H υποβάθμιση της δομικής ακεραιότητας των γηρασμένων κατασκευών αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα σύγχρονα τεχνολογικά προβλήματα, και ειδικότερα το πρόβλημα του ‘γηράσκοντος’ Αεροσκάφους αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα της Αεροπορικής Βιομηχανίας. Τεχνολογικά το πρόβλημα της γήρανσης της δομής του αεροσκάφους είναι ένα πρόβλημα κόπωσης. Οι περιοχές των συνδέσεων στην άτρακτο ενός αεροσκάφους αποτελούν υψηλά καταπονούμενες περιοχές της δομής, με αποτέλεσμα τη δημιουργία πολλών μικρών ρωγμών στα ελάσματα του περιβλήματος της ατράκτου γύρω από τις οπές (ευρείας έκτασης βλάβη κόπωσης – wide spread fatigue damage). Με το χρόνο λειτουργίας οι ρωγμές αυτές εξελίσσονται και αλληλεπιδρούν. Η κατάσταση αυτή, που ονομάζεται κατάσταση πολλαπλής βλάβης (Multi-Side-Damage) υποβαθμίζει σημαντικά τη φέρουσα ικανότητα του κατασκευαστικού μέρους και μπορεί να οδηγήσει σε απώλεια της δομικής του ακεραιότητας. Η ύπαρξη διάβρωσης επιτείνει σημαντικά το πρόβλημα της δομικής ακεραιότητας του γηράσκοντος αεροσκάφους. Στις υψηλά καταπονούμενες περιοχές της δομής η ύπαρξη διάβρωσης με την ταυτόχρονη παρουσία ρωγμών κόπωσης μπορεί να οδηγήσει σε απώλεια της δομικής ακεραιότητας με καταστροφικές συνέπειες. Πρόσφατες έρευνες [3,4] έδειξαν, ότι η διάβρωση τυπικών αεροπορικών κραμάτων των σειρών 2xxx (π.χ. 2024) 6xxx (π.χ. 6013) και 7xxx (π.χ.7075) σε διαβρωτικό περιβάλλον αποφλοίωσης (EXCO) αλλά και σε φυσική διάβρωση, οδηγεί σε υποβάθμιση του ορίου διαρροής και του ορίου θραύσης των υλικών, κυρίως όμως υποβαθμίζει δραματικά την παραμόρφωση θραύσης και τη ικανότητα των υλικών να αποταμιεύουν μηχανική ενέργεια πριν την θραύση, δηλαδή την αναμενόμενη ανοχή τους στη βλάβη κόπωσης. Η υποβάθμιση αυτή των ιδιοτήτων αποδόθηκε σε ψαθυροποίηση των κραμάτων αλουμινίου που προκαλείται από τη διάβρωση λόγω προσρόφησης και παγίδευσης υδρογόνου σε συγκεκριμένες παγίδες στην μικροδομή του υλικού που εξαρτώνται από το κραματικό σύστημα [56,59,62,68]. Στην παρούσα διατριβή πραγματοποιήθηκε πειραματική και θεωρητική διερεύνηση της επίδρασης της διάβρωσης στα χαρακτηριστικά κόπωσης και θραύσης του κράματος αλουμινίου 2024. / Loss of structural integrity is one of the most significant threats for ageing structures. The occurrence of Multiple Site Damage (MSD), that implies the simultaneous existence of several interacting fatigue cracks at various locations of a structural element can degrade the structural strength and service life of a structure. The occurrence of MSD in older airplanes was highlighted by the “Aloha accident” [49] at 1988, when a Boeing 737 of Aloha Airlines with a service life of nearly 90000 flights suffered an in-flight failure of a portion of the fuselage. The occurrence of corrosion presents an additional significant cause of structural degradation. As the service time for an aircraft structure increases, there is an increasing probability that corrosion will interact with other forms of damage, such as single fatigue cracks or MSD in the form of widespread cracking at regions of high stress gradients; it can result to loss of structural integrity and may lead to fatal consequences. Thus, the effect of corrosion on the damage tolerance ability of advanced aluminum alloys calls for a very diligent consideration to problems associated with the combined effect of corrosion and MSD mechanisms. Extensive experimental data referring to accelerated laboratory corrosion tests, have shown a significant reduction of material mechanical properties, leading to a decrease of the load bearing capacity of the corroded structural member. It has been recognized that, this decrease is associated with hydrogen embrittlement, as hydrogen produced during the corrosion process may diffuse into the material and be trapped at different trapping sites depending on the alloy system [56,62,68]. In the present thesis, experimental and numerical investigations have been carried out in the Laboratory of Technology and Strength of Materials of the University of Patras to study the influence of corrosion on the damage tolerance and fracture toughness characteristics of the high strength aluminum alloy 2024.

- / -

Το θέμα αυτής της διπλωματικής είναι παρασκευή άμορφων μεταλλικών συμπαγών κραμάτων με τήξη σε βολταϊκό τόξο και ο χαρακτηρισμός της δομής τους και των μηχανικών ιδιοτήτων τους. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται εισαγωγή στη δομή των υλικών και επεξηγούνται βασικές έννοιες των άμορφων υλικών και επίσης παρουσιάζονται οι κυριότερες εφαρμογές των άμορφων μεταλλικών συμπαγών κραμάτων. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφονται οι τεχνικές που χρησιμοποιούνται για την παρασκευή άμορφων συμπαγών μεταλλικών κραμάτων και στο τρίτο κεφάλαιο αναφέρονται οι κυριότερες φυσικές ιδιότητες των άμορφων μεταλλικών συμπαγών κραμάτων. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η βαθμονόμηση της συσκευής περίθλασης ακτίνων Χ και της συσκευής παραγωγής και μέτρησης υπερήχων που χρησιμοποιήθηκαν για την μέτρηση των δειγμάτων που παρασκευάστηκαν στο εργαστήριο. Στο πέμπτο κεφάλαιο περιγράφεται ο τρόπος παρασκευής των άμορφων κραμάτων ζιρκονίου (Zr) και σιδήρου (Fe) και επίσης παρουσιάζονται και αναλύονται τα XRD διαγράμματα τους και τα μέτρα ελαστικότητας Young (E), διάτμησης (G) και όγκου (B). Τέλος στο έκτο κεφάλαιο αναφέρονται άλλες μετρήσεις που θα μπορούσαν να γίνουν για να χαρακτηριστούν τα παραπάνω δείγματα και περιγράφονται οι προοπτικές των άμορφων κραμάτων σιδήρου ως αντικείμενο έρευνας για το μέλλον. / The subject of this diploma thesis is the preparation of bulk amorphous metallic alloys with arc-melting technique and the characterization of their structure and their mechanical properties. The first chapter is an introduction to the structure of materials and it is explaine the basic concepts of amorphous materials. It is also present the main applications of bulk amorphous metallic alloys. The second chapter describes the techniques that used in the preparation of bulk amorphous metallic alloys and the third chapter refers the main physical properties of bulk amorphous metallic alloys. The fourth chapter describes the calibration of X-ray diffractοmeter and ultrasound measurement system that used for measuring the samples that have been prepared in the laboratory. In the fifth chapter is described the preparation of amorphous zirconium based (Zr) and iron based (Fe) alloys and also is presented and isanalyzed their XRD patterns and also their elastic moduli, like Young modulus(E), shear modulus (G) and bulk modulue (B). Finally the sixth chapter refers to other measurements that could be used to charactirize the samples that prepared and describes the prospects of amorphous iron based alloys as a research subject for the future.

