Vaurioiden tyypilliset syyt

Transkriptio

1 Vaurioituminen II

2 Vaurioiden tyypilliset syyt

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

4 Väsyminen (Fatigue)

5 1998 Eschede

6 Väsyminen Väsyminen on aiheuttamaa. Väsymisvaurio ilmenee särön kasvuna, joka johtaa kuormitusta jatkettaessa lopulta murtumaan. Jopa 90% kaikista vaurioitumisista johtuu väsymisestä.

7 Väsyttävä kuormitus Määritelmiä: Keskijännitys: k max 2 min Kuormitussuhde: min R max Jännitysvaihtelu: max min Jännitysamplitudi: a max 2 min

8 Mitä väsyminen on

9 Väsyminen Ydintyminen Etenemisjälkiä Väsymisvaurion murtopinta: Ydintymiskohta Väsymissärön etenemisjälkiä - makroskooppisia simpukkakuvioita (clamshell marks) - mikroskooppisia väsymisjuovia (fatigue striations). Loppumurtuman alue Loppumurtuma

10

11 Murtopinta-analyysi Ydintymiskohta Beach marks

12 Väsymisvaurion murtopinta Ydintyminen Etenemisjälkiä Loppumurtuma

13 Väsymissärön ydintyminen Väsymisikä voidaan jakaa särön ydintymisvaiheeseen ja särön kasvuvaiheeseen. Särön ydintymisen osuus kokonaisväsymisiästä on suurin matalilla kuormituksilla. Kuormitustason noustessa kasvaa särön kasvuvaiheen osuus Särö ydintyy yleensä kappaleen pinnan epäjatkuvuuskohtaan, jossa on jännityskonsentraatio naarmut, kuopat, korroosiojäljet, hitsisaumat, muut viat. Syklinen kuormitus voi itse synnyttää pintaan mikroskooppisia epäjatkuvuuskohtia, joihin väsymissärö ydintyy. liukunauhojen ekstruusiot ja intruusiot.

14 Ydintyminen plastisen deformaation avulla Dislokaatioiden edestakainen palautumaton liike Liukunauhat Deformaation keskittyminen Yhden rakeen särö

15 High-cycle vs. Low cycle

16 Stage I Stage II

17 Väsymissärön kasvu Väsymissärön kasvu voidaan jakaa kolmeen vaiheeseen: I särön pituus pieni verrattuna raekokoon - Murtopinta sileä - Särö kasvaa rakeen läpi tasossa, jossa leikkausjännitys on suuri - Jos rakenteessa alkusäröjä tai jännitystaso on suuri, on I-vaihe lyhyt II särö ulottuu monien rakeiden yli - Yksittäisten rakeiden vaikutus särönkasvuun vähäinen - Särön kasvu noudattaa Paris'n lakia - Kasvu jännitysintensiteetin kontrolloimaa III loppumurtuma - Kun särö kasvaa riittävän suureksi, ei materiaalinkantokyky enää riitä, vaan tapahtuu loppumurtuma.

18 18

19 Väsymisjuovat (Fatigue striations)

20 Kiertotaivutusväsytyskokeet

21 Väsymismitoitus S-N käyrä (ns. Wöhlerkäyrä) Mitoitus väsymisrajan mukaan Tarkan väsymisrajan olemassaolo epäselvä, johtuen väsymisilmiön tilastollisuudesta Kaikilla materiaaleilla ei ole väsymisrajaa - esimerkiksi alumiimi, austeniittiset ruostumattomat teräkset.

22 Väsymisraja / väsymislujuus Väsymisraja: Hiiliteräkset Väsymislujuus: Alumiini, ruotumaton teräs

23 Väsymisrajan luonne Väsymisrajan alapuolella havaitaan pysähtyneitä säröjä Väsymisraja häviää spektriväsytyksessä, ympäristövaikutteisessa väsytyksessä, jne. Väsymisrajaa ei havaita kaikilla materiaaleilla 23

24

25 CES Edupack 2012

26 Materiaaliryhmät Muovit Lämpeneminen Herkkyys taajuudelle Materiaaliominaisuuksien herkkyys lämpötilalle ja ympäristölle

