Σχέση µικροδοµής, µηχανικών και µαγνητικών ιδιοτήτων σε χάλυβες χαµηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα (Low carbon steels): μελέτη της επίδρασης ηλεκτροχηµικής και χηµικής διάβρωσης στη µηχανική και µαγνητική συµπεριφορά του µαλακού χάλυβα τύπου ARMCO

Abstract

In the present Ph.D. work the influence of the electrochemical and thermal oxidation(chemical corrosion) as well as isothermal heating-related phenomena on themagnetomechanical and microfailure behavior of a low carbon, ARMCO-type steel isstudied. This task is performed by means of the highly localized measuring magneticBarkhausen emission as well as by bulk (integrated) measuring magnetic hysteresis looptechnique. The investigated steel is subjected to electrochemical corrosion conditions bymeans of a Salt Spray Fog technique in a 3.5% NaCl-water solution environment forpredeterminated time intervals. The chemical corrosion of the steel consists in a surfacethermal oxidation accompanied by a certain bulk isothermal “pseudoageing” process. Thisthermal oxidation was conducted in a special furnace with controlled inert gas flow withconstant temperature of 4100C and given partial oxygen pressure. Under the above materials conditions it was shown that main products of theelectrochemical corrosion were the surface magnetite layer and internal atomic hydrogenaccumulations whereas the main products of the chemical corrosion were the surfacemagnetite (Fe3O4) layer and certain, internal, cementite (Fe3C) precipitations. Thereafter, itwas also shown the very different influence of these products on the magnetomechanical andmicrofailure behavior of the steel. This behavior was investigated under conditions ofmaximal tensile stressing/straining where the magnetic response of the steel on theBarkhausen noise signal was measured. In this way, the complex interplay of magneticdomains/walls, applied stress and atomic hydrogen accumulation sites, as well as plasticstrain-induced microstuctural changes, such as volume damages microcracks and/ormicrovoids and dislocation configurations, were revealed. In this way, the basic role of theapplied stress in form of stress bias effects on the micromagnetic activity and especially onthe 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 semiquantitativeanalysis, where the major influence of the hydrogen accumulation by common diffusion, aswell as by dislocation transport on the observed magneto-mechanical-type hardeningbehavior of the material was revealed. At the same time, the secondary role of the formedmagnetite layer on this hardening behavior was mentioned. In this context, it was shown thatan increase in the electrochemical corrosion time i.e., in the atomic hydrogen accumulationat crystal damage sites leads, to a synergistic connection with the well-known hydrogenembritlement effect in influencing the magnetomechanical behavior of the material. Theoccurrence of the hydrogen embritlement effect was shown by means of the ElectronMicrofractography Analysis where the observed related microfailure features were inagreement with the measured reduction in the ductility (fracture strain). The secondaryinfluencing role of the formed magnetite layer, was connected with certain metal-oxideinterfacehardening effects caused by interaction of subsurface dislocation activity with thedomain walls of magnetite layer. Furthermore, in this Ph.D.