Ο θερμομηχανικός χαρακτηρισμός του κράματος NiTi και η ενσωμάτωση του σε πολυμερική μήτρα με στόχο τη γέννηση εσωτερικών μηχανικών τάσεων όταν υπάρξει θερμική διέγερση, είναι επιγραμματικά ο σκοπός της παρούσας εργασίας. Το ‘ευφυές’ σύστημα που μελετάται στην εργασία αυτή αποτελείται από εποξειδική ρητίνη, ενισχυμένη με ίνες Kevlar 29 και ενσωματωμένα σύρματα Νικελίου-Τιτανίου. Στο πρώτο πειραματικό μέρος, περιλαμβάνεται η μελέτη και ο θερμομηχανικός χαρακτηρισμός του υλικού. Χρησιμοποιήθηκαν σύρματα NiTi διαμέτρου 0.3mm, αλλά και ράβδοι για τη διεξαγωγή κάποιων συγκεκριμένων πειραμάτων. Οι πειραματικές τεχνικές περιλαμβάνουν μηχανικά πειράματα εφελκυσμού σε σερβοϋδραυλικό πλαίσιο δοκιμών, ηλεκτρονιακή μικροσκοπία σάρωσης (SEM), οπτική μικροσκοπία, χρήση θερμοκάμερας υπερύθρου ακτινοβολίας, διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης (DSC), δυναμική μηχανική ανάλυση (DMA), μέτρηση ηλεκτρικών ιδιοτήτων καθώς και ένα πρωτοποριακό σύστημα χαρακτηρισμού υλικών (σύστημα THERMIS), που αναπτύχθηκε στο εργαστήριο. Το δεύτερο τμήμα, περιλαμβάνει τη μελέτη του υβριδικού σύνθετου υλικού. Η παρασκευή του πραγματοποιείται σε αυτόκλειστο φούρνο (autoclave) και για την ενεργοποίηση του και την καταγραφή των παραμέτρων κατά τη λειτουργία του, χρησιμοποιείται το σύστημα THERMIS. Για να επιτευχθεί η σύγκριση μεταξύ της συμπεριφοράς του κράματος όταν αυτό ενεργοποιείται με και χωρίς την πολυμερική μήτρα να το περιβάλει, έχουν επιλεγεί δύο τύποι πειραμάτων: συνεχής ενεργοποίηση για μεγάλο χρονικό διάστημα (χαλάρωση τάσης ενεργοποίησης - activation stress relaxation) και κυκλική ενεργοποίηση-απενεργοποίηση για μεγάλο αριθμό επαναλήψεων (λειτουργική κόπωση – transformation fatigue). Τα πειράματα της λειτουργικής κόπωσης στα σύρματα, έδειξαν ότι η αρχική αναπτυσσόμενη τάση, μειώνεται εκθετικά, συναρτήσει των κύκλων ενεργοποίησης. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, η κοπωτική συμπεριφορά του σύρματος, δεν εξαρτάται από τη διάρκεια του χρόνου θέρμανσης ανά κύκλο, αλλά από τον αριθμό των κρυσταλλογραφικών μετασχηματισμών μεταξύ οστενιτικής - μαρτενσιτικής φάσης και αντίστροφα. Ο ρυθμός υποβάθμισης της ικανότητας του κράματος να ασκεί μηχανική τάση, είναι πολύ έντονος κατά τη διάρκεια των πρώτων εκατοντάδων κύκλων και μειώνεται όσο το φαινόμενο εξελίσσεται. Στα σύνθετα υλικά, όπως και στην περίπτωση των συρμάτων SMA, η υποβάθμιση της λειτουργικής ικανότητας των υβριδικών συνθέτων, φαίνεται ότι δεν εξαρτάται από το χρόνο της θέρμανσης ανά κύκλο, αλλά μόνο από το πλήθος των κρυσταλλογραφικών εναλλαγών. Στα πειράματα χαλάρωσης τάσης, η αρχική τάση των συρμάτων ήταν γύρω στα 500MPa και σύμφωνα με τα πειραματικά αποτελέσματα, με την πάροδο του χρόνου και υπό την επίδραση της θερμοκρασίας, λαμβάνει χώρα εκθετική μείωση του μεγέθους της. Το επίπεδο της θερμοκρασίας λειτουργίας, επηρεάζει δραματικά την υποβάθμιση της μηχανικής αναπτυσσόμενης τάσης, της οποίας ο ρυθμός είναι ιδιαίτερα αυξημένος κατά τις πρώτες ώρες λειτουργιάς του υλικού. Ποιοτικά, το ίδιο φαινόμενο συμβαίνει και στην περίπτωση της χαλάρωσης τάσης ενεργοποίησης των υβριδικών συνθέτων, με τη διαφορά ότι η υποβάθμιση είναι σαφώς πιο έντονη. Προτείνεται τέλος, η μελέτη της υποβάθμισης της ικανότητας των ενεργοποιητών, με βάση στατιστικά εργαλεία και μεθόδους, κατά αναλογία με άλλα κοπωτικά φαινόμενα στη φύση (κυρίως στη μηχανική), εφόσον ουσιαστικά πρόκειται για ακολουθία δράσεων που τελικά οδηγούν στην απώλεια της ικανότητας των υλικών μας να ασκούν τάση. Συνηγορεί εξάλλου σε αυτό και η μορφή των πειραματικών καμπυλών, που παρουσιάζουν μεγάλη ομοιότητα με τις αντίστοιχες καμπύλες S/N, στη μηχανική κόπωση των υλικών. / The present work, aims to the thermo-mechanical characterization of the NiTi Shape Memory Alloy and the characterization of ‘smart’ hybrid composites with embedded SMAs, under thermal activation. The composite structure that is being investigated consists of an epoxy resin matrix, Kevlar 29 fibers and NiTi SMA wires. The first experimental section deals with the thermo mechanical characterization of the Shape Memory Alloy. 0.3 mm in diameter wires were used. The experimental techniques, include mechanical tests using a servo-hydraulic testing apparatus, scanning electron microscopy (SEM), optical microscopy, thermal IR camera imaging, differential scanning calorimetry (DSC), dynamic mechanical analysis (DMA), electrical measurements and a novel thermo mechanical characterization system (Thermis), which was tailor made according to the needs of this project. The second experimental section deals with the characterization of the composite material, which was developed using a special purpose furnace (autoclave) and was tested on the Thermis system. In order to compare the functionality of the SMA either in free condition or embedded in a polymer matrix, two experiments were chosen: continuous activation for a long time (activation stress relaxation) and recurrent thermal activation (transformation fatigue). The transformation fatigue experiments showed that the initially