη πρόβλεψη της επίδρασης της διάβρωσης στη δομική ακεραιότητα κατασκευαστικών στοιχείων από το κράμα αλουμινίου Al-Cu αναφοράς για διαφορετικές καταστάσεις τεχνητής γήρανσης, θα αναπτυχθεί ένα υπολογιστικό εργαλείο βασισμένο σε αριθμητικές μεθόδους πεπερασμένων (FEM) ή οριακών στοιχείων (BEM), ανάλογα με την ποιότητα των αποτελεσμάτων. Το υπολογιστικό μοντέλο θα λαμβάνει υπόψη την υποβάθμιση των τοπικών ιδιοτήτων εφελκυσμού και τις ανάλογες εφελκυστικές καμπύλες των προ-διαβρωμένων και μη διαβρωμένων δοκιμίων. Το μοντέλο θα μπορεί να εκτιμήσει την δυσθραυστότητα του υλικού και επομένως μπορεί να αποτελέσει ένα εργαλείο σύγκρισης για την επίδραση της διάβρωσης στις διαφορετικές καταστάσεις τεχνητής γήρανσης του κράματος.

Διάρκεια: Μ10-Μ26

ΠΑΡΑΔΟΤΕΑ: 

• Μοντέλο πεπερασμένων/οριακών στοιχείων

• Δημοσίευση εργασιών σε έγκριτα διεθνή επιστημονικά περιοδικά και πρακτικά συνεδρίων (1)

 

Δημοσιοποίηση αποτελεσμάτων και διαχείριση έργου

Στα πλαίσια της δράσης Δ5 θα αναληφθούν οι απαραίτητες πρωτοβουλίες προκειμένου να δημοσιοποιηθούν τα καινοτόμα αποτελέσματα του έργου στους σχετιζόμενους φορείς ενδυνάμει χρήστες της υπο-ανάπτυξη τεχνολογίας. Με σκοπό τη διάχυση των αποτελεσμάτων στην επιστημονική κοινότητα και στη βιομηχανία τα αποτελέσματα του έργου θα δημοσιευθούν σε έγκριτα διεθνή περιοδικά, θα παρουσιαστούν σε συνέδρια, προσκεκλημένες διαλέξεις, συμπόσια, ημερίδες κ.τ.λ.

Διάρκεια: όλο το έργο

ΠΑΡΑΔΟΤΕΑ: 

• Εξαμηνιαία δελτία παρακολούθησης

• Ετήσιες εκθέσεις προόδου

• Τελική έκθεση φυσικού και οικονομικού αντικειμένου του έργου