Ultralujat rakenne- ja kulutusteräkset - tärkeimmät ominaisuudet suunnittelulle

Transkriptio

1 Ultralujat rakenne- ja kulutusteräkset - tärkeimmät ominaisuudet suunnittelulle CASR-Steelpolis verkostohanke (EAKR) Tekijät: Janne Lämsä, Henri Kiuru Raahen Seudun Teknologiakeskus Oy Oulun yliopisto 1

2 CASR-Steelpolis -verkostohanke Raahen Seudun Teknologiakeskus Oy:llä (RST Oy) ja Oulun yliopiston terästutkimuskeskuksella (CASR) on kolme vuotta kestävä hankkeen, jolla edistetään metallialan yritysten tutkimus- ja kehitystoimintaa. Hanke on aloitettu vuoden 2009 alussa ja päättyy Oulun yliopiston terästutkimuskeskus, CASR, edustaa korkean tason teräksenvalmistuksen ja myös jatkojalostuksen tutkimusta. RST Oy kehittää konepajojen teknologiaa ja on läheisessä yhteistyössä yritysten kanssa. Tutkimus- ja kehitystoiminnalla avustetaan yrityksiä kehittämään tuotteitaan, prosessejaan ja liiketoimintaansa kovassa kansainvälisessä kilpailussa. Hankkeen tavoitteena on yliopistollisen tutkimuksen tuominen Raahen ja Oulun seudun konepajateollisuuden kehittämistoimintaan hyödyntämällä CASR:n ja RST Oy:n osaamista. Hanke tarjoaa pk-yrityksille mahdollisuuden käyttää hyväkseen em. toimijoiden teknologista ja projektiosaamista, laitteita sekä laajaa yhteistyöverkostoa. 2

3 SISÄLLYSLUETTELO 1 JOHDANTO LUJAT JA KULUTUSTA KESTÄVÄT TERÄKSET Kemiallinen koostumus Miksi lujia ja kulutusta kestäviä teräksiä käytetään? Taloudellisuus Lujat ja kulutusta kestävät teräkset normeissa ja markkinoilla Lujien ja kulutusta kestävien terästen käyttö erilaisissa kohteissa Mitä rakenteiden hoikistumisesta seuraa? STAATTINEN LUJUUS JA SEN HYÖDYNTÄMINEN Lujuus jäykkyys (taivutus, vääntö) Törmäyskestävyys Nurjahduksen hallinta Lommahduksen hallinta Hitsatut rakenteet Millaista uutta suunnittelua? VÄSYMISLUJUUS JA MITOITUS Yleistä väsymisilmiöstä ja sen mittaamisesta Teräsmateriaalin väsyminen ja särönkasvu Geometrian vaikutus väsymisessä - jännityskeskittymät, hitsatut rakenteet Hitsin jälkikäsittely TERÄKSEN ISKUSITKEYS JA MITOITUS ISKUMAISTA KUORMAA VARTEN Iskumaisen kuorman huomioiminen rakenteen suunnittelussa KULUMISKESTÄVYYS Kulumismekanismit Kulumiskokeet Materiaalinvalinta Mitoitusperiaatteita Rakenteellisia näkökohtia LÄHTEET LIITTEET 3

4 1 JOHDANTO Ultralujien ja kulutusta kestävien teräsrakenteiden suunnittelu - selvityksen tarkoituksena on tuoda esille asioita, joita tulisi ottaa huomioon suunniteltaessa ja käytettäessä ultralujia ja kulutusta kestäviä teräslaatuja. Ultralujien terästen käytössä ja suunnittelussa pätevät samat perusasiat kuin tavallisella rakenneteräksellä, mutta jotkut erityisasiat korostuvat ja tulevat kriittisemmiksi, kun teräksen lujuus kasvaa. Tämä pätee ennen kaikkea teräslaatujen konepajakäytettävyydessä. Ultralujien ja kulutusteräksien kehitystä on edeltänyt käyttäjien ja suunnittelijoiden vaatimus saavuttaa kevyempiä, lujempia ja paremmin kulutusta kestäviä rakenteita. Jotta rakenteista saataisiin samalla lujia ja kevyitä on teräksen myötörajan oltava korkea, erityisesti ultralujilla teräslaaduilla. Samalla vaatimukset materiaalin kulumiskestävyydessä ovat johtaneet AR -terästen (Abrasion Resistant = kulutuskestävä), eli kulutusterästen kehittämiseen, joita voidaan tarvittaessa käyttää myös rakenneteräksinä. [1] Ultralujia ja kulutusta kestäviä teräksiä käytetään pääasiallisesti silloin kun pyritään vähentämään: - Omapainoa - Kulumista - Iskujen ja töytäisyjen vaikutusta - Pintavaurioita (lisäämällä kappaleen kovuutta) Nykyisin näitä teräksiä käytetään ahkerasti kuljetussektorilla, maansiirtoajoneuvoissa, autonostureissa, metsäkoneissa, prosessiteollisuudessa (sementti ja puunjalostus), kaivos- ja mineraaliteollisuudessa. Kulutusteräksiä käytetään yleisesti kohteissa, jotka altistuvat esim. maa-, kivi- ja soraaineksen hankaavalle kulutukselle. Ultralujien ja kulutusterästen suuri lujuus ja kovuus on saavutettu lämpökäsittelyllä (karkaisu). Nämä teräkset ovat erittäin puhtaita, joten myös niiden kylmä muovattavuus on hyvä. Suuresta kovuudesta huolimatta niiden käyttö on tuotannossa taloudellista. Kulutusteräksiä käytetään yleensä kohteissa, joissa rakenneterästen kulumiskestävyys ei enää ole riittävä. [1] Taulukko 1. Eri terästen lujuus- ja kovuusarvot. Myötölujuus Myötölujuus Brinell-kovuus [N/mm 2 ] [N/mm 2 ] [HB] LSS (Pehmeät teräkset) HSS (Luja teräs) UHSS (Ultralujateräs) AR (Kulutusteräs) noin