- work the influence of the internal oxidation products on themagnetomechanical behavior of the steel was also investigated. This investigation wasconducted by means of two basic novel techniques: a robust parameter, called “MagneticDispersion Number” and a proposed “Barkhausen Pulse Discrimination” procedure. Bythese two techniques it was at first shown the secondary role of the very thin formedmagnetite layer for all the related phenomena. So far, by the first technique, it was possible to show that the magnetomechanicalbehavior can be correlated with the intensification of micromagnetic activity and speciallywith 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 withvolume damages (microcracks and/or microvoids), formed mainly by plastic deformationduring necking. By means of the second technique, was possible to show the existence oftwo basic wall motion modes. The first mode, was connected with wall kinetic effects withingrain 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 thedifferentiation of these two kinetic modes. Last but not least, by means of the hysteresis loop technique it was possible to show, inanother way, the complex problem of interaction between magnetic domains, hydrogenaccumulation sites and plastic deformation effects. In this way, this problem was analyzedby measuring the magnetic permeability and coercivity where a non-monotonic behavior ofthese parameters with increasing corrosion time was obtained. Furthermore, certain “critical”points in function of plastic deformation i.e. the degree of dislocation multiplication wereobserved in the sense that at these points these parameters show remarkable and abruptchanges, fact which needs further investigation.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή µελετάται η επίδραση της ηλεκτροχηµικήςδιάβρωσης και θερµικής οξείδωσης (χηµική διάβρωση) αλλά και φαινοµένων ισοθερµίαςστη µηχανική και µικροθραυστική συµπεριφορά ενός χάλυβα χαµηλής περιεκτικότητας σεάνθρακα τύπου ARMCO. Τα φαινόµενα αυτά µελετώνται µε τη βοήθεια τοπικού χαρακτήραµαγνητικής τεχνικής θορύβου Barkhausen, αλλά και µονολιθικού χαρακτήρα µαγνητικήςτεχνικής, βρόχου υστέρησης. Ο εξεταζόµενος χάλυβας υπέστη ηλεκτροχηµική διάβρωση µέσα σε περιβάλλοναλατονέφωσης περιεκτικότητας 3,5% NaCl για προσδιορισµένα χρονικά διαστήµατα. Ηχηµική διάβρωση που έγκειται σε επιφανειακή οξείδωση αλλά και σε ισοθερµικήκαταπόνηση του υλικού πραγµατοποιήθηκε σε ειδικό φούρνο ελεγχόµενης ροής αδρανούςαερίου και πίεσης οξυγόνου σε θερµοκρασία 4100C. Με αυτή την έννοια παράγεται το κύριοπροϊόν 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 επιφανειακόστρώµα µαγνητίτη (Fe3O4), επηρεάζουν µε διαφορετικό τρόπο την µαγνητοµηχανική καιµικροθραυστική συµπεριφορά του χάλυβα. Η συµπεριφορά αυτή µελετήθηκε υπό συνθήκεςµονοαξονικού εφελκυσµού, όπου καταγράφηκε υπό τάση η µαγνητική απόκριση του υλικούστο παλµικό σήµα Barkhausen. Έτσι, διαπιστώθηκε η σύνθετη αλληλεπίδραση τωνµαγνητικών τοιχωµάτων µε τα σηµεία συγκέντρωσης του ατοµικού υδρογόνου στα όρια τωνκόκκων αλλά και γύρω από άλλες προϋπάρχουσες εσωτερικές ασυνέχειες του χάλυβα µε τιςµικροδοµικές αλλαγές που πραγµατοποιούνται λόγω πλαστικής παραµόρφωσης, όπωςσχηµατισµοί διαταραχών (εξαρµόσεων) και µικρορωγµών–µικροκενών. Με αυτόν τοντρόπο φάνηκε ταυτόχρονα ο ενισχυτικός ρόλος της επιβαλλόµενης τάσης ως τασική πόλωσηγια τις µικροµαγνητικές διεργασίες και ειδικά την κινητικότητα των