EVALUATING THE IMPACT OF COPPER ADDITION ON THE METALLURGICAL, MECHANICAL AND ELECTROCHEMICAL PERFORMANCE OF Fe-20Cr-xCu ALLOYS. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Yahya_Thesis_dissertation_Report.pdf Restricted to Repository staff only until 6 July 2026. Download (7MB)

Arabic Abstract

تبحث الدراسة الحالية في تأثير إضافة النحاس (Cu) على الأداء المعدني والميكانيكي والكهروكيميائي لسبائك الفولاذ المقاوم للصدأ القائمة على الحديد 20Cr، كبديل للفولاذ المقاوم للصدأ المحتوية على النيكل. تم تطوير ثلاث تركيبات: Fe-20Cr (السبيكة الأساسية)، و Fe-20Cr-2Cu، و Fe-20Cr-4Cu، باستخدام الصهر بالقوس الكهربائي المفرغ من الهواء متبوعًا بالتجانس والدرفلة على الساخن والبارد والتلدين بالمحلول. تم إخضاع هذه السبائك للتوصيف المعدني الشامل باستخدام تقنيات الفحص المجهري البصري، وSEM-EDS، وXRD، وXPS، وXRF. أشار التقلص الحجمي للحبيبات، التي لوحظت مع زيادة محتوى النحاس، إلى أن النحاس يلعب دورًا في تغيير السمات المجهرية، مما قد يؤثر على الأداء الميكانيكي والتآكل. أظهر التقييم الميكانيكي من خلال اختبار الصلادة المجهرية زيادة في الصلابة مع زيادة محتوى النحاس، مما يشير إلى دور النحاس في تقوية مصفوفة السبيكة. كشف توصيف XPS عن أن سبيكة Fe-20Cr-2Cu قد شكلت طبقة سلبية مستقرة كيميائيًا، مما ساهم في مقاومة التآكل بشكل اكبر مقارنةً بكل من السبائك الخالية من النحاس والسبائك المحتوية على النحاس بنسبة 4% بالوزن. تم تقييم سلوك التآكل الكهروكيميائي باستخدام كل من التقنيات التقليدية والطرق الموضعية المتقدمة، بما في ذلك الاستقطاب الديناميكي الفعال (PDP)، والمطيافية المعاوقة الكهروكيميائية (EIS)، والفحص المجهري الكهروكيميائي المسحي (SECM). أجريت الاختبارات في بيئة 3.5% كلوريد الصوديوم لتقييم التآكل العام والموضعي. من بين السبائك الثلاث، أظهرت سبائك Fe-20Cr-2Cu أفضل مقاومة عامة للتآكل، حيث تميزت بأقل كثافة تيار تآكل (icorr)، وأقل كثافة تيار تخميل (ipass)، وأكثر استقرارا في اختبار الدائرة المفتوحة (OCP). عززت إضافة 2% بالوزن من النحاس ثبات الفيلم السلبي، كما لوحظ من خلال التصوير بالموجات فوق الصوتية المدمجة (SECM)، والذي كشف ايضا عن عدد أقل من الأنشطة الأنودية الموضعية. في المقابل، أظهر Fe-20Cr-4Cu تدهوراً كبيراً في مقاومة التآكل، ويرجع ذلك على الأرجح إلى تكتل النحاس والانفصال بين الخلايا الحبيبية مما عزز التآكل الموضعي وانهيار الطبقة السلبية. كما أُجريت اختبارات كهروكيميائية باستخدام تقنيات التآكل التقليدية في بيئة محاكاة سائل الجسم (SBF) على مدى 48 ساعة لتقييم الاحتمالات المتعلقة بالتآكل للسبائك المطورة كبديل خالٍ من النيكل لتطبيقات الزرع الطبي الحيوي. أكدت النتائج الكهروكيميائية وجود اتجاه ثابت، حيث أظهرت سبيكة Fe-20Cr-2Cu أعلى مقاومة للتآكل بين السبائك المطورة، مما يدعم استقرار ومتانة الغشاء السلبي المتكوّن على سطحها.

English Abstract

The present study investigates the effect of copper (Cu) addition on the metallurgical, mechanical, and electrochemical performance of ferritic Fe-20Cr-based stainless steel alloys, as a Nickel-free stainless-steel alternative. Three compositions were developed: Fe 20Cr (base alloy), Fe-20Cr-2Cu, and Fe-20Cr-4Cu, using vacuum arc melting followed by homogenization, hot and cold rolling, and solution annealing. These alloys were subjected to comprehensive metallurgical characterization using optical microscopy, SEM-EDS, XRD, XPS, and XRF techniques. The grain refinement observed with increasing Cu content indicated that Cu plays a role in altering microstructural features, potentially affecting mechanical and corrosion performance. Mechanical evaluation via microhardness testing showed an increase in hardness with increasing Cu content, suggesting the role of Cu in strengthening the alloy matrix. XPS characterization revealed that the Fe–20Cr–2Cu alloy formed a chemically stable passive film, contributing to superior corrosion resistance compared to both Cu-free and 4 wt.% Cu alloys. Electrochemical corrosion behavior was assessed using both conventional techniques and advanced localized methods, including potentiodynamic polarization (PDP), electrochemical impedance spectroscopy (EIS), and scanning electrochemical microscopy (SECM). Tests were conducted in 3.5% NaCl environment to assess the general and localized corrosion. Among the three alloys, Fe-20Cr-2Cu exhibited the best overall corrosion resistance, characterized by the lowest corrosion current density (icorr), lowest passivation current density (ipass), and the most stable open circuit potential (OCP). The addition of 2 wt.% Cu enhanced the stability of the passive film, as observed through SECM imaging, which revealed fewer localized anodic activities. In contrast, Fe-20Cr 4Cu showed significant degradation in corrosion resistance, likely due to Cu agglomeration and intergranular segregation that promoted localized corrosion and passive film breakdown. Electrochemical tests utilizing the conventional corrosion techniques were also conducted in Simulated Body Fluid (SBF) environment over a period of 48 hours to evaluate the corrosion-related prospects of the developed alloys as a Nickel free alternative for biomedical implant applications. The electrochemical results confirmed a consistent trend, showing that the Fe-20Cr-2Cu alloy exhibited the highest corrosion resistance among the developed alloys, further supporting the stability and robustness of its passive film.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Toor, Dr. Ihsan Ul Haq
Committee Members:	Nouari, Dr. Saheb and Arumugam, Dr. Madhan Kumar
Depositing User:	YAHYA AHMED (g202008500)
Date Deposited:	22 Jul 2025 07:02
Last Modified:	22 Jul 2025 07:02
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143605