Μελέτη της συμπεριφοράς σε κόπωση και συνδυασμένη κόπωση-διάβρωση του κράματος υψηλής εντροπίας Fe20Cr20Mn20Ni30Al10
Creators: name: Χαντζιάρα, Αικατερίνη Βασιλείου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2020
Subjects: Κράματα υψηλής εντροπίας
Κόπωση
Κόπωση-Διάβρωση
High entropy alloys
Fatigue
Fatigue-Corrosion

description: Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας ήταν η μελέτη της συμπεριφοράς σε κόπωση και συνδυασμένη κόπωση-διάβρωση του κράματος υψηλής εντροπίας Fe20Cr20Mn20Ni30Al10. Ως κράματα υψηλής εντροπίας ορίζονται τα κράματα αποτελούμενα από τουλάχιστον 5 έως 13 στοιχεία σε ίσο ή παραπλήσιο at% και ιδανικά αποτελούν στερεά διαλύματα. Ωστόσο, το συγκεκριμένο μη ισοατομικό κράμα επιλέχθηκε με βάση την νέα τάση που ακολουθείται από την παγκόσμια ερευνητική κοινότητα στο πλαίσιο της αύξησης της ολκιμότητας των κραμάτων υψηλής εντροπίας με απλή αλλαγή της σύστασής τους. Από την άλλη μεριά, τόσο η συμπεριφορά σε κόπωση όσο και σε κόπωση εντός διαβρωτικού περιβάλλοντος είναι κρίσιμης σημασίας, καθώς απαντώνται σε ένα πλήθος εφαρμογών. Ταυτόχρονα, τα βιβλιογραφικά δεδομένα που αφορούν στην κόπωση και ειδικότερα στην κόπωση-διάβρωση των συγκεκριμένων υλικών είναι αρκετά περιορισμένα. Επομένως, στην παρούσα διπλωματική εργασία, γίνεται μια πρώτη προσπάθεια προκειμένου να διερευνηθεί και να εξηγηθεί η απόκρισή τους υπό αυτές τις συνθήκες λειτουργίας. Αρχικά, έλαβε χώρα η παρασκευή των δοκιμίων με τη μέθοδο της τήξης τόξου εν κενώ. Στη συνέχεια, ακολούθησε η μηχανουργική τους κατεργασία, καθώς το πρότυπο με βάση το οποίο γίνεται η αξιολόγηση της συμπεριφοράς επιβάλλει το χαρακτηριστικό σχήμα του C-Ring. Κατόπιν, διεξήχθησαν τα πειράματα της κόπωσης χωρίς και παρουσία διαβρωτικού μέσου, σε φορτία των 500,550,600,650 και 700 MPa, ενώ ως διαβρωτικό μέσο χρησιμοποιήθηκε υδατικό διάλυμα περιεκτικότητας 3.5% κ.β. σε NaCl. Ακολούθως, μελετήθηκαν οι επιφάνειες θραύσης όλων των δοκιμίων με τη βοήθεια του στερεοσκοπίου και του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης και τελικά διατυπώθηκαν οι μηχανισμοί που λαμβάνουν χώρα κατά τη διάρκεια των δοκιμών. Σε ότι αφορά την κόπωση, το κράμα επέδειξε καλή συμπεριφορά, καθώς στην περίπτωση του υψηλότερου φορτίου ολοκλήρωσε αριθμό κύκλων της τάξης του 104, ενώ στην περίπτωση του χαμηλότερου φορτίου ολοκλήρωσε αριθμό κύκλων της τάξης του 106, χωρίς να επέλθει η αστοχία. Η θραυστογραφική ανάλυση, αποκάλυψε την εξέλιξη ενός μηχανισμού σχηματισμού ζωνών ολίσθησης, που με την αύξηση των κύκλων μεγαλώνουν προς τον σχηματισμό της αρχικής κρίσιμης ρωγμής. Από την άλλη μεριά και σε ότι αφορά την κόπωση-διάβρωση, φαίνεται πως το διαβρωτικό περιβάλλον έχει καταστροφική επίδραση στην όλη εξέλιξη των φαινομένων, καθώς σε όλες τις περιπτώσεις, συμπεριλαμβανομένης και αυτής που το φορτίο ήταν στα 500 MPa, ο αριθμός των κύκλων που ολοκληρώθηκαν ήταν της τάξης του 104, χωρίς να παρατηρείται έντονα ο σχηματισμός των ζωνών ολίσθησης. Η μελέτη των επιφανειών θραύσης, κατέδειξε την ενεργοποίηση επιφανειακών σφαλμάτων και ασυνεχειών προς σχηματισμό εκτεταμένων ρωγμών, η διάδοση των οποίων έλαβε χώρα με παρόμοιους μηχανισμούς ολίσθησης και πλαστικής παραμόρφωσης, όπως αυτό προέκυψε από την στοιχειακή ανάλυση των επιφανειών μέσω φασματοσκοπίας ενεργειακού διαχωρισμού.
