Vaatimukset. Rakenne. Materiaalit ja niiden ominaisuudet. Timo Kiesi

Transkriptio

1 Vaurioituminen I

2 Vaatimukset Rakenne Materiaalit ja niiden ominaisuudet Timo Kiesi

3 Vaurioituminen Miksi materiaalit murtuvat? Miten materiaalit murtuvat? Timo Kiesi

4 Miksi insinöörin pitää tietää vauriomekanismeista? Vaurioituminen tulee ottaa huomioon jo rakenteita suunniteltaessa Hyvästä suunnittelusta huolimatta murtumiseen vaikuttaa tekijöitä, joita ei aina osata ottaa huomioon Tällöin vaurion tapahduttua tulee löytää vaurioon vaikuttaneet oleelliset tekijät Vauriomekanismien ja vaurioitumiseen liittyvien syyseuraus suhteiden tunnistaminen on ainoa keino estää vaurioiden tapahtumista vastaisuudessa

5 Sitkeä murtuma

6 F Jännitys, Murtolujuus Myötölujuus Venymä, F

7 Miksi materiaalit murtuvat? Kuormitus Materiaalin kantokyky > = Murtuminen Timo Kiesi

8 Hauras materiaali (suomugrafiittivalurauta) Sitkeä materiaali (hiiliteräs) Timo Kiesi

9 Murtovenymä Antaa (karkean) kuvan materaalin sitkeydestä Sitkeillä materiaaleilla suurempi murtovenymä

10 Esimerkki: Putkivaurio Sitkeä materiaali: -laaja deformaatio Hauras materiaali: -pieni deformaatio Timo Kiesi

11 MS Estonia, 1994 "Estonia7" by Staszewski "Estonia ferry2" by Accident Investigation Board Finland

12 Murtuma alle murtolujuuden jännityksillä

13 Murtolujuutta ei aina saavuteta Vetokokeessa koko sauva ja poikkipinta saavuttaa murtolujuuden Joskus materiaalit murtuvat s.e. makroskooppinen jännitys on alle murtolujuuden Täytyy olla mekanismi, jolla murtuminen tapahtuu ilman että koko rakenne saavuttaa murtolujuuden

14 Vikojen vaikutus

15 Loven jännityskeskittymä Inglis (1913): max a 1 2a b

16 Pyöreä reikä

17

18 Loven jännityskeskittymä Inglis (1913): max a 1 2a b max a 1 2 a

19 Jännityskeskittymä Ääretön jännitys! max a 1 2 a

20 Särö: Elliptinen vika, jonka kärjen säde on 0 ja joka aiheuttaa äärettömän jännityskeskittymän

21 Särön kärjen jännitystila Pienelläkin ulkoisella kuormalla ääretön paikallinen jännitys Särön kärjen materiaali voimakkaassa paikallisessa kuormituksessa => lovilujittuminen

22 Materiaaleissa on vikoja (ja säröjä)

23

24 Mistä säröt rakenteisiin? Valmistusvirheet Hitsausvirheet Jähmettymissäröt Valuvirheet Hauraat sulkeumat halkeavat Vetyhalkeamat ym. Käytön aikaiset vauriot Väsyminen Jännityskorroosiosäröt ym

25 Miten materiaalit kestävät ääretöntä jännitystä?

26 Mitä särön kärjessä voi tapahtua?

27 1) Plastista deformaatiota

28 Särö tylpistyy

29 Särön kärkeen plastinen vyöhyke

30 Kuormituksen jatkuessa Plastinen vyöhyke kasvaa Sitkeä murtuminen käynnistyy Särö ajaa edellään sitkeää murtumaa "Plastic tearing"

31 Sitkeä murtuma metalleissa Plastinen deformaatio Stabiili särönkasvu mikro-onkaloiden muodostumisena ja yhdistymisenä Sitoo energiaa. dimple-murtopinta 31

32 Plastic tearing

33 Poikkileikkauksessa

34 Aloha airlines, Lento 243,

35 Sitkeä murtuma (plastic tearing) Mekanismilla tyypillisesti suuri murtumisvastus Murtumisvastus vaihtelee eri metalleilla

36 2) Haurasmurtuma

37 Haurasmurtuma (cleavage) Jos plastinen deformaatio on vaikeaa, dislokaatiot eivät vapauta jännityksiä Särön kärjen jännitystila saattaa käynnistää haurasmurtuman Eritoten ferriittiset teräkset

38 Haurasmurtuma metalleissa Ei merkittävää plastista deformaatiota Epästabiili särönkasvu koko rakenteen läpi Lohkomurtuma Särö etenee rakeiden läpi tiettyjä kideorientaatioita pitkin Sitoo vähän energiaa Raerajamurtuma Särö etenee raerajoja pitkin Timo Kiesi