developed mechanical stress, reduces exponentially, according to the number of the crystalline transformations. The functional fatigue life of the alloy, does not depend on the heating time per cycle, but is strongly correlated to the number of the recurrent transformation between martensite and austenite. The stress reduction rate is increased during the first cycles and reduces as the phenomenon develops. As it concerns the composite materials, like the SMA wire case, the reduction of the stress generation capability, is not affected by the heating time per cycle, and is only related to the number of the crystalline transformations. During the stress relaxation experiments, the initial developed stress of the wires was about 500 MPa and according to the experimental results, as time passes and under the influence of the thermal field, the stress reduces exponentially. The temperature level strongly affects the reduction phenomenon and the reduction rate is very high during the first hours of the experiment. The same behavior is observed not only at the SMA wires but also at the composites, as well, noting that reduction in the later case is much more intense. At the end, the study of the fatigue and relaxation phenomena, using a statistical approach, is suggested, like many other fatigue cases in nature (especially in mechanics). The fatigue curves presented here resemble to the S/N curves that can derived from the case of mechanical fatigue of other structural materials, like steel or CFR composites.

Διαχρονικά, ένας από τους βασικότερους στόχους της αεροπορικής βιομηχανίας είναι η μείωση του βάρους των αεροχημάτων προκειμένου να επιτευχθεί αύξηση του οφέλιμου φορτίου και παράλληλα μείωση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων μέσω της μείωσης εκπομπής ρύπων. Στο πλαίσιο αυτό, η αξιοποίηση ελαφρύτερων μεταλλικών υλικών, όπως είναι για παράδειγμα τα κράματα μαγνησίου, μπορεί να αποτελέσει σημαντική τεχνολογική καινοτομία. Παρολ’ αυτά, μέχρι σήμερα η χρήση των κραμάτων μαγνησίου, και ειδικότερα των ελατών προιόντων, είναι εξαιρετικά περιορισμένη κυρίως λόγω της υψηλής διαβρωτικότητάς τους και δευτερευόντως λόγω της υποδεέστερης συμπεριφοράς ανοχής σε βλάβη σε σύγκριση με τα ευρέως χρησιμοποιούμενα κράματα αλουμινίου και τιτανίου. Στην παρούσα εργασία πραγματοποιείται μια συστηματική μελέτη της μηχανικής συμπεριφοράς δύο προηγμένων ελατών κραμάτων μαγνησίου της οικογένειας ΑΖ, συγκεκριμένα του ΑΖ31 και του ΑΖ61, λαμβάνοντας υπόψη τους μηχανισμούς παραμόρφωσης, συσσώρευσης βλάβης και αστοχίας που λαμβάνουν χώρα στη μικροδομή των υλικών. Ιδιαίτερη βαρύτητα δίνεται στη συμπεριφορά κόπωσης του κράματος ΑΖ31. Επιπλέον, μελετάται η επίδραση της προηγηθείσας βλάβης διάβρωσης στη μηχανική συμπεριφορά των υλικών. Για την αξιολόγηση της μηχανικής επίδοσης των εν λόγω κραμάτων πραγματοποιήθηκε εκτενής πειραματική μελέτη η οποία περιελάμβανε το χαρακτηρισμό της μικροδομής των υλικών, μηχανικές δοκιμές εφελκυσμού, κόπωσης και διάδοσης ρωγμής κόπωσης τόσο σε αδιάβρωτα όσο και σε προ-διαβρωμένα δοκίμια και ακολούθησε μεταλλογραφική ανάλυση και μελέτη των επιφανειών θραύσης των αντίστοιχων δοκιμίων των πειραματικών δοκιμών. Τα αποτελέσματα των δοκιμών εφελκυσμού έδειξαν ανισοτροπία των υλικών στις διευθύνσεις έλασης και κάθετα σε αυτήν. Από τη μεταλλογραφική ανάλυση που επακολούθησε προέκυψε ότι η παρατηρούμενη ανισοτροπία έχει αφετηρία τη γωνιακή διασπορά των πόλων των επιπέδων βάσης του κρυσταλλικού πλέγματος του υλικού. Επιπλέον, από το μεταλλογραφικό έλεγχο παρατηρήθηκε εμφανής διακύμανση της πυκνότητας των διδυμιών κατά μήκος των δοκιμίων εφελκυσμού και διαπιστώθηκε ο καθοριστικός ρόλος των διδυμιών στην πλαστική διαρροή στη διεύθυνση της έλασης. Ως προς τη συμπεριφορά κόπωσης, παρατηρήθηκε ότι οι καμπύλες S-N παρουσιάζουν μια πολύ ήπια μετάβαση από την περιοχή της ολιγοκυκλικής στην πολυκυκλική κόπωση, δηλαδή ότι η διάρκεια ζωής σε κόπωση εξαρτάται ισχυρά από μικρές μεταβολές της τάσης. Οι ρωγμές κόπωσης στο κράμα ΑΖ31 εκκινούν πρόωρα σε σημεία ασυμβατότητας πλαστικής παραμόρφωσης (π.χ. όρια των κόκκων) λόγω της αδυναμίας ενεργοποίησης των απαραίτητων 5 συστημάτων ολίσθησης που απαιτεί το κριτήριο του von Mises. Ως εκ τούτου το υλικό οδηγείται σε ψαθυρούς μηχανισμούς εκκίνησης και διάδοσης των ρωγμών κόπωσης. Για την καλύτερη κατανόηση του μηχανισμού κόπωσης του κράματος ΑΖ31 πραγματοποιήθηκαν δοκιμές νανο-διεισδύσεων σε διαφορετικά ποσοστά της διάρκειας ζωής προκειμένου να γίνει αντιληπτός ο μηχανισμός συσσώρευσης βλάβης στο αρχικό στάδιο της συνολικής διαδικασίας. Τα αποτελέσματα των εν λόγω δοκιμών έδειξαν ότι η επιφανειακή σκληρότητα του υλικού δεν παρουσιάζει ουσιαστική μεταβολή με τους κύκλους καταπόνησης μέχρι την εμφάνιση της ρωγμής. Τα στοιχεία αυτά αποτελούν μια ισχυρή ένδειξη ότι το υλικό αδυνατεί να συσσωρεύσει βλάβη υπό τη μορφή κυκλικής πλαστικότητας, με αποτέλεσμα την πρόωρη εκκίνηση των ρωγμών κόπωσης. Οι μηχανικές δοκιμές σε προ-διαβρωμένο υλικό έδειξαν, όπως ήταν αναμενόμενο, μια σημαντική υποβάθμιση της συνολικής