5 Kuva 1. Terästen lujuusluokittelu. [2, 32] Suurlujuusteräsrakenteiden suunnittelu eroaa perinteisistä rakenneteräksistä esimerkiksi materiaalin konepajakäytettävyydessä. Ultralujan teräksen suurempi lujuus sallii ohuempien materiaalivahvuuksien käytön, mutta materiaalin rakenneteräksiä hankalampi muovattavuus ja työstettävyys tulisi ottaa huomioon rakenteen suunnittelussa. Lujilla teräksillä on rakenneteräksiä pienempi murtovenymä sekä materiaalin lujuus asettaa jossain määrin rajoituksissa käytettävissä oleville laitteille ja suunniteltaville muodoille. Ultralujan teräksen muovaaminen vaatii samanvahvuisena huomattavasti enemmän voimaa, mutta toisaalta materiaalin vahvuutta pienennettäessä muovausvoima voi olla jopa pienempi kuin matalalujuuksisella rakenneteräksellä. Hitsausliitosten suunnittelussa materiaalin vahvuuden muutos vaikuttaa esimerkiksi railonmuodon uudelleen suunnitteluun sekä ottamaan lämmöntuonnin aiheuttamat muutokset tarkemmin huomioon. Näiden yhteensovittaminen ohjaa suunnittelijaa poikkeuksetta hakemaan uusia rakenneratkaisuja. Onnistuneella suurlujuusterässuunnittelulla on kuitenkin mahdollista saavuttaa käyttökohteesta riippuen kymmenien prosenttien etu massa- ja kustannussäästöjen kautta, joita ovat huoltokustannusten ja rakenteiden omapainon pienentyminen. Ultralujille teräksille ei ole kuitenkaan tarjolla perinteisiä rakenneteräksiä vastaavaa yhteisesti sovittuja standardoituja suunnitteluohjeita vaikka niiden kysyntä on kasvanut ja erilaisia käyttökohteita löytyy usealta eri teollisuuden alalta. Eurokokoodit sisältävät suunnitteluohjeita vain perinteisille rakenneteräksille lujuusluokkaan noin 500 MPa ja ohjeistuksia voidaan osittain soveltaa vielä 700 MPa myötörajan teräksiin asti. Ultralujia teräksiä käytettäessä joudutaan usein rakenteen kestävyys todistamaan materiaalikokeilla. Tämän johdosta suunnittelijan materiaalituntemus korostuu ultralujia teräsmateriaaleja käytettäessä. Tämän selvityksen tarkoituksena ei ole antaa suunnittelijalle yksiselitteisiä ja suoraviivaisia ohjeita suurlujuusterästen käyttöön, vaan esittää niitä erityispiirteitä, joihin valmistusystävällisen suunnittelun ja käytön kannalta tulee kiinnittää erityishuomiota materiaalin suuren lujuuden ja pienen murtovenymän johdosta. 5

6 2 LUJAT JA KULUTUSTA KESTÄVÄT TERÄKSET Käyttäjien vaatimukset teräksen korkeammasta lujuudesta ja paremmasta kulutuksenkestosta, joilla omapainoa saataisiin pienennettyä tai kulumiskestävyyttä parannettua, ovat johtaneet ultralujienlujien (UHS) ja kulutusteräksien (AR) kehittämiseen. UHS- ja AR-terästen luonteenomaisia piirteitä ovat suuri lujuus ja kovuus, mutta siitä huolimatta ne ovat suhteellisen sitkeitä. UHS -teräksellä on korkea myötölujuus/murtolujuus suhde. AR -teräs on kulutusteräs, jota voidaan käyttää myös rakenneteräksenä. AR -teräkset luokitellaan ensisijaisesti kovuuden perusteella tasoille HBW, mutta niillä on myös hyvin korkea myötöraja. Lujien ja kulutusterästen mekaaniset ominaisuudet saadaan aikaan pääasiallisesti lämpökäsittelyn avulla, eritoten karkaisulla, ts. lämmittämällä teräs ensin noin 900 C:n lämpötilaan ja jäähdyttämällä nopeasti huoneenlämpötilaan. Teräksen käsittely voi sisältää vielä päästökäsittelyn, jossa terästä pidetään noin 600 C:n lämpötilassa ja sillä poistetaan materiaalin sisäisiä jännityksiä. Jako ultralujien ja kulutusterästen välillä on tapahtunut materiaalien kehityksen alkuvaiheessa. Kulutusteräs ymmärrettiin aiemmin teräkseksi, jonka tärkein vaatimus oli suuri pintakovuus ja ne olivat pääsääntöisesti tarkoitettu murskaimiin, kouruihin, kauhoihin jne. Kulutusteräkset ovat kehittyneet sellaisiksi, että niissä taattuun suureen kovuuteen yhdistyvät myös taattu lujuus ja sitkeys sekä ne ovat helposti kylmänä särmättäviä. Rajaveto ultralujan rakenne- ja kulutusteräksen välillä käy siksi yhä epäselvemmäksi. Nykyaikaista kulutusterästä voikin tarkastella rakenneteräksenä, jolla on hyvä kulutuskestävyys. Ultralujia ja kulutusteräksiä hyödynnetään nykyaikaisessa teräsrakentamisessa hyvinkin erilaisissa käyttökohteissa aina vaativien olosuhteiden liikkuvista sovelluksista kantaviin rakenteisiin. Ultralujien terästen keskeisimpiä hyödyntäjiä on raskas teollisuus, mutta myös kasvavassa määrin ajoneuvoteollisuus, jossa alemman lujuusluokan teräksiä korvataan lujemmilla teräslaaduilla. Keskeisenä kriteerinä ultralujien terästen käytölle on saavuttaa perinteisiin rakenneteräksiin nähden optimoidumpi materiaalisoveltuvuus, jotta päästäisiin parempaan hyötykuormasuhteeseen tai edullisempaan suorituskykyyn. Kuvassa 2 on esitetty teräksen lujuuden vaikutusta käytettävään materiaalin vahvuuteen. Tarkoituksena on selventää lujanteräksen käytöstä saavutettavaa paino hyötyä ja kuvaajasta havaitaan, että lujemman teräksen käytöllä voidaan materiaalivahvuutta alentaa jopa kymmeniä prosentteja. Suunnittelussa tulee kuitenkin varmistaa, ettei materiaalin ohentamisella ole vaikutusta rakenteen nurjahdus tai lommahdus herkkyyteen. Tumma käyrä kuvaa materiaalien vetokestävyyttä ja harmaa kuvaaja taivutuskestävyyttä. Kuvassa on verrattu S355 teräslaatua S690 ja S960 lujuusluokan teräksiin sekä taivutus- että vetokuormituksen suhteen. [3] Kuva 2. Materiaalin lujuuden vaikutus materiaalin vahvuuteen vaihdettaessa S355 teräslaatu lujaan teräkseen. [3] 6