39 Transitiokäyttäytyminen Sitkeä Hauras Timo Kiesi

40 Hauras ja sitkeä murtopinta metalleissa Timo Kiesi 40

41

42 SS Schenectady

43 Iskukoe eli Charpy-koe Timo Kiesi 43

44 Iskukokeilla seulotaan ei mitoiteta

45 3) Raerajamurtuma

46 Särö ydintää haurasta faasia pitkin etenevän murtuman Särön kärjen plastinen kuorma keskittää jännityksiä Särön kärjen jännitystila ydintää murtuman Murtuma etenee haurasta faasia pitkin voi liittyä osin sitkeää murtumaa Murtopinnalla nähdään raerajamurtuma

47 Syitä Epäonnistunut lämpökäsittely Monimutkaisissa seoksissa Vanhenemisilmiöissä (seokset ovat metastabiileja)

48 Miten materiaalit kestävät ääretöntä jännitystä?

49 Termodynaaminen tarkastelu

50

51 Särön vapauttama kimmoenergia

52 Särön vapauttama kimmoenergia U 2 2E a2

53 Sitoutuva pintaenergia S 2 a

54

55 Murtumisjännitys riippuu särökoosta On olemassa kriittinen särökoko, jonka jälkeen vapautuva energia ylittää sitoutuvan energian Pienemmät säröt eivät murru Isommat jatkavat kasvuaan rajatta

56 Kriittinen särökoko Riippuu jännityksestä ja materiaalin murtumisvastuksesta

57 Materiaalin murtumisvastus Riippuu materiaalista ja murtumismekanismista Samalla materiaalilla voi olla useita mahdollisia mekanismeja (eri lämpötiloissa) ja niihin liittyy eri murtumisvastus Kuvaa särön kasvun sitomaa energiaa Kuvaa suurinta sallittua särön kärjen jännityssingulariteettia Voidaan kuvata murtumismekaanisilla parametreilla Voidaan mitata testaamalla säröllistä kappaletta

58 Miksi hauraillakin materiaaleilla lujuus alle teoreettisen?

59 Keraamit: Lujuus edelleen alle teoreettisen vaikka ei (merkittävästi) dislokaatioita koska alkusäröt käynnistävät murtuman joka voi edetä rakenteen läpi murtaen atomisidoksia edeltään

60

61 Lasin murtopinta

62 Kideorientaatioita noudattanut murtuma keraamissa (lähes atomitason suurennos)

63 Polystyreenin ja polykarbonaatin murtopintoja (DoItPoms)

64

65 Hiili- ja lasikuitukomposiitin murtopintoja (DoItPoms) 65

66 Samat sanat, eri merkitys Mekanismi: Sitkeä murtuma (ductile fracture, plastic tearing) Haurasmurtuma (cleavage) Murtumis tapa Sitkeä merkittävää plastista Hauras deformaatiota Ei merkittävää deformaatiota 66

67 Murtumismekaniikka

68 Säröllisen kappaleen suunnittelua Lähtökohtana jännitysratkaisu ja särö. Kuormitus kuvataan murtumismekaanisella parametrilla K, J, CTOD Kuvaa särön kärjen jännitystilaa / käytettävissä olevaa kimmoenergiaa Materiaali kuvataan parametrin kriittisellä arvolla K Ic, J c Mitataan standardikokeilla säröllisellä kappaleella

69 Murtumismekaaninen testaus Materiaali: Murtumissitkeys (K c ) K > K c

70 Murtumissitkeys eri materiaaleilla Polymeerit Keraamit Metallit Komposiitit Luonnonmateriaalit Lähde: Callister & Ashby Timo Kiesi

71

72 Miten murtuminen otetaan huomioon suunnittelussa Kuormitus Jännitys Lämpötila Geometria / lovet Säröt Materiaalin kantokyky Murtolujuus Murtovenymä Murtumissitkeys Iskusitkeys Murtuminen Sitkeä Hauras Lohkomurtuma Raerajamurtuma Timo Kiesi

73 Murtuminen Yhteenveto Materiaalit murtuvat, kun niiden deformaatiokyky on käytetty loppuun Murtuminen tapahtuu särönkasvuna joko sitkeällä tai hauraalla mekanismilla Materiaalit murtuvat teoreettista tasoa pienemmällä lujuudella Viat toimivat materiaalissa jännityskeskittyminä ja säröjen ydintäjinä.

74 Käyttökohteeseen soveltuva / Fitness for purpose R.W. Hertzberg, "Deformation and Fracture Mechanics of Engineering Materials", (4th ed.) Fig. 7.1(a), p. 262, John Wiley and Sons, Inc., (Orig. source: Dr. Robert D. Ballard, The Discovery of the Titanic.)

75 Vaurioiden tyypilliset syyt

76 Loppumurtuma Hauras tai sitkeä murtuma Ei juurisyy, vaan viimeinen vaihe pitkässä tapahtumaketjussa