description: The purpose of the present master thesis was the assessment of a Fe20Cr20Mn20Ni30Al10 high entropy under plain fatigue and combined fatigue-corrosion conditions. The alloy was firstly successfully produced by vacuum arc melting and fatigue testing specimens were prepared by appropriate machining process. The fatigue tests were performed based on the conditions described by the ASTM G-038 standard. High Entropy Alloys (HEAs) are defined the alloy systems that consists of at least 5 different metallic elements at equi- or near equi-atomic compositions. Ideally these systems comprise simple solid solutions. The specific system (elements and composition) was selected following the current worldwide tendency in the HEAs community for adjusting the compositional parameters in order to tailor the strength – ductility combination. Fatigue and combined fatigue – corrosion tests were specifically selected as the behavior of alloys under such stressing conditions are considered to be of crucial importance for a variety of industrial and domestic applications. Additionally, the literature review reveals a wide gap in the examination of these new HEAs under these testing conditions and as such the approach of the present effort gains even higher importance. Material specimens of a C-ring morphology were subjected to plain fatigue and combined fatigue-corrosion testing conditions. Four different stress levels were selected: 500, 550, 600, 650 and 700 MPa respectively. The corrosive environment for the fatigue – corrosion combined mode, was 3,5 wt.% NaCl aqueous solution. The number of the completed cycles was recorded for each case. The fracture surface of the specimens after the failure events, were thoroughly examined by SEM-EDS analysis. An effort to formulate potential failure mechanisms, was also undertaken. As far as the plain fatigue experiments are concerned, the material showed a very promising behavior as even for the higher stresses within the plastic region of behavior (550,600, 650 and 700 MPa) the completed cycles were of the order of 104 which is found within the accepted endurance limits. At the lower stress of 500 MPa – elastic region of stressing – failure was not observed at as high as 106 number of completed cycles. Examination of the fracture surfaces, in the cases of failure, revealed a possible fracture mechanism based on the formation and development of slip bands due to plastic deformation. These slip bands are responsible for the formation of micro-voids/pores both at the forefront of the existed surface defects due to machining and at the interior of the specimen. These microvoids are eventually interlinked leading to the formation of microcracks that initiate the catastrophic sequence of events. As far as the combined effect of fatigue and corrosion is concerned, it was observed that the corrosive environment plays a catalytic role in acceleration the failure events in all the different cases of the applied stresses, even that of the 500 MPa. The fracture surface examination revealed that in the cases of the higher stresses – plastic deformation region – the corrosive environment acts synergistically to the slip bands effect by accelerating the formation/propagation/interlinking of the microvoids/pores, reducing in this manner the number of the completed cycles when compared to the plain fatigue conditions. In the case of the lower stress (500MPa) - where in plain fatigue failure was not observed - it was found that the corrosive environment attacks the forefront of the existed flaws and increased their initial length above the critical one, initiating as such the failure events.