μηχανικής συμπεριφοράς των υλικών. Η υποβάθμιση αυτή αποδίδεται στην προοδευτική ανάπτυξη των τριμμάτων διάβρωσης κάτω από εφελκυστικά φορτία. Τα τρίμματα διάβρωσης δρούν ως εγκοπές, αυξάνοντας τοπικά την τάση και παράλληλα μειώνοντας τη φέρουσα διατομή των δοκιμίων, με αποτέλεσμα το υλικό να αστοχεί χωρίς να προλάβει να δεχθεί σημαντικές πλαστικές παραμορφώσεις. Στην περίπτωση της κυκλικής φόρτισης η παρουσία των εγκοπών διάβρωσης έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία συγκέντρωσης τάσεων στα άκρα τους, διευκολύνοντας έτσι την εκκίνηση και διάδοση των ρωγμών κόπωσης. Συμπερασματικά, η παρούσα εργασία παρέχει σαφείς ενδείξεις ότι το κύριο μειονέκτημα των κραμάτων μαγνησίου για χρήση σε αεροπορικές δομές είναι η συμπεριφορά κόπωσης, η οποία αποδίδεται στην κρυσταλλική δομή του μαγνησίου, και δευτερεύον μειονέκτημα είναι η υψηλή διαβρωτικότητα αυτών των υλικών η οποία οδηγεί σε σημαντική υποβάθμιση της μηχανικής συμπεριφοράς. / Permanent objective of the aeronautical industry is the weight reduction of airframe, systems and interior components in order to increase operational capacity and reduce environmental impact via reduction of fuel consumption. In this frame, the utilization of low weight materials, like magnesium alloys, could represent a break through solution. Yet, the aeronautical application of magnesium alloys remains very limited due to the high corrosion susceptibility and the poor damage tolerance behaviour as compared to other structural alloys like aluminum and titanium. In the present work, a systematic investigation of the mechanical behaviour of two advanced rolled AZ magnesium alloys, namely AZ31 and AZ61, was conducted by taking into account the deformation mechanisms, damage accumulation mechanisms and failure mechanisms taking place in the microstructure of the materials. The present work mainly focuses on the fatigue behaviour of AZ31 alloy. Furthermore, the effect of prior corrosion damage on the mechanical behaviour has also been assessed. To accomplish the above objective a thorough experimental investigation was performed including microstructural characterization, tensile tests, constant amplitude fatigue tests and constant amplitude fatigue crack growth tests on both parent and pre-corroded specimens. The experimental results were supported by extensive metallographic and fractographic investigation. The tensile tests performed revealed anisotropy of the yield strength of the materials between rolling and transverse direction. The metallographic analysis has shown that the observed anisotropy is attributed to the near basal texture of the alloys and the angular spread of basal poles towards the rolling direction. Furthermore, the metallographic investigation indicates a clear variation in twinning density across the specimen length and the decisive role of twins in plastic deformation has been pointed out. Concerning the fatigue behaviour, it was observed that the S-N curves exhibit a very smooth transition from low to high cycle fatigue regime, indicating very high stress sensitivity on the fatigue life of the materials. Fatigue cracks in AZ31 alloy initiate in an early stage between strain incompatibility points (e.g. grain boundaries) due to difficulties in satisfying the von Mises criterion. As a result, the initiation and propagation mechanisms of the fatigue cracks are characterized as cleavage. In order to understand the fatigue mechanism of magnesium alloy AZ31 in the early stages of fatigue damage accumulation process, nano-indentation measurements at different percentages of the fatigue life of the AZ31 alloy have been performed and hardness alteration was obtained. The obtained results have shown that nano-hardness remains unchangeable with fatigue cycles until crack initiation. This has been interpreted as a lack of the material’s ability to accumulate damage in terms of cyclic plasticity at the early stages resulting in very early crack initiation. This is a major disadvantage for application where fatigue life is of primary importance. The mechanical tests on pre-corroded specimens have shown a significant degradation of the overall mechanical behaviour of the materials. Tensile properties degradation due to prior corrosion damage is attributed to the progressive notch effect of the developed pits, which increase locally the applied stress and in parallel reduce the ability of the material to accumulate large amounts of plastic deformation. In the case of cyclic loading the presence of corrosion pits results in the development of stress concentration, facilitating essentially the initiation and propagation of fatigue cracks. Concluding, the present work provides evidence that the major disadvantage of magnesium alloys for use in aeronautical structures is their fatigue behaviour, which is attributed to the hexagonal structure of magnesium, and secondarily the high corrosion susceptibility of magnesium which leads to significant degradation of the mechanical performance of the alloys.

