Η παρουσία της βλάβης διάβρωσης στις αεροπορικές δομές, έχει αποδειχθεί ότι συμβάλλει σημαντικά στην υποβάθμιση της δομικής τους ακεραιότητας. Ταυτόχρονα, οι χρονοβόρες και αυξημένου κόστους διεργασίες και έλεγχοι που πραγματοποιούνται για την αποφυγή ή την επιδιόρθωση της διάβρωσης δεν είναι πάντα αποδοτικές. Στην τρέχουσα βιομηχανική πρακτική, σε περιπτώσεις στατικής φόρτισης, η βλάβη διάβρωσης αντιμετωπίζεται θεωρώντας ότι έχει επέλθει μείωση της φέρουσας διατομής ίση με το βάθος της διαβρωτικής προσβολής και ακολουθεί εκ νέου υπολογισμός των τάσεων. Στις δυναμικές φορτίσεις, τα τρήμματα θεωρούνται ως πιθανά σημεία έναρξης των ρωγμών κόπωσης. Όμως, παρά την αναγνώριση της διάβρωσης ως έναν από τους μηχανισμούς που επιδρούν αρνητικά στη δομική ακεραιότητα μιας αεροπορικής δομής, ούτε και στον σχεδιασμό των αεροπορικών κατασκευών με ανοχή στη βλάβη, ο οποίος είναι ο σύγχρονος τρόπος σχεδιασμού και βασίζεται στις αρχές της θραυστομηχανικής, η βλάβη διάβρωσης λαμβάνεται υπόψη. Ως αποτέλεσμα, η επίδραση της διάβρωσης στη δομική ακεραιότητα των υλικών κάποιες φορές υποεκτιμάται.
Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι να συμβάλλει στην ανάπτυξη ικανοτήτων για την εκτίμηση της υποβάθμισης των μηχανικών ιδιοτήτων του διαβρωμένου υλικού με δεδομένα τα μεταλλογραφικά χαρακτηριστικά της βλάβης διάβρωσης. Στο πλαίσιο αυτό, αναπτύσσεται μια μεθοδολογία η οποία επιτρέπει την υπολογιστική προσομοίωση της συμπεριφοράς εφελκυσμού του διαβρωμένου υλικού με δεδομένα τα μεταλλογραφικά χαρακτηριστικά της βλάβης διάβρωσης. Η εργασία περιλαμβάνει ένα πειραματικό και ένα υπολογιστικό σκέλος.
Το πειραματικό σκέλος περιλαμβάνει την εκτενή μεταλλογραφική μελέτη της βλάβης διάβρωσης, τη διεξαγωγή μηχανικών δοκιμών εφελκυσμού και τη μελέτη των επιφανειών θραύσης για την αναγνώριση των φυσικών μηχανισμών της βλάβης σε δοκίμια προ-διαβρωμένα για διαφορετικούς χρόνους έκθεσης στο διαβρωτικό περιβάλλον. Τα κύρια αποτελέσματα της πειραματικής διαδικασίας συνοψίζονται ως εξής: Η βλάβη διάβρωσης συσσωρεύεται βαθμιαία και εξελίσσεται, σε συνάρτηση με τον χρόνο έκθεσης, από τρημματική σε διάβρωση αποφλοίωσης. Οι μηχανικές δοκιμές εφελκυσμού στο διαβρωμένο υλικό έδειξαν μια μέτρια υποβάθμιση των ιδιοτήτων αντοχής, αλλά ταυτόχρονα μια σημαντική πτώση των ιδιοτήτων ολκιμότητας. Η μελέτη των επιφανειών θραύσης ανέδειξε την ύπαρξη ψαθυροποιημένων περιοχών κάτω από το στρώμα διάβρωσης. Η ύπαρξη τέτοιων ψαθυροποιημένων ζωνών έχει αποδοθεί από προηγούμενες εργασίες στην προσρόφηση υδρογόνου που παράγεται κατά την διαδικασία της διάβρωσης.