7 2.1 Kemiallinen koostumus Yhtenä ultralujien ja kulutusterästen kehittämistavoitteena on ollut hyvä hitsattavuus, ts. teräksen tulisi sisältää mahdollisimman vähän seosaineita. Toisaalta karkaistavaksi tarkoitettu teräs vaatii tietyn määrän seosaineita, jotta saavutetaan materiaalin läpikarkenevuus. Pienen seosmäärän ansiosta näiden teräksien hitsattavuus on alle 20 mm:n levynpaksuuksilla lähes samanlainen kuin tavallisilla teräksillä. Tätä suuremmilla levyn paksuuksilla kasvaa esilämmityksen tarve niin kuin tavallisilla rakenneteräksilläkin. Erään ultralujan ja kulutusteräksen kemiallinen koostumus on esitetty taulukossa, lisää eri valmistajien terästen koostumuksia Liitteissä 1 ja 2. Taulukko 2. Ultralujan ja kulutusteräslaadun kemiallinen koostumus. Ultralujateräs C Si Mn P S Al 700 MPa 0,1 0,2 2,1 0,02 0,01 0,015 Kulutusteräs C Si Mn P S Cr Ni Mo B 300 HBW 0,18 0,80 1,70 0,025 0,015 1,50 1,00 0,50 0, Miksi lujia ja kulutusta kestäviä teräksiä käytetään? Ultralujan teräksen suuri lujuus sekä kulutusteräksen kovuus mahdollistavat kevyempien rakenneratkaisujen käytön ja hyötykuorman kasvattamisen. Suurlujuusteräs mahdollistaa ohuemmat aineenpaksuudet, joka hitsattavissa rakenteissa mahdollistaa lyhyemmät tuotantoprosessin läpimenoajat kuin matala lujuuksisella rakenneteräksen. Lisäksi kevyemmillä rakenteilla saadaan aikaan energiatehokkaita ratkaisuja hyötykuorman kasvaessa. Suurlujuusteräkset tarjoavat näin ollen paljon etuja laajassa mittakaavassa. Lujien terästen käyttämiseen liittyy monia hyviä puolia, jotka ovat valtteja myös markkinoinnin kannalta. Pääkohtia ovat ekologisuus, kestoikä, suorituskyky, turvallisuus, keveys sekä hyötytilavuuden ja hyötykuorman kasvaminen. Teräksen suurilujuus ja kohtuullinen kulumiskestävyys, hyvä pinnanlaatu, kylmänkestävyys ja mittatarkkuus antavat suunnittelijalle uusia mahdollisuuksia. Ultralujat teräkset tuovat tehokkuutta laitteiden valmistukseen hyvän hitsattavuuden, kohtuullisen särmättävyyden ja pienempien kappalepainojen ansiosta. Teollisuudessa, ajoneuvoissa ja monissa laitteissa tarvitaan sitkeää ja kovaa terästä, joka säästää kulutukselle alttiita rakenneosia kulumiselta ja turhilta vaihdoilta. [4] Ultralujien ja kulutusterästen hinta on luonnollisesti korkeampi, kuin matala lujuuksisten terästen, mutta rakenteen keventämisen ja valmistuksen tehostumisen takia saadaan kustannustehokkaampi lopputulos käyttämällä lujia teräksiä. Vertaillessa suurlujuusterästen ja yleisten rakenneterästen suhteellista hintaa, saadaan käsitys siitä millaisiin kustannussäästöihin päästään. 7

8 Kulutusteräkset verrattuna tavallisiin teräksiin Ultraluja- ja kulutusteräksien suuri lujuus ja kovuus saadaan aikaan karkaisulla, jossa terästä ensin hehkutetaan austeniittialueella C:ssa ja jäähdytetään karkaisunesteen avulla suoraan huoneenlämpötilaan. Näin saadaan teräksen mikrorakenteesta aikaan luja, mutta samalla suhteellisen sitkeä. Kuumavalssatulla eli ennen karkaisua olevalla tilassa, lujan teräksen ominaisuudet ovat hyvin lähellä S355 rakenneteräksen ominaisuuksia, vain teräksen lujuus ja kovuus ovat hieman suurempia kuin tavallisella teräksellä. UHS- ja ARteräksen sitkeys on hieman heikompi seostuksesta johtuen. [1] Kulutusterästen eri laatujen suhteellista kestoikää on verrattu kuvassa 3 tavalliseen rakenneteräksen Kuva 3. Kulutusterästen kestoikä vertailua. [5, 32] kestoikään. Kovuusluokan 400 HBW kulutusteräksellä on pehmeässä tilassa myötölujuus (R p0,2 ) noin 450 MPa ja murtolujuus (R m ) noin 550 MPa murtovenymän ollessa noin 16 % ja kovuuden noin 180 HBW. Karkaisun jälkeen teräksen kovuus ja lujuus reilusti kaksinkertaistuvat, mutta samalla murtovenymä laskee alla 10 %:n ja iskusitkeys pienenee jonkin verran. Karkaistut teräkset on palautettavissa pehmeään tilaan normalisointi- tai pehmennyshehkutuksella. Tällä tavalla kulutusteräs voidaan tarvittaessa pehmentää uudestaan (vrt. hitsaus) tai valmistaa karkaistusta teräksestä nuorrutettua terästä päästöhehkuttamalla. Kulutusteräksen uudelleen karkaisu ei oikein tehtynä huononna teräksen ominaisuuksia. [1] 2.3 Taloudellisuus Ultralujia ja kulutusteräkset ovat vaikeampia valmistaa kuin tavanomaiset rakenneteräkset. Tästä seuraa, että UHS- ja AR-terästen hinta muodostuu korkeammaksi painoyksikköä kohden ( /kg). Jos vertaamme hintaa/myötöraja tai hintaa/kovuus ovat UHS- ja AR-teräkset taloudellisesti kannattavia. Useimmissa tapauksissa, joissa UHS- ja AR-teräksiä käytetään, merkitsee käyttäjälle rakenteen omapaino tai kulumiskestävyys äärimmäisen paljon ja näin ollen myös valmistajan kilpailukyky paranee. Kulutusteräksille vertailu voidaan tehdä kovuuden suhteen ja suurempi kovuus johtaa useimmissa kulumistapauksissa pienempään materiaalihäviöön ja näin ollen myös huoltokustannukset pienenevät. Pidempi tuotteen elinikä vähentää suoraan korjaus- ja vaihtoseisokkeja. Yhteenvetona voidaan todeta, että niissä tapauksissa, joissa suunnittelija pystyy hyödyntämään UHS- ja AR-terästen ominaisuuksia niin niitä on kannattavaa käyttää. 2.4 Lujat ja kulutusta kestävät teräkset normeissa ja markkinoilla Nykyiset standardit ja suositukset kattavat mitoitusohjeita lujuusluokan 700 MPa (myötölujuus) teräksiin asti ja osittain tätä suuremman lujuusluokan teräksille riippuen mitoitustavasta ja kuormituksesta. Eurokoodi 3 mitoitusohjeet kattavat staattiset, väsymis- ja liitosten tarkastelut 460 lujuusluokkaan asti. Eurokoodin lisäosa laajentaa tarkastelua 700 lujuusluokkaan, jossa asetetaan joitain lisärajoituksia. International Institute of Welding (IIW) antaa hitsatuille liitoksille ja eri liitostyypeille staattisia kestävyyksiä. IIW:llä on kattava ohjeistus myös hitsausliitosten väsymismitoituksel- 8