Η ανάπτυξη νέων τεχνολογιών ανανεώσιμων πηγών ενέργειας τα τελευταία χρόνια, έχει γίνει αναγκαία με τη συνεχόμενη περιβαλλοντική ρύπανση και την αλόγιστη σπατάλη των φυσικών πόρων. Οι τεχνολογίες υδρογόνου και ειδικά η παραγωγή υδρογόνου μέσω της διαδικασίας της ηλεκτρόλυσης έχει αρχίσει να κερδίζει σημαντικό έδαφος τα τελευταία χρόνια με τη συνεχιζόμενη ανακάλυψη νέων υλικών, αποδοτικών και με χαμηλό κόστος. Στην παρούσα εργασία θα αναλύσουμε την τεχνολογία παραγωγής υδρογόνου με ηλεκτρόλυση καθώς και την παρασκευή υλικών με τη μέθοδο της ηλεκτροχημικής εναπόθεσης διμεταλλικών και τριμεταλλικών λεπτών υμενίων μεταβατικών μετάλλων με βάση το Νικέλιο (Ni). Τα κράματα Νικελίου με προσθήκη άλλων μετάλλων όπως Fe, Co, Mo κ.α. έχουν τεράστιο ερευνητικό ενδιαφέρον λόγω των πολύ καλών ηλεκτροκαταλυτικών ιδιοτήτων που παρουσιάζουν όσον αφορά την παραγωγή υδρογόνου, καθώς παρουσιάζουν καλύτερες ιδιότητες και από την Πλατίνα(Pt), που αποτελεί το αποδοτικότερο αλλά και το ακριβότερο μέταλλο που έχει χρησιμοποιηθεί ως καταλύτης για παραγωγή υδρογόνου. Η τεχνολογία της ηλεκτροχημικής εναπόθεσης λεπτών υμενίων προσφέρει υλικά πορώδη, αποδοτικά, φθηνά και ανθεκτικά σε συνθήκες έντονο αλκαλικού και όξινου περιβάλλοντος. Τα υλικά που παρασκευάσαμε ήταν NiFe, NiFeZn, NiCoZn, NiCoFeZn και NiMoZn. Κύριος στόχος της εργασίας αυτής ήταν η μελέτη των συνθηκών της ηλεκτροχημικής εναπόθεσης και ο τρόπος με τον οποίο επηρεάζουν τη μορφολογία και τις ιδιότητες των λεπτών υμενίων. Αρχικά μελετήσαμε τα υμένια σε πραγματικές συνθήκες ηλεκτρόλυσης, μετρώντας την παραγωγή υδρογόνου για συγκεκριμένες πάντα συνθήκες. Στη συνέχεια έγιναν μετρήσεις υπερδυναμικού παραγωγής υδρογόνου και από τα δεδομένα αυτά και με τη βοήθεια των διαγραμμάτων Tafel υπολογίσαμε ηλεκτροκαταλυτικούς συντελεστές όπως η πυκνότητα ρεύματος ανταλλαγής και η κλίση Tafel. Τέλος μετρήσεις σε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM) και στοιχειακές αναλύσεις (EDX) μας έδωσαν μια πιο ολοκληρωμένη εικόνα για την επίδραση των συνθηκών της ηλεκτροχημικής εναπόθεσης στην μορφολογία της επιφάνειας των λεπτών υμενίων και των ιδιοτήτων τους. Μελετήσαμε τις ηλεκτροκαταλυτικές ιδιότητες ενός νέου υλικού (NiCoFeZn), καταλήγοντας στο συμπέρασμα ότι είναι ένα πολλά υποσχόμενο υλικό για την παραγωγή υδρογόνου και για το λόγο αυτό πρέπει να μελετηθεί εκτενέστερα, καθώς σήμερα χρησιμοποιείται κυρίως ως μαγνητικό υλικό. / The continuous environmental pollution and the depletion of natural resources have brought forward the need for the development of new renewable energy technologies. Hydrogen technologies and especially electrolytic hydrogen production, has gained considerable ground in the recent years due to the discovery of new, efficient and low cost alloy compounds. In this work we analyze the electrolytic hydrogen production and the fabrication of electrodeposited binary and ternary Nickel-based thin film alloys. The addition of the Fe, Co, Mo transition metals in Nickel-based alloys is of great interest in terms of research, because of their great electrocatalytic properties and high hydrogen production. These alloys even surpass Platinum (Pt), which is the most efficient yet also one of the most expensive metal used as hydrogen production catalyst. The electrodeposition of thin film alloys, offers porous, inexpensive and resistive in basic and acidic environment, compounds. The alloys we fabricated were NiFe, NiFeZn, NiCoZn, NiCoFeZn and NiMoZn. Our main goal was to study the electrodeposition process conditions and the manner in which they affect the morphology and the properties of the thin film alloys. At first we studied the electrocatalytic properties of the thin film alloys during the electrolytic production process using the same conditions every time. The next step was to measure the hydrogen production overvoltage and the estimation of electrocatalytic constants such as the exchange current density and the Tafel slope using the Tafel diagrams. Finally SEM micrographs and EDX stoichiometry analysis gave more accurate results on the morphology and the electrocatalytic properties of the thin film alloys. We also studied the electrocatalytic properties of a new compound (NiCoFeZn), which is in fact a very promising compound for the electrolytic hydrogen production. Today the research around this material is mainly focused on its magnetic properties, so a thorough study of its catalytic properties would be of great importance.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται την κατασκευή και τον έλεγχο ενός καινοτόμου τεχνητού χεριού, για προσθετικές κυρίως εφαρμογές, κάνοντας χρήση βιομιμητικών ενεργοποιητών και πιο συγκεκριμένα ειδικά κατεργασμένων λεπτών κυλινδρικών αγωγών από μορφομνήμονα μεταλλικά κράματα νικελίου-τιτανίου. Εκμεταλλευόμενοι τα συγκριτικά πλεονεκτήματα των ενεργοποιητών αυτών έναντι των αντίστοιχων συμβατικών, αναπτύσσεται μια πλήρως λειτουργική συσκευή με μικρό μέγεθος και βάρος, ανθρωπομορφική εμφάνιση, αθόρυβη λειτουργία και χαμηλό κόστος κατασκευής και συντήρησης, ικανή να εκπληρώσει σε μεγάλο βαθμό τις απαιτήσεις των ατόμων με αναπηρία στα άνω άκρα. Για τη φυσική υλοποίηση του σκελετού του τεχνητού αυτού χεριού χρησιμοποιείται η τεχνολογία της ταχείας προτυποποίησης. Καθένα από τα πέντε δάκτυλά του ελέγχεται ανεξάρτητα μέσω ενός υπο-ενεργοποιούμενου μηχανισμού κίνησης με τεχνητούς τένοντες. Για τον έλεγχο θέσης κάθε δακτύλου, αναπτύσσεται και εφαρμόζεται μία νέα μέθοδος ελέγχου βασισμένη στην έμφυτη δυνατότητα ανάδρασης θέσης των