µαγνητικώνπεριοχών/τοιχωµάτων. Έχοντας υπόψη τα παραπάνω και µε τη βοήθεια ενός προτεινόµενου“αριθµού µαγνητικής σκλήρυνσης”, πραγµατοποιήθηκε µια ηµι- ποσοτική ανάλυση, όπουεκτιµήθηκε ο κύριος ρόλος του ατοµικού υδρογόνου στη µαγνητοµηχανική συµπεριφοράτου υλικού. Ταυτόχρονα µέσα από αυτή τη δια-δικασία διαπιστώθηκε η διαφορετικήσυµπεριφορά και ο διαφορετικός ρόλος του σχηµατιζόµενου µαγνητίτη για τη“µαγνητοµηχανική τύπου σκλήρυνσης”. Εποµένως, αποδείχτηκε ακόµα ότι, µε την αύξησητου χρόνου της ηλεκτροχηµικής διάβρωσης δηλαδή µε την αύξηση της συσσώρευσης τουυδρογόνου, µέσω απλής διάχυσης αλλά και µεταφοράς αυτού µέσω κινούµενων διαταραχώνστα σηµεία µηχανικής φθοράς του κρυσταλλικού πλέγµατος που δηµιουργήθηκαν λόγωπλαστικής παραµόρφωσης, η “µαγνητοµηχανική τύπου σκλήρυνσης” του υλικού σχετίζεταισυνεργειακά µε το γνωστό φαινόµενο “Ψαθυροποίησης από υδρογόνο”. Η ύπαρξη αυτούτου φαινοµένου αποδείχτηκε έµπρακτα µέσω της Μικροθραυστογραφικής Ανάλυσης πουδιεξάγεται µε το Ηλεκτρονικό Μικροσκόπιο Σάρωσης. Ο δευτερεύων ρόλος του µαγνητίτηστη µαγνητοµηχανική συµπεριφορά σχετίστηκε µε “διεπιφανειακά” φαινόµενααλληλεπίδρασης µεταξύ διαταραχών (εξαρµόσεων) του χάλυβα και των µαγνητικώντοιχωµάτων του µαγνητίτη. Στη συνέχεια µελετάται η επίδραση της χηµικής διάβρωσης από θερµική οξείδωση τουχάλυβα στην µαγνητοµηχανική συµπεριφορά αυτού. Η µελέτη της συµπεριφοράς αυτήςπραγµατοποιήθηκε µε δύο µεθόδους: πρώτον µε τη βοήθεια ενός προτεινόµενου “αριθµούµαγνητικής διασποράς” και δεύτερον µε τη βοήθεια “κατανοµής σήµατος Barkhausen µέσωενεργειακού φράγµατος”, όπου διαπιστώθηκε κατ’ αρχάς η ασήµαντη συµβολή του πολύλεπτού στρώµατος επιφανειακού µαγνητίτη στο µαγνητικό σήµα. Με την πρώτη µέθοδοδιαπιστώθηκε και µελετήθηκε η αύξηση της “µαγνητοµηχανικής τύπου σκλήρυνσης” λόγωεντατικοποίησης µικροµαγνητικών διεργασιών που πηγάζουν από την εµφάνιση έντονωνφαινοµένων δυναµικής και στατικής εσωτερικής µαγνητικής “τριβής”. Η κύρια συµβολή σ’αυτή τη “τριβή” προέρχεται κυρίως από την αλληλεπίδραση των µαγνητικών τοιχωµάτων µετα σηµεία συγκέντρωσης κατακρηµνίσεων σεµεντίτη (Fe3C), ενισχυµένη από την δηµιουργίαπεδίων µικρορωγµών και µικροκενών στην περιοχή σχηµατισµού του πλαστικού λαιµού. Μετη δεύτερη µεθόδο διαπιστώθηκε η καθοριστική και συνδυαστική συµβολή της πλαστικήςπαραµόρφωσης και των κατακρηµνίσεων σεµεντίτη (Fe3C) στη διαφοροποίηση τηςκινητικότητας των µαγνητικών τοιχωµάτων, µε αποτέλεσµα την καταγραφή της ύπαρξηςδυο κύριων “φάσεων” κίνησης αυτών. Έτσι, η µια “φάση” συνδέθηκε µε την κίνηση στηνπεριοχή των ορίων των κόκκων και η δεύτερη εντός του εσωτερικού των κόκκων. Τέλος, µε τη βοήθεια της τεχνικής του βρόχου υστέρησης αποδείχτηκε για άλλη µιαφορά το σύνθετο πρόβληµα της αλληλεπίδρασης των µαγνητικών τοιχωµάτων µε τα σηµείασυσσώρευσης ατοµικού υδρογόνου, αλλά και µε την επιβαλλόµενη τάση ως τασική πόλωση.Το πρόβληµα αυτό αναλύθηκε µέσω µετρήσεων της µαγνητικής διαπερατότητας και τουσυνεκτικού πεδίου, όπου παρατηρήθηκε µια συµπεριφορά αυξοµειώσεων των µετρήσεωναυτών, συναρτήσει της επιβαλλόµενης τάσης και του χρόνου διάβρωσης. Ακόµα, µε τοντρόπο αυτό, διαπιστώθηκαν ορισµένα “κρίσιµα” σηµεία συµπεριφοράς των δυο αυτών παραµέτρων συναρτήσει του χρόνου ηλεκτροχηµικής διάβρωσης (βαθµού συσσώρευσηςυδρογόνου) και πλαστικής παραµόρφωσης, όπου οι παραπάνω δυο παράµετροι, στα σηµείααυτά, παρουσιάζουν µια “ανώµαλη” συµπεριφορά µε απότοµες και µεγάλες αλλαγές,γεγονός που χρήζει περαιτέρω έρευνας.