9 le, joka kattaa teräksen 960 lujuusluokkaan asti. CIDECT on kansainvälinen putkipalkkivalmistajien yhteisö, jolla on vielä omat ohjeistuksensa. [6, 7, 8] Ultralujien ja kulutusta kestävän teräksen valmistajia on markkinoilla paljon, joilla on tarjottavana useita erilaisia teräslaatuja. Valmistajien välillä on pieniä eroja teräslaatujen seosaineissa ja suurimmat erot ovatkin yleensä valmistusprosessissa. Terästehtaat kehittävät kokoajan entistä lujempia teräksiä, joilta vaaditaan korkean lujuuden lisäksi hyvää konepajakäytettävyyttä. Yleinen käsitys on, että lujien terästen valmistettavuus on huonompi verrattuna yleisiin rakenneteräksiin. Valmistettavuuden parantamiseen on kuitenkin kiinnitetty paljon huomiota lujien terästen valmistuksessa eikä lujan teräksen jatkojalostaminen tuotteiksi muodostu ongelmalliseksi. UHS- ja AR-teräkset on suunniteltu tarjoamaan suurempia lujuuksia kuin normaalit ja perinteiset hiiliteräkset. Lujiin teräksiin kuuluu monia eri ryhmiä, kuten esitettiin Kuvassa 1. Lujaksi teräkseksi luokitellaan teräs, jonka myötölujuus ylittää 550 MPa. Liitteeseen 1 on koottu eri valmistajien ultralujia valssattuja teräksiä myötölujuusluokissa 700, 900, 960 ja 1100 MPa sekä liitteeseen 2 kulutusteräksiä eri kovuusluokissa. 2.5 Lujien ja kulutusta kestävien terästen käyttö erilaisissa kohteissa Ultralujia teräksiä käytetään lukuisissa erilaisissa kohteissa. Henkilöautojen valmistuksessa on jo pitkään käytetty hyväksi uusien lujien ja muovattavien ohutlevyterästen mukanaan tuomia etuja. Vielä tätäkin aikaisemmin autoteollisuus kehitti koneen osiin syvälle karkenevia, lujia ja sitkeitä, hyvin hitsattavia booriteräksiä. Viime vuosina on kehitetty myös uuden sukupolven lujia valuteräksiä. Kulutusteräkset ovat olleet jo pitkään käytössä kaivosteollisuudessa, jossa materiaalilta vaaditaan äärimmäisen hyvää kulumiskestoa ja lujuutta. Nosturien puomit: Henkilö- ja tavaranostureissa lujien teräksen käyttämisellä saavutetaan monia etuja. Ultralujien terästen käytöllä saavutetaan kevyempiä ja pidempiä nostopuomeja, joilla elastinen taipuma on hallinnassa. Ultralujien terästen mahdollistama alhaisempi omapaino ja lujempi puomisto tuovat nosturille lisää tehokkuutta, suuremman hyötykuorman, ulottuvuuden ja käyttöturvallisuuden (Kuva 4). [9] Ulottuvuutta voidaan parantaa % samalla alustalla pienemmän painon ansiosta. Henkilönostimien puolella, kuten palomiesten käyttämien nostureiden kohdalla ulottuvuuden lisääntymisellä on merkitystä. Hyötyajoneuvojen ja työkoneiden rungot: Ajoneuvojen rungoissa lujia teräksiä hyödynnetään pienentämään ajoneuvon omapainoa. Rakenteen omapainon pieneneminen vähentää suoraan polttoaineen kulutusta ja esim. maantieliikenteessä lisää hyötykuorman painoa. Ultralujien terästen käytöllä henkilöautojen runkorakenteista saavutetaan kevyempiä, mutta samalla turvallisempia rakenteita (Kuva 5). [10] Kuva 4. Kuorma-auton nostopuomi. [9] Kuva 5. Ultralujien terästen käyttökohteita henkilöauton runkorakenteissa. [10] 9

10 Junavaunujen seinäelementit: Ultralujasta teräksestä on kehitetty uudenlainen ratkaisu junanvaunujen seinäelementtien kokoonpanoon (Kuva 6). Seinäelementtejä käytetään paikallisjunien vaunujen kyljessä. Suurlujuusteräksen käytöllä ei menetetä rakenteen hyviä ominaisuuksia vaan säilytetään tarvittavat ominaisuudet turvallisuuden kannalta, jotka ovat raideliikenteessä yhtä tärkeät kuin auto- ja kuljetusvälineteollisuuden puolella. Keventyneen painon ansiosta myös raiteet kuluvat entistä vähemmän. [11] Ultralujan teräksen käyttökohteita: - Hyötyajoneuvojen runko- ja päälirakenteet - Metsäkoneiden puomit - Nosturien puomit ja muut nostolaitteet - Kuormankäsittelylaitteet, tuenta- ja kiinnityslaitteet - Syöttö- ja purkaussuppilot - Kontit. [12] Kulutusteräksiä voidaan käyttää myös hieman erilaisissa kohteissa kuin mihin on totuttu. Näissä kohteissa ei välttämättä käytetä hyväksi kulutusterästen hyvää kulumiskestävyyttä vaan luotetaan enemmänkin niiden suureen lujuuteen. [1] Kulutusteräksiä käytetään myös työkaluissa ja niiden leikkaavissa terissä sekä suojausrakenteissa (esimerkiksi ovissa ja lukituslaitteissa). Uusia käyttökohteita kulutusteräksille löytyy koko ajan ja niitä voikin nykyään löytää lähes mistä tahansa. Maansiirtolavat ja peräkärryt: Kuva 6. Junavaunujen seinäelementit [11] Kulutusteräksen käytöllä maansiirtolavoissa (Kuva 7) saavutetaan hyvä kulumisen kestävyys. Kovuutensa ansiosta kulutusteräs sopii kaikkiin lavan kulutukselle ja iskuille alttiisiin pintoihin. Runko-ohjatun maansiirtoauton lavarakenne on yksi vaativimmista kulutusta kestävien terästen käyttökohteista, koska lava altistuu jatkuvasti iskuille ja kulutukselle. [13, 14] Kuva 7. Maansiirtolava [13] Kuva 8. Kaivinkoneen kauha. [13] Kaivinkonekauhat: Kulutusteräslaatujen käyttäminen parantaa lopputuotteen iskulujuutta ja kulutuksen kestävyyttä. Kulutusteräs pidentää merkittävästi tuotteen käyttöikää, alentaa maarakennus- ja maansiirtokoneiden kunnossapitokustannuksia ja parantaa tuottavuutta. Kuvassa 8 on esitetty kulutusteräksestä valmistettu kauha. [13] Kulutusterästen yleisiä käyttökohteita: 10

11 - Kuormaajien ja maansiirtokoneiden kauhat, huulilevyt ja jyrsintäterät - Dumpperien ja kuorma-autojen lavat - Kaivoskoneiden kulumisosat - Kuormaimet ja kaatosuppilot - Murskaimet, kuljettimet - Säiliöt - Betonimyllyjen ja puunjalostuskoneiden kulumisosat - Alustarakenteet. [14, 1] Kuva 9. Kulutusterästen käyttökohteita. [13] 2.6 Mitä rakenteiden hoikistumisesta seuraa? Suuri lujuus mahdollistaa rakenteen aineenpaksuuksien ohentamisen, tästä kuitenkin seuraa, että rakenteen suunnittelu, valmistus ja joskus käyttökin muuttuu haastavammaksi. Puutteellisesti tehdyllä suunnittelulla tai valmistuksella lopullisen tuotteen hinta voi nousta liian korkeaksi tai tuotteen elinikä alentua ratkaisevasti. Hyvin tehty suunnittelu on avainasemassa, jotta saadaan rakenteen valmistus onnistumaan, suorituskyky kasvamaan, kannattavuus paranemaan ja käytönaikaiset energiakustannukset pienenemään. 11