Το υπολογιστικό σκέλος περιλαμβάνει την ανάπτυξη μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων σε μίκρο και μάκρο-κλίμακα. Για την προσομοίωση της συμπεριφοράς εφελκυσμού του διαβρωμένου υλικού σε μίκρο-κλίμακα αναπτύχθηκε μια Αντιπροσωπευτική Μοναδιαία Κυψελίδα (Representative Unit Cell) που περιλαμβάνει τρήμματα αντιπροσωπευτικά του χρόνου έκθεσης σε διαβρωτικό περιβάλλον. Η τοπικά υποβαθμισμένη συμπεριφορά εφελκυσμού του υλικού, λόγω της ύπαρξης των τρημμάτων, προσδιορίζεται από τις αντιπροσωπευτικές μοναδιαίες κυψελίδες και εισάγεται τοπικά σε ένα μοντέλο μάκρο-κλίμακας. Το μοντέλο λαμβάνει υπόψη την διαφορετική ένταση της βλάβης διάβρωσης στις διάφορες περιοχές του δοκιμίου. Τα αποτελέσματα του μοντέλου έδειξαν ικανοποιητική σύγκλιση με τις μηχανικές δοκιμές σε ότι αφορά στις ιδιότητες αντοχής. Αντίθετα, έδειξαν υποτίμηση της πειραματικά παρατηρούμενης μείωσης των ιδιοτήτων ολκιμότητας. Η υποτίμηση αυτή οφείλεται στο γεγονός ότι το μοντέλο, κα' αρχήν, δεν λαμβάνει υπόψη τους φυσικούς μηχανισμούς της ψαθυροποίησης του υλικού λόγω διάβρωσης.
Η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε αποτελεί βήμα για τη σύνδεση της βλάβης διάβρωσης με τις απομένουσες μηχανικές ιδιότητες του υλικού και, επομένως, την ασφαλέστερη εκτίμηση της απομένουσας αντοχής διαβρωμένων αεροπορικών δομών. / Corrosion damage accumulation represents a major threat for the structural integrity of metallic aircraft structures and moreover has a strong effect on the load bearing capacity of aging aircraft structures. Corrosion damage is evaluated by means of metallographic features such as pitting density, depth and shape of pits, onset of exfoliation, etc. For the case of static loading, corrosion damage is usually accounted through reducing the metal thickness by the depth of corrosion attack and then calculating the corresponding stress increase. For the case of fatigue, corrosion pits are considered as possible onsets for fatigue cracks.
The aim of the present PhD thesis is to contribute to establish a link between the metallographic features of corrosion damage and the degradation of the mechanical properties of a corroded material. Towards this objective, a methodology is developed which allows the numerical simulation of the tensile behavior of the corroded material based on the metallographic features of the corrosion damage. The present work is divided in two parts: a) the experimental investigation and b) the numerical analysis.
The experimental part includes an extensive metallographic investigation of the occurring corrosion damage. Moreover, tensile tests were performed on the pre-corroded material which was exposed to the corrosive solution for several exposure periods. Finally, an examination of the fracture surfaces for the identification of the physical mechanisms of the damage has also been conducted. The main conclusion extracted from the metallographic procedure is that corrosion damage evolves from pitting to exfoliation progressively. The tensile tests performed on the pre corroded material revealed a moderate reduction concerning the tensile strength but a significant degradation of the tensile ductility even after short exposure periods. The examination of the fracture surfaces revealed the presence of quasi-cleavage zones beneath the depth of corrosion attack. The formation of these zones has been attributed by previous investigations to hydrogen diffusion and trapping into the corroded material during the corrosion process.
The simulation procedure involves the development of a multi scale finite element model. The corrosion damage has been accounted for by introducing 3D Representative Unit Cells (RUCs) developed in the micro scale, with geometrical characteristics obtained by the metallographic analysis data of the corroded material. The degradation of the Representative Unit Cell’s mechanical properties due to the presence of the damage has been recorded. A 3D Finite Element model of a tensile specimen has been developed. This model has been used to simulate the tensile behavior of the corroded material, by including elements with degraded properties extracted from the RUC analysis. For the different exposure times RUCs with different geometrical characteristics were used so as to account for the evolving corrosion damage. The simulation results correlate well with the respective tensile behavior of the alloy obtained by the mechanical tests. As far as tensile ductility is concerned a significant deviation was observed, due to the fact that the finite element model does not account for the embrittlement of the material due to hydrogen absorption.
The developed methodology represents a step towards the establishment of a link between the metallographic features of the corrosion damage and the residual mechanical properties of the material, and thus the more reliable estimation of the residual strength of the corroded aircraft structures.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:upatras.gr/oai:nemertes:10889/8524 |
| Date | 07 May 2015 |
| Creators | Σέτσικα, Δωροθέα |
| Contributors | Παντελάκης, Σπύρος, Setsika, Dorothea, Παντελάκης, Σπύρος, Χαϊδεμενόπουλος, Γρηγόρης, Κερμανίδης, Αλέξης, Τσερπές, Κωνσταντίνος, Αποστολόπουλος, Χάρης, Παπαδόπουλος, Χρήστος, Λεκάτου, Αγγελική |
| Source Sets | University of Patras |
| Language | gr |
| Detected Language | Greek |
| Type | Thesis |
| Rights | 0 |
| Relation | Η ΒΚΠ διαθέτει αντίτυπο της διατριβής σε έντυπη μορφή στο βιβλιοστάσιο διδακτορικών διατριβών που βρίσκεται στο ισόγειο του κτιρίου της. |
Page generated in 0.0027 seconds