προαναφερθέντων ενεργοποιητών μέσω μέτρησης της ηλεκτρικής τους αντίστασης. Επιπλέον, αναπτύσσεται κατάλληλος αλγόριθμος για τον σχηματισμό διαφόρων θέσεων και συλλήψεων του τεχνητού χεριού. Για τη βελτίωση του ελέγχου, το χέρι εξοπλίζεται με αισθητήρες αφής στα ακροδάκτυλα, καθώς και με τη δυνατότητα οδήγησης συσκευών οπτικής και απτικής ανάδρασης. Όλα τα ηλεκτρονικά κυκλώματα που είναι απαραίτητα για την οδήγηση των ενεργοποιητών και τον έλεγχο του χεριού αναπτύσσονται και ενσωματώνονται στο εσωτερικό του φυσικού πρωτοτύπου. Με τη βοήθεια ειδικού προγραμματιστικού πακέτου, σχεδιάζεται μία γραφική διεπαφή ελέγχου μέσω της οποίας μελετάται και αξιολογείται η δυνατότητα του αναπτυχθέντος χεριού σε πειράματα σύλληψης διαφόρων αντικειμένων. Τέλος, προτείνονται διάφορες τεχνικές ελέγχου του χεριού από τους χρήστες του, ενώ αναπτύσσεται και κατάλληλος αλγόριθμος ελέγχου βασισμένος στη χρήση ηλεκτρομυογραφικών σημάτων. / This doctoral thesis presents the development and control of an innovative artificial hand, mostly for use in prosthetic applications, utilizing biomimetic actuators, and, more specifically, specially processed thin cylindrical wires made of shape memory nickel-titanium alloys. By exploiting the comparative advantages of these actuators over the conventional ones, a fully functional device is developed, of low size and weight, anthropomorphic appearance, silent operation, low fabrication and maintenance cost, which is capable of satisfying to a great extent the needs of the upper limb amputees. The physical implementation of the chassis of this artificial hand has been performed using rapid prototyping technology. Each of its five digits is independently controlled via a tendon-driven underactuated mechanism. For the position control of each digit, a novel control scheme is devised and implemented based on the inherent position feedback capability of these actuators via the measurement of their electrical resistance. In addition, the necessary algorithm is developed for the formation of various hand postures and prehension patterns. In order to improve the overall hand control, the hand is equipped with tactile sensors at its fingertips, and is also capable of driving optical and tactile feedback devices. All the necessary electronics for driving the actuators and controlling the hand are developed and embedded inside the physical prototype. Using a special programming package, a graphical user interface is designed, through which the grasp capabilities of the developed hand are studied and evaluated for various objects. Finally, several user control techniques of the hand are proposed, and a control algorithm based on the use of electromyographic signals is also developed.

Η ανάπτυξη ευφυών υλικών, ή καλύτερα ευφυών συστημάτων, βασίζεται στην αξιοποίηση των λειτουργικών ιδιοτήτων μιας σειράς υλικών με κυριότερους εκπροσώπους τα υλικά με μνήμη σχήματος, τα ηλεκτρορεολογικά αιωρήματα και τα πιεζο/σιδηροηλεκτρικά στοιχεία. Το επιστημονικό και τεχνολογικό πεδίο των «ευφυών υλικών» επιχειρεί να αναπτύξει συστήματα υλικών των οποίων η επιτυχία δε θα βασίζεται στην εκπλήρωση πολύ υψηλών και σταθερών προδιαγραφών, αλλά στη δυνατότητα ελεγχόμενης μεταβολής της συμπεριφοράς τους. Η εργασία αυτή αναφέρεται σε κράματα με μνήμη σχήματος και στη μελέτη των συντελούμενων σε αυτά κρυσταλλογραφικών μετασχηματισμών, με τη μέθοδο της διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης και τη μέθοδο της δυναμικής μηχανικής ανάλυσης. Στόχος της παρούσας εργασίας ήταν η μελέτη των μετασχηματισμών φάσεων προτανυσμένων συρμάτων SMA που είναι ενσωματωμένα στο εσωτερικό πολυμερικής μήτρας. Για λόγους αναφοράς εξετάσθηκε και η θερμική απόκριση των συνιστωσών υλικών. Το πρώτο μέρος της εργασίας προσφέρει μια βιβλιογραφική επισκόπηση του αντίστοιχου επιστημονικού πεδίου και το δεύτερο μέρος αναφέρεται στην πειραματική μελέτη του ίδιου θέματος. Στη συνέχεια δίνεται μια συνοπτική περιγραφή της διάρθρωσης της παρούσης εργασίας. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται λόγος για τα ευφυή υλικά. Ως ευφυή υλικά αναφέρονται συστήματα που έχουν την ικανότητα να μεταβάλλουν τη συμπεριφορά τους ή ορισμένα χαρακτηριστικά τους (σχήμα, ιδιοσυχνότητα, συντελεστή απόσβεσης δονήσεων και άλλα) με δεδομένο και ελεγχόμενο τρόπο, εξ’ αιτίας μιας διέγερσης. Τα συστήματα αυτά ενσωματώνουν αισθητήρες και ενεργοποιητές, οι οποίοι συνδέονται μεταξύ τους με έναν κατάλληλο βρόχο ελέγχου. Στο ίδιο κεφάλαιο αναφέρονται τα υλικά που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως αισθητήρες και ενεργοποιητές και οι τύποι τους, τα είδη ελέγχου που έχουν επιτευχθεί, καθώς και εφαρμογές των ευφυών συστημάτων. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στα σύνθετα υλικά. Ως σύνθετο υλικό χαρακτηρίζεται ένα σύστημα δύο ή περισσότερων, διαφορετικών σε σύσταση και χημική δομή, υλικών τα οποία είναι φυσικά συνδεδεμένα μεταξύ τους. Τα σύνθετα υλικά αποτελούνται από μια συνεχή φάση, που λέγεται «μήτρα», ενισχυμένη με κάποιο υλικό που συνήθως αποκαλείται «ενισχυτικό ή πληρωτικό μέσο» και μια τρίτη φάση τη «διεπιφάνεια». Στο κεφάλαιο αυτό αναφέρονται οι κατηγορίες των σύνθετων υλικών, τα είδη μήτρας και εγκλεισμάτων, καθώς και τα χαρακτηριστικά της διεπιφάνειας. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα ευφυή σύνθετα υλικά με ενσωματωμένα σύρματα με μνήμη σχήματος. Τα κράματα με μνήμη σχήματος εμφανίζουν την ικανότητα να μεταβάλλουν αντιστρεπτά ορισμένες φυσικές ιδιότητες του υλικού καθώς και το σχήμα τους. Εδώ αναλύεται ο ευθύς και αντίστροφος μαρτενσιτικός μετασχηματισμός, το φαινόμενο μνήμης σχήματος, τα κυριότερα κράματα μνήμης σχήματος που χρησιμοποιούνται και οι μηχανικές τους ιδιότητες, ενώ γίνεται αναφορά στις δυνατότητες και στους περιορισμούς των κραμάτων στις διάφορες εφαρμογές. Στο τέταρτο κεφάλαιο αναφέρονται τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν για την παρασκευή των ευφυών συστημάτων στην παρούσα εργασία. Αρχικά γίνεται λόγος για τη χημική δομή, τη θερμική κατεργασία και τις εφαρμογές εποξειδικών ρητινών. Στη συνέχεια αναφέρονται οι ίνες Kevlar® και αναλύεται η χημική δομή τους, τα είδη των ινών Kevlar® που υπάρχουν και οι εφαρμογές τους. Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζονται και τα σύρματα με μνήμη σχήματος. Στο πέμπτο κεφάλαιο περιγράφεται ο τρόπος με τον οποίο παρασκευάστηκαν τα σύνθετα με ενσωματωμένα σύρματα με μνήμη σχήματος. Στο έκτο κεφάλαιο αναφέρονται οι πειραματικές τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν για τη μελέτη των δοκιμίων. Εδώ αναφέρονται σε συντομία γενικά στοιχεία για τη μέθοδο της διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης (DSC) και για τη μέθοδο της δυναμικής μηχανικής ανάλυσης (DMA). Επίσης, περιγράφονται οι συσκευές της διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης και της δυναμικής μηχανικής ανάλυσης που χρησιμοποιήθηκαν για τη μελέτη της θερμικής και μηχανικής απόκρισης των δοκιμίων. Στο έβδομο κεφάλαιο παρατίθενται τα πειραματικά αποτελέσματα για δοκίμια Ni-Ti, Ni-Ti-Cu με 6% σε Cu, Ni-Ti-Cu με 12% σε Cu και για σύνθετα δοκίμια NiTi με προτάνυση 3%, NiTiCu (6% Cu) με προτάνυση 2%, NiTiCu (12% Cu) με προτάνυση 3%, που μελετήθηκαν με τη διάταξη της διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης (DSC). Επιπλέον, παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα για σύρματα Ni-Ti-Cu με 12% σε Cu και Ni-Ti, καθώς και για σύνθετα Ni-Ti-Cu (12% Cu) με 3% προτάνυση και για ρητίνη με ίνες Kevlar 29®, που μελετήθηκαν με διάταξη δυναμικής μηχανικής ανάλυσης (DMA). Στο επόμενο κεφάλαιο σχολιάζονται τα αποτελέσματα αυτά, ενώ στο τελευταίο κεφάλαιο αναφέρονται τα συμπεράσματα που προκύπτουν από τη μελέτη των αποτελεσμάτων. / Exploiting the functional properties of materials such as shape memory alloys, electrorheological suspensions and piezo/ferroelectric elements results in the development of smart materials or systems. In the scientific and technological field of smart materials the major achievement is not related to the values of specific physical properties but to the “adopted” ability to control their own behaviour. The subject of the present work concerns the crystallographic transformations of Shape Memory Alloys (SMA) under constrained conditions. The occurring transitions are studied experimentally by means of Differential Scanning Calorimetry (DSC) and Dynamic Mechanical Analysis (DMA). The first part of this work is a bibliographical review of the field, while the second one is the experimental study of the same subject. In the following lines, a short description, of the present thesis is given. The first chapter gives an introduction to smart materials. Composite systems, which under the influence of an external cause, can vary their behaviour or some characteristics (shape, natural vibration frequency, damping coefficient etc) in a specific and controllable way, are referred as smart materials. These systems incorporate sensors and actuators, which in turn are connected by a suitable control loop. Suitable materials for being employed as sensors and actuators, as well as the types of the, up to now, achieved control are also discussed. Chapter two covers briefly, fundamental aspects of composite materials. A system of two or more different, in composition and chemical structure, materials physically bonded between of them is characterised as a composite material. Composite materials are consisted from a continuous phase, often called “matrix”, and a discrete phase, called “reinforcing or filling phase”. Composite materials exhibit always a third phase, namely interface, between matrix and reinforcement. In this chapter the types of composites, matrices, fillers and the characteristics of interface are referred. Chapter three presents smart composite systems with embedded shape memory alloys (SMA). Shape memory alloys have the ability to change, reversibly, a number of characteristics, including their own shape. In this chapter direct and reverse martensitic transformation, shape memory effect, important shape memory alloys and their mechanical properties, as well as a short description of the manufacturing procedure of smart systems with embedded shape memory alloys, is presented. In the fourth chapter the employed materials for the production of the smart systems are discussed. The chemical structure, the curing procedure and the applications of epoxy resins are referred. Aramid fibres, such as Kevlar® fibres are also discussed, connecting their reinforcing role with their microstructure. Chapter five describes analytically the preparation procedure of the specimens. Next chapter describes the main characteristics of differential scanning calorimetry, dynamic mechanical analysis, as well and the devices used to study the thermal and mechanical response of the specimens. Chapters seven and eight present the experimental results of all the examined specimens and the resulting discussion respectively. Finally, concluding remarks and possible future work are included in chapter nine.