12 3 STAATTINEN LUJUUS JA SEN HYÖDYNTÄMINEN Aiemmin on esitetty, että ultralujien ja kulutusterästen korkeaa lujuutta voidaan suoraan käyttää hyväksi rakenteen omapainon pienentämiseksi tai rakenteen kuormankestokyvyn lisäämiseksi. Teräksen lujuuden kasvaessa materiaalikustannukset pienenevät suhteessa lujuuteen, joten jos voimme käyttää hyväksi näiden terästen lujuutta, on se selvästi kannattavaa. Ultralujien ja kulutusterästen mitoittamisessa voidaan käyttää hyväksi klassisia lujuusopin kaavoja sekä standardeja hyödyntämään soveltaen. Suureen myötölujuuteensa nähden pienen staattisen kuormituksen alainen suurlujuusteräselementti käyttäytyy kimmoisasti, eikä pieni murtovenymä vaikuta tällöin rakenteen toiminnallisuuteen. Kuormitustason noustessa kohti materiaalin lujuuden rajoja nousee materiaalin plastinen käyttäytyminen esille. Pienen murtovenymän sekä myötö- ja murtolujuusarvojen välisen alueen pituus vaikuttavat yhdessä rakenteen käyttölämpötilan kanssa rakenteen staattiseen lujuuteen. [16] Ajoneuvorakenteiden staattiset kuormitukset tunnetaan usein jo suunnitteluvaiheessa, sillä ne muodostuvat ajoneuvon ja kuorman yhteispainosta. Näiden kuormitusten rakenteelle aiheuttamia rasituksia on mahdollista määrittää mm. elementtimenetelmällä. Rakenteen karkeasuunnittelu tehdään staattisen kuormituksen (rakenneosien oma, lastin ja mahdollisten liittyvien rakenteiden paino, nosturit tms.) avulla ja valitaan alustavasti rakenneosat ja komponentit. [17] 3.1 Lujuus jäykkyys (taivutus, vääntö) Staattisella lujuudella tarkoitetaan rakenteen kestävyyttä tilanteessa, jossa mekaaninen kuorma on vakio eikä vaihtele. Teräsrakenteiden mitoitus perustuu tavallisesti materiaalin lujuuteen, jonka mittana käytetään pääsääntöisesti myötölujuutta. Teräksen mitoitusarvona voidaan käyttää myös murtolujuutta, mutta suunnittelun kannalta tärkeämpi on kuitenkin myötölujuus. Teräksen lujuus- ja venymäarvot määritetään yleensä vetokokeella. Staattisessa mitoituksessa on oleellista, että paikalliset jännitykset jäävät riittävän paljon myötörajan alapuolelle. Mitoituksessa otetaankin usein käyttöön riittävät varmuuskertoimet, jotta ylikuormitusta ei pääsisi tapahtumaan. Ultralujilla ja kulutusteräksillä on aiemmin todettu olevan korkea myötöraja. Kuvassa 10 tarkastellaan miltä vetokoekäyrät näyttävät verrattuna tavallisiin rakenneteräksiin. Vetokoekäyrästä voidaan havaita, että UHS- ja AR- teräksillä on korkea myötöraja, siirtymä myötötasolle on pehmeä ja muokkauslujittuminen vähäistä (pieni murtovenymä). Vetokoekäyrästä nähdään myös, että myötöraja/murtorajasuhde on korkeampi ja murtovenymä pienempi kuin tavallisilla rakenneteräksillä. Vaikka venymät ovatkin UHS- ja AR- teräksillä pienempiä ovat arvot täysin hyväksyttäviä, joka on osoitettu UHS- ja AR- terästen käytöllä monissa vaativissa rakenteissa. Erivalmistajien materiaalien nimellisiä lujuusarvoja on esitelty tarkemmin Liitteessä 1 ja 2. Kuva 10. Vetokoekäyrien vertailua. Rakenteen jäykkyydellä tarkoitetaan sen joustoa kimmoisalla alueella vakiovoimalla. UHS- ja ARteräksillä on sama kimmokerroin (E) kuin muillakin rakenneteräksillä, joten jäykkyys määräytyy kimmokertoimen mukaan. Kimmokerroin kuvaa jännityksen ja muodonmuutoksen välistä riippuvuutta ns. kimmoisalla eli täysin palautuvalla alueella. Se on materiaalivakio, jonka suuruuteen ei 12

13 pystytä juurikaan vaikuttamaan materiaalin seostuksella, lämpö- tai pintakäsittely. Tästä johtuen lujilla teräksillä ei saavuteta suurta hyötyä materiaalin jäykkyydessä vaan riittävä jäykkyys täytyy saavuttaa rakenteen suunnittelulla. Toisaalta teräsrakenteen jäykkyys riippuu myös poikkipintaalasta ja muodosta, joten kimmokertoimen muutoksen vaikutus voidaan korvata poikkipinnan mittoja ja geometriaa muuttamalla. Esimerkkinä kuvassa 11 on esitetty teräspalkin muodon optimoinnilla sekä lujuuden nostamisella saatavaa hyötyä. Taipumaa voidaan pienentää korkeammalla ja samanaikaisesti monimutkaisemmalla profiililla. [21, 34] Kuva 11. Palkin poikkileikkauksen optimointi. Poikkileikkauksen pinta-ala myötölujuuden funktiona. [21] 3.2 Törmäyskestävyys Ultralujat teräkset ovat tehokkaita absorboimaan energiaa ja kestämään korkeita kuormituspiikkejä. Tästä syystä esimerkiksi autoteollisuudessa on kiinnostuttu niiden käytöstä. Kuvassa 12 on esitetty teräksen lujuuden vaikutus energian absorbointikykyyn putkipakin aksiaalisessa kuormituksessa. Kuvan perusteella absorboitu energia kasvaa teräksen lujuuden kasvaessa. Lisäksi taulukossa 3 on esitetty taivutuskokeisiin ja aksiaalisiin törmäyskokeisiin perustuvat eri lujuusluokilla saatavat hyödyt energian absorboinnissa ja painonsäästössä verrattaessa tavalliseen rakenneteräkseen. [45] Kuva 12. Energian absorbointikyky aksiaalisessa kuormituksessa. [46] 13