27 Materiaaliryhmät Keraamit Ei plastista muodonmuutosta Väsyminen johtuu särönkylkien hankautumisesta

28 Materiaaliryhmät Komposiitit Monimutkainen jännitys-venymä käyttäytyminen

29 Muuta Ympäristövaikutteinen väsyminen Aggressiivinen ympäristö nopeuttaa väsymistä Erityisesti ydintyminen kiihtyy Multiaksiaalinen väsyminen Lämpötilavaikutus

30 Keskijännityksen vaikutus Korkea keskijännitys lyhentää elinikää. Teorioita koetulosten muuttamiseksi todellisesta rakennetta vastaaviksi. Mm. Smithin piirros.

31 Lovien vaikutus

32 Lujuuden vaikutus 0.5 x UTS 1.6 x HV

33 Sulkeumien ja vikojen vaikutus

34 Hitsien vaikutus Geometria Hitsin vyöhykkeet Alkuviat Materiaalit ja lisäaineet Timo Kiesi

35 Väsymisiän parantaminen -Epäjatkuvuuskohtien välttäminen

36 Väsymisiän parantaminen -Pintakarkaisut (hiiletys ja induktio teräksellä) Pinta martensiittia Eri faasirakenteista seuraa pintaan edullinen puristusjännitystila Sisus bainiittis-martensiittinen (tai ferriittis-perliittinen)

37 Väsymisiän parantaminen -Pinnan muokkaaminen plastisesti (=puristusjännitys) Kuulapommitus Hiekkapuhallus Ultraäänivasaroi nti

38 Väsymissärön kasvu Säröjä voidaan joskus jättää rakenteeseen Komponentin korjaaminen tai vaihtaminen kallista tai jopa mahdotonta Särönkasvumittauksilla: voidaan osoittaa etteivät säröt aiheuta vaaraa käyttöjaksolla voidaan osoittaa säröjen pysähtyvän laskevassa jännityskentässä jne.

39 Väsymismitoitus Paris'n laki: da A K dn m jossa a on särön pituus, N on syklimäärä A on materiaalivakio m on materiaalivakio K jännitysintensiteettitekijän vaihtelu K Y a Komponentin eliniän arvioiminen särönkasvun II-vaiheessa Stabiilin särönkasvun aikana Paris n avulla voidaan arvioida materiaalin kestoikää, kun tunnetaan: alkusärön pituus jännitysvaihtelu tavoiteltu syklimäärä

40 Paris'n laki

41 Kokeellinen määrittäminen Esim. CT-sauva Pitkillä säröillä Laskeva jännitysvaihtelu

42 NDT

43 dehavilland Comet

44 Ensimmäinen suihkumatkustajakone Ensimmäinen matkustajakone, jossa paineistettu kabiini (35000 jalan lentokorkeus)

45 Suunnittelu Varmuuskerroin 2.5 paineistuksen vuoksi Painekokeet 2P 30 2P painekoetta ja 200 1P painekoetta Sotilaskoneilta alettiin vaatia väsymiskokeita =>väsytyskokeet kunnes havaittiin säröjä syklissä

46 Onnettomuus Lentoonlähtö onnettomuuksia =>siivensuunnittelua muutettiin 1953 Calcutta-Karachi murtui myrskyssä =>lisättiin ohjaustehostimenvastetta Tammikuu 1954 G-ALYP =>oletettiin tulipalo Huhtikuu 1954 Rooma-Kairo

47 Tutkinta Aluksi väsyminen poissuljettiin testauksen vuoksi Testausta jatkettiin todellisilla lentokoneilla vesitankeissa ja vastaava vaurio havaittiin 3000 syklin jälkeen Turmat 1290 ja 900 lennon jälkeen

48 Ikkunoiden kulmista mittattiin 2/3 myötölujuuden suuruiset jännitykset Sisemmistä niitinrei'istä lähtevät säröt pysähtyivät ikkunaan Ulommista rei'istä kasvoivat kriittisiin mittoihin

49

50

51

52

53

54

55 Epilogi de Havilland lopulta paransi suunnittelua ja Comet IV otettiin käyttöön 50 luvun lopulta Boeing 707 tuli käyttöön hieman myöhemmin ja ylitti Cometin suorituskyvyn