Ο χαρακτηρισμός της ποιότητας των χυτών κραμάτων αλουμινίου , γίνεται μέχρι σήμερα μέσω του χαρακτηρισμού της ποιότητας της μικροδομής, μετρήσεων σκληρότητας και πειραμάτων κρούσης και σε μικρότερο βαθμό, δοκιμών εκφυλισμού. Στην παρούσα διατριβή, προτείνεται ένας νέος εμπειρικός δείκτης για τον ποσοτικοποιημένο χαρακτηρισμό της ποιότητας χυτών κραμάτων αλουμινίου. Ο προτεινόμενος δείκτης αξιολογεί την ποιότητα ενός υλικού από την πλευρά του μηχανικού που σχεδιάζει ένα κατασκευαστικό στοιχείο και επομένως την αξιολογεί ως την ικανότητα του υλικού για μηχανικές επιδόσεις. Για την αξιολόγηση αυτή ο προτεινόμενος δείκτης συνεκτιμά την αντοχή και την ολκιμότητα του υλικού σε εκφυλισμό. Παράλληλα, για το χαρακτηρισμό της ποιότητας, ο δείκτης παίρνει υπόψη τη δυσθραυσότητα του υλικού καθώς και τη διασπορά των μηχανικών ιδιοτήτων του υλικού. Η διατύπωση του δείκτη στηρίχτηκε σε έναν ευρείας έκτασης πειραματικό χαρακτηρισμό της μηχανικής συμπεριφοράς σε εφελκυσμό καθώς και της μικροδομής των κυριότερων αεροπορικών χυτών κραμάτων αλουμινίου σε συνάρτηση με τη μεταβολή α) της χημικής σύστασης, β) του ρυθμού στερεοποίησης και γ) της θερμικής κατεργασίας αυτών καθώς και στη διατύπωση εμπειρικών συναρτήσεων για την εξάρτηση των μηχανικών ιδιοτήτων των κραμάτων που εξετάστηκαν από τις παραπάνω μεταβολές των παραμέτρων χύτευσης. Προκειμένου να διευκολυνθεί η αξιοποίηση του δείκτη, διατυπώθηκαν απλουστευμένες προσεγγιστικές εκφράσεις που επιτρέπουν τον υπολογισμό του από δεδομένα των απλών πειραμάτων της σκληρομέτρησης και της κρούσης. Τέλος προτάθηκε μεθοδολογία δημιουργίας χαρτών ποιότητας με βάση τον προταθέντα δείκτη για την υποστήριξη της επιλογής υλικού όταν είναι γνωστές οι απαιτήσεις σε μηχανικές επιδόσεις συγκεκριμένων κατασκευαστικών στοιχείων. / Quality evaluation of cast aluminum alloys is currently made mainly by means of the met- allographic characterization of the alloy’s niicrostructure, hardness measurements, impact tests and, to a lesser extend, tensile tests, are involved, as well. Yet, the overall decision is not a straight forward procedure, relies heavily on the experience of the quality engineer and involves an appreciable amount of subjective judgment. In the present Thesis, a new empirical quality index for the quantitative evaluation of the quality of cast aluminum alloys is introduced. The proposed index evaluates quality which is regarded as the ability of a material for mechanical performance. The index evaluates the quality of a cast alloy on the basis of a balance between the material’s tensile strength and ductility with regard also to the material’s toughness. In the proposed index the scatter in mechanical properties is also accounted. The formulation of the index has been based on an extensive experimental characterization of the tensile behavior and the microstructural features of the main aircraft aluminum cast alloys by varying chemical composition, solidification rate and artificial aging treat- ment. To facilitate the wide spread use of the index, simplified approximate expressions of the index have been formulated as well. These expressions allow for the calculation of the proposed quality index based on hardness measurements and impact test results. The index has been also exploited to devise quality maps, which may be used to support material selection with regard to the mechanical properties required by the design office for a certain application.

Ο στόχος αυτής της εργασίας είναι να αποκτήσουμε μία βασική γνώση όλων των διαφορετικών σχεδιαστικών παραμέτρων που πρέπει να εξεταστούν για να είναι εφικτή η κατασκευή και ο έλεγχος ενός πολυαρθρωτού εργαλείου. Επιπλέον, όλες οι αναλυτικές μέθοδοι ελέγχου που βασίζονται στις ιδιαιτερότητες των SMA παρουσιάζονται λεπτομερώς, ώστε να παραχθεί μία ικανοποιητική λύση βασιζόμενη στις μεταβολές κατάστασης των κραμάτων και του συγκεκριμένου βραχίονα. Με άλλα λόγια, μία πλήρης γνώση του πώς σχεδιάζουμε, κατασκευάζουμε, προσομοιώνουμε, ελέγχουμε και απεικονίζουμε ένα λειτουργικό μικροσκοπικό πολυαρθρωτό βραχίονα, με τένοντες βασισμένους σε SMA για ελάχιστα επεμβατική χειρουργική είναι ο στόχος της παρούσας εργασίας. / The purpose of this work is to acquire a fundamental knowledge of all the different design parameters, which must be evaluated in order to be able to fabricate and control a multi-DOF manipulator. Moreover, all the analytical control techniques based on the particularities of the shape memory alloys will be shown in details, in order to provide an efficient solution based on the variations of the alloys and the specific manipulator. In other words, the knowhow of building, evaluating, controlling and displaying a functional tiny multi- DOF SMA-based manipulator for minimally invasive surgery is the purpose of this work.