14 Taulukko 3. Korkeamman teräslujuuden vaikutus energian absorbointikykyyn ja painon kevennykseen verrattaessa tavalliseen rakenneteräkseen (mild steel). [45] Docol DP laatu Hyöty energian absorboinnissa % Painon kevennys % Nurjahduksen hallinta Sellaiset epästabiilisuusilmiöt kuten nurjahdus, lommahdus ja näiden yhteisvaikutusten hallinta muodostuvat yhä tärkeämmiksi koska kehitys on johtanut tarkempaan materiaalien hyödyntämiseen ja kehittyneisiin rakenneratkaisuihin. Nurjahduksella tarkoitetaan rakenteen suurta taipumaa rakenteen kuormaan nähden (Kuva 13). Nurjahdusta esiintyy yleensä puristavalla kuormituksella ja mitä pidempi ja hoikempi rakenne on (esim. sauva tai palkki), sitä suurempi mahdollisuus nurjahdukselle on olemassa. Rakenteen geometrialla ja materiaalin elastisuudella on vaikutusta kappaleen nurjahdusherkkyyteen. Nurjahdus voi tapahtua jo materiaalin myötörajaa alemmissa jännityksissä. Tästä syystä hoikat (ohuet) rakenteet voidaan joutua mitoittamaan tilaa vievemmiksi (tai paksummiksi) kuin materiaalin muodonmuutoksiin tai jännitykseen perustava mitoitus muuten määrää. Palkin nurjahdus riippuu: kuormasta, poikkileikkauksesta, palkin pituudesta, kiinnityksestä, myötörajasta ja kimmomodulista. Yleisiä riskirajoja nurjahdusta vastaan on vaikea antaa. Suurlujuusteräksen korkeammasta lujuudesta on mahdollista hyötyä silloin, kun rakenneosan hoikkuus on riittävän pieni. Tätä voidaan havainnollistaa kuvalla 14, jossa eri teräslujuuksille on laskettu nurjahdusjännitykset Eurokoodiin 3 perustuen. Suurilla hoikkuusluvun arvoilla nurjahdus riippuu ainoastaan teräksen kimmokertoimesta, jolloin materiaalin lujuudella ei ole merkitystä. [37, 38] Nurjahduksen kannalta massiiviset rakenteet ovat suurlujille teräksille edullisia. Kuvan 15 perusteella on havaittavissa, kuinka lujemman teräksen hyöty kasvaa puristuskuorman alaisena samalla kun profiilin koko kasvaa. Kuvaajan arvot perustuvat Eurokoodin 3 mukaisiin kaavoihin. [37, 39] Kuva 13. Sauvan nurjahtaminen. [23] Kuva 14. Nurjahdusjännitys hoikkuusluvun funktiona. [37] 14

15 Kuva 15. Pyöreiden putkiprofiilien mitoituskuorma puristuksessa poikkileikkauksen pinta-alan funktiona. [37] 3.4 Lommahduksen hallinta Levyn lommahdus on periaatteeltaan erilainen kuin sauvan nurjahdus. Lommahduksella tarkoitetaan ilmiötä, jossa tasossa kuormitettu levymäinen rakenne taipuu äkillisesti jollain tietyllä puristustai leikkausvoimalla. Kun levynpaksuus pienenee, lommahduksen vaara kasvaa. Lommahduksen estämiseksi on olemassa erilaisia ohjeita mitoitusta varten. Levymäisen materiaalin lommahdusta on pyritty selventämään kuvalla 16, jossa kuormittava jännitys vaikuttaa levyn lyhyeltä sivulta. Lommahdusta voidaan usein ehkäistä erilaisilla jäykisteillä, joka voi olla tehokkaampi vaihtoehto levypaksuuden tai muiden dimensioiden muuttamiselle. Palkkien seinämät ovat levyrakenteita, jotka voivat lommahtaa. Palkit pyritään mitoittamaan mahdollisimman ohutseinäisiksi, jolloin lommahdus voi muodostua määrääväksi mitoitusperusteeksi. Kuvassa 17 on esitetty lommahtanut palkki. [18] Kuva 16. Levyn lommahdus. [35] Kuva 17. Lommahtanut palkki. [18] 15

16 3.5 Hitsatut rakenteet Hitsattujen rakenteiden staattinen lujuus riippuu hitsausliitosten sijoittelusta, hitsauslisäaineista ja hitsauksen suorituksesta (hitsaustekniikasta). Ultralujat ja kulutusta kestävät teräkset valmistetaan karkaisemalla, joten niiden lämmöntuontiin ja esilämmitykseen on syytä kiinnittää huomiota. Suuren lujuuden teräkset voivat menettää omaisuuksiaan hitsauksen lämmön vaikutuksesta, joten turhaa lämmöntuontia tulee rajoittaa. Hitsauksen aikaista lämmöntuontia on mahdollista ja kannattaa seurata saatavissa olevilla mittareilla, kuten mittaliiduilla. [1] Hitsauksessa liitoksen huippulämpötila vaihtelee varsin kapealla alueella sulan Kuva 18. Kulutusteräksen hitsausliitoksen vyöhykkeet. [1] teräksen lämpötilasta (yli 1200 C) käytettyyn työlämpötilaan. Hitsausliitoksen eri kohtiin muodostuu näin ollen erilaisia lämpövaikutuksia ja liitoksen syntyy myös erilaisia mikrorakenne vyöhykkeitä (Kuva 18). Hitsauksessa syntynyt mikrorakenne määrittää suurelta osin hitsin lujuuden. [1] Hitsin muutosvyöhyke jakaantuu seuraavanlaisiin osiin: - Karkearakeinen vyöhyke (ylikuumentunut vyöhyke) - Hienorakenteinen vyöhyke (normalisoitunut vyöhyke) - Osittain austenoitunut vyöhyke. [1] Iskusitkeyden kannalta kriittisin vyöhyke on yleensä karkearakeinen vyöhyke. Karkearakeisella vyöhykkeellä austeniitin raekoko on kasvanut johtuen korkeasta lämpötilasta (yli 1100 C) ja suuri raekoko johtaa teräksen jäähtyessä ja austeniitin hajaantuessa kovien ja yleensä hauraampien mikrorakenteiden muodostumiseen. Mitä nopeampi jäähtyminen on, sitä kovempi hitsin muutosvyöhykkeestä tulee ja sitä alttiimpi se on halkeamille. [1] Hyödyntämällä UHS- ja AR-teräksiä tehokkaasti, on hitsien muotoilua ja sijoittelua suunniteltava enemmän kuin käytettäessä tavanomaisia teräksiä. Tämä koskee lähinnä hitsien väsymiskestävyyttä, pehmeämpien materiaalien hitsauslisäaineiden käyttöä (ns. alilujat hitsit) sekä sitä, että sijoittamalla hitsit vähemmän kuormitetulle alueelle pienenee hitsausvirheiden merkitys. Tuotteenrakenne tulisi suunnitella jouhevaksi ja hitsien sijoittelu alueille, joissa jännitykset ovat alhaiset. Hitsit tulisi myös muotoilla siten, että hitsiin syntyvä lovivaikutus jäisi pieneksi (esim. terävät reunat). Suunnittelussa tulisi pitää huolta, että hitsien tarkistus on mahdollista suorittaa hitsauksen ja käytön aikana (Kuva 19). 16

17 Kuva 19. Yleisimpiä hitsausvirheitä. [19] Kulutusterästen hitsauksessa kannattaa valita pehmein mahdollinen teräslaatu ja hitsauslisäaine, mihin suunnittelu antaa madollisuuden. Pehmeä teräslaatu sietää enemmän hitsausvirheitä tai virheellisiä hitsausparametreja. [1] Tämä on mahdollista koska: - Suunnittelija on onnistunut sijoittamaan hitsit vähän kuormitetuille alueille - Pehmeämmät lisäaineet eivät hitsattaessa muodosta yhtä herkästi halkeamia tai sulkeumia, eivätkä ne vaadi samassa määrin esilämmitystä - Lisäaineet, joilla on alhaisempi myötöraja, ovat halvempia per kg hitsiä ja lisäksi niiden riittoisuus on parempi, eritoten jauhekaarihitsauksessa - Konepajat ovat tottuneita tavallisille teräksille tarkoitettuihin lisäaineisiin ja lisäainevalikoimaa ei tarvitse suurentaa vain siksi, että käytetään UHS- ja AR-teräksiä. UHS- ja AR-teräkset ovat kuitenkin suhteellisen hyvin hitsattavia, jotka karkaistaan tai nuorrutetaan riittävän pintakovuuden aikaansaamiseksi. Tällaisia nykyaikaisia kulutusteräksiä ovat kovuusluokassa HB mm. RAEX, HARDOX ja BRINAL. Kulutusterästen hitsaukseen suositellaan yleensä pehmeitä ja sitkeitä seostamattomia lisäaineita. Niiden hitsaukseen suositellaan joskus myös austeniittisia ruostumattomia lisäaineita, joilla on etunaan pienempi esikuumennustarve ja pienempi vetyhalkeiluriski karenneessa muutosvyöhykkeessä. Austeniittisen lisäaineen etuja on niiden pienentynyt vetyhalkeilu riski ja hitsiaineen sitkeys. [20] 3.6 Millaista uutta suunnittelua? Ultralujien ja kulutusta kestävien terästuotteiden suunnittelija vastaa rakenteen periaatteellisesta toimivuudesta ja suunnittelu perustuu olemassa oleviin materiaalitietoihin (toimitustila) ja käyttöolosuhdetietoihin (kuormat ja ympäristötekijät). Samalla suunnittelun ja valmistuksen laatutietoisuuden merkitys korostuu kun siirrytään käyttämään UHS- ja AR-teräksiä. Perinteisten rakenneteräksien hyvä venymiskyky ei ole erityisemmin edellyttänyt suunnittelutahoa panostamaan valmistusosaamiseen ja sen huomioon ottamiseen suunnittelussa. Tuotteen valmistettavuuden huomioon ottava suunnittelu (DFM - Design for Manufacturing) nousee tärkeäksi lähtökohdaksi käytettäessä UHS- ja AR-teräksiä. Teräksen lujuuden kasvaessa lähtömateriaalin hyvät ominaisuudet voivat huonontua merkittävästi taitamattomassa valmistusprosessissa ja vaikutukset korostuvat ääriolosuhteissa. Hitsausliitoksen suunnittelun vaikutuksia hitsin väsymiskestävyyteen on listattu kuvassa 20. [21] Tuotannon automaatioasteen nostamisella päästään usein parhaimpaan ja tasalaatuisempaan lopputulokseen esimerkiksi hitsausprosessissa. Robottihitsauksella on helpompi kontrolloida UHS- ja AR-teräksille tärkeää lämmöntuontia sekä hallita hitsinlaatua. 17

18 Kuva 20. Väsymislujuutta parantavien menetelmienvertailu [17] 18

19 4 VÄSYMISLUJUUS JA MITOITUS Teräksien perusominaisuuksiin kuuluu, että niitä voidaan kuormittaa vaihtelevalla kuormalla tiettyyn rajaan ns. väsymisrajaan asti. Tavallisesti väsymisrajan jälkeen aineeseen syntyy muodonmuutoksia, jotka aiheuttavat kappaleen murtumisen tai rakenteen muun vioittumisen. Väsyminen on jatkuva ilmiö, jossa vaurio kehittyy vähitellen ja alkuvaiheessa hitaasti, mutta kiihtyen hyvin nopeasti murtumisen loppua kohti. Väsymisen alkuvaiheessa muodostuu materiaalin pintaan särön ydintyminen, alkusärö tai -halkeama. Väsymisilmiö esiintyy pääasiassa teräsrakenteissa, joiden kuormitus ja kuormituksen suuruus vaihtelee. Väsymiseen tarvittava toistuva jännitys voi usein olla huomattavastikin aineen myötörajaa alhaisempi. Aineen väsymislujuutena pidetään suurinta jännitystä, jonka aine murtumatta kestää kuormitus kertojen rajattomasti kasvaessa. Äärettömän kestoiän rajaarvona käytetään väsymiskokeissa rakenneteräksille 10 7 kuormituskertaa. Kuvan 21 mukaisesti hitsaamattoman suurlujuusteräsmateriaalin väsymislujuus (jännitysvaihteluväli) samalla kuormitusmäärällä on suuren myötölujuuden johdosta korkeampi kuin matalalujuuksisen teräksen. Hitsatuissa jäännösjännityksellisissä suurlujuusteräsrakenteissa teräksen lujuusarvoilla ei ole suurta merkitystä väsymisen kannalta, koska rakenteen väsymiskestävyys määräytyy suurelta osin hitsin väsymiskestävyyden mukaisesti. [22, 23, 36] Koska murtuman ydintyminen riippuu jännitystasosta ja jännitystavasta, kaikki sisäisistä ja ulkoisista vioista aiheutuvat jännityskeskittymät voivat lyhentää väsymisikää huomattavasti erityisesti silloin, kun särön ydintyminen muodostaa merkittävän osan kappaleen väsymiskestoiästä. Sen vuoksi tasaisen ja kiillotetun pinnan omaavalla osalla on yleensä korkeampi väsymislujuus kuin karkeapintaisella kappaleella. [23] Suurlujuusteräsrakenteiden hitsausliitosten väsymiskestävyyden kannalta Kuva 21. Kappaleen pinnan geometrian vaikutus väsymiskestävyyteen. keskeisin tekijä on niiden sijoittelu kuormitusten kannalta kohtiin, joissa kuormitus on mahdollisimman pieni ja kuormanvaihtokertoja tulee rakenteen käyttöikään nähden mahdollisimman vähän. Hitsausliitoksen väsyminen alkaa hitsiliitoksessa olevien valmiiden säröjen ydintymisellä, joille alttiita kohtia ovat esimerkiksi hitsin ja perusmateriaalin rajaviiva. Hitsatuilla suurlujuusteräselementeillä alkusärön ydintymisaika on huomattavasti lyhyempi verrattuna säröttömän rakenteen kestoikään, minkä vuoksi hitsausluokat ovat keskeisessä roolissa kriittisissä sovelluskohteissa. Alle kymmenysosamillimetrin kokoisina säröt alkavat kasvaa elliptisesti, kunnes lopullinen murtuma tapahtuu nopeasti. Hitsausliitoksen väsymiskestävyyden vaikutusmahdollisuuksia on esitetty kuvassa 22. [24, 32] 19

20 Kuva 22. Hitsin väsymiskestävyyteen vaikuttavat tekijät. [32] Suurlujuusteräksillä olisi edullista käyttää hitsausliitosten sijasta ruuviliitoksia. Tällöin perusmateriaalin korkeampi väsymislujuus saataisiin käytettyä hyödyksi, kun rakenteeseen ei synny hitsausliitosten aiheuttamia väsymiskestävyyttä alentavia alkuvikoja. Ruuviliitoksilla paras hyöty saadaan, kun käytetään esijännitettyjä ruuveja. Tällöin liitoksen ruuvit esikiristetään tiettyyn esijännitykseen. Tällä tilanteella saadaan esimerkiksi leikkauskuormitetussa liitoksessa ruuviin aiheutuva leikkaus estettyä, jolloin ruuviin ei kohdistu ollenkaan väsyttävää kuormitusta. Kyseistä liitostyyppiä kutsutaan myös kitkaliitokseksi. Liitoksessa, jossa kuormitus on ruuvin akselin suunnassa, väsyttävä kuormitusvaihtelu on hyvin pientä kunhan maksimikuormitus pysyy alle esijännityksen. Kiristysmenetelmiä on erilaisia ja niiden tarkkuudet oikean erikiristyksen saamiseksi voivat poiketa huomattavasti toisistaan. Kaikissa suunnitteluohjeissa ja -standardeissa eri menetelmien epätarkkuuksia ei ole välttämättä huomioitu. Kiristysmenetelmä on mahdollista huomioida esimerkiksi VDI standardin mukaisesti ja sillä voi olla suurikin vaikutus vaadittavan ruuvikoon valinnassa. Kyseinen standardi on kuitenkin tarkoitettu yksiruuvisten liitosten mitoitukseen ja soveltuu ainoastaan rajoitetusti moniruuvisille liitoksille. Kiristysmenetelmiä on esitetty mm. standardeissa EN 1090 ja VDI Kitkaliitoksissa on huomioitava myös kitkapintojen valmistelu, millä taataan riittävä kitkakerroin liitoksen luiston estämiseksi. Pintojen kitkaa on mahdollista parantaa mm. hiekka- ja teräsraepuhalluksella, teräsharjalla sekä liekkipuhalluksella. Myös oikean päällystyksen valinta on tarvittaessa huomioitava. [23, 37, 43, 44] Kuljetusajoneuvoissa vaihteleva eli dynaaminen kuormitus syntyy ajonaikaisista kuorman ja ajoneuvon massojen kiihtyvyyksistä. Nämä aiheutuvat ajoradan epätasaisuuksista, jarrutuksista, kiihdytyksistä ja kallistumisista (Kuva 23). Ajoneuvorakenteissa dynaamisiin kuormiin vaikuttaa myös mm. massat, ajorata, ajonopeus, akseliväli ja jousitus. Dynaamisten kuormituksen arviointi suunnitteluvaiheessa on usein vaikeaa, mutta massan aiheuttamia kiihtyvyyksiä voidaan arvioida karkeasti käytännön kokemusten perusteella. [17] Kuva 23. Kuorma-autossa tyypillisten työkiertojen aikana esiintyviä kuormituksia. [17] 20

21 4.1 Yleistä väsymisilmiöstä ja sen mittaamisesta Jo 1800-luvulla havaittiin rautatievaunujen akseleissa erikoisia vaurioita, vaikka ne oli mitoitettu oikein staattiselle kuormalle. Insinööri A. Wöhler havaitsi vuosina kokeellisesti väsymisilmiön perussyyt: - Teräs murtuu alemmalla jännitystason arvolla, jos kuormitus toistetaan useita kertoja. - Murtumiseen vaikuttaa kuormituskertojen lukumäärä - Tietyn jännitystason alapuolella teräs kestää äärettömän monta kuormituskertaa. [25] Väsyminen on yleisesti ottaen huomattavasti mutkikkaampi ilmiö kuin staattinen murtuma tai myötäminen. Väsymislujuutta laskettaessa on tunnettava teräksen materiaaliominaisuuksia enemmän kuin rakenteen staattisessa mitoituksessa. Tämän lisäksi materiaalin tai rakenteen väsyminen riippuu paljon myös tarkasteltavan kohdan ja sitä ympäröivästä jännitystilasta (lovet, alkusäröt). Moniakselisessa jännitystilassa rakenteen väsymislujuutta on vielä vaikeampi arvioida etenkin, jos jännityskomponentit ovat toisistaan riippumattomia. Esimerkiksi kauha- ja puomirakenteissa esiintyy moniakseliaalisia jännityskenttiä, jolloin yhdistetty jännitys saattaa aiheuttaa teräksen myötölujuutta suurempia jännityksiä. Tällöin rakenteen vaurioituminen on todennäköistä, jos siinä on edellä mainittuja alkusäröjä. Erityisen alttiita paikkoja särönkasvulle ovat hitsausvirheet, reunahaavat, epäjatkuvuuskohdat ja muototekijät rakenteessa [1, 25] Väsytyskokeissa käytetyt kuormitustapaukset ovat tavallisesti yksinkertaisia, kuten vetopuristus, taivutus tai vääntö, mutta tarvittaessa kokeita voidaan tehdä myös näiden jännityksien yhdistelmillä. Riippumatta siitä, mitä kuormitustapausta käytetään, se vaihtelee tavallisesti ajan suhteen sinikäyrän mukaisesti, kuva 24. Kuvassa σ m on keskijännitys, σ a on jännitysamplitudi. Aineen väsymislujuus σ D tarkoittaa jännitysaluetta, jolla kappale kestää väsytyskokeen jännitysjaksojen lukumäärän (σ D = σ m ±σ a ). [36] Kuva 24. Väsymiskokeen jännitys-aikapiirros. [36] Kokonaisten rakenteiden ja koneiden väsymiskäyttäytymistä verrattaessa laboratoriossa tehtyihin väsymiskokeisiin ovat erot niiden välillä joskus suuria. Usein todelliset rakenteet väsyvät helpommin kuin laboratoriossa testatut koekappaleet, vaikka lasketut jännitykset ovat molemmissa tapauksissa samat. Ilmiöön vaikuttaa ainakin se tilastollinen tosiasia, että suurempaan koekappaleeseen mahtuu enemmän ns. sisäisiä ja ulkoisia vikoja, jotka heikentävät rakenteen väsymiskestävyyttä. [24] Väsyminen tapahtuu kappaleen joutuessa vaihtelevan kuormituksen alaiseksi ja väsymiskestävyys riippuu monista materiaaliomaisuuksista sekä kuormitustavasta. Materiaalin väsymiskestävyyteen vaikuttavia tekijöitä ovat: - Materiaalin myötö- ja murtolujuus - Kuormittava voima - Materiaalin sitkeys - Pinnan laatu (lovi vaikutus) - Materiaalin mikrorakenne - Käytetty lämpötila (Korotetussa lämpötilassa väsymislujuus heikkenee) - Korroosio - Rakenteen muoto 21

22 Sitkeys kuvastaa materiaalin kykyä vastustaa väsymismurtuman etenemistä rakenteessa. Väsyminen on seurausta muokkauslujittumiskyvyn paikallisesta loppuun käyttämisestä. Väsymislujuutta mitataan kohdistamalla koesauvaan vaihtosuuntainen kuormitus erisuuruisilla amplitudeilla ja mitataan kullakin amplitudilla murtumaan johtanut kuormanvaihtokertojen lukumäärä. Tulokset esitetään S- N-käyränä (kuva 25), josta väsymislujuus määritetään eri tavoin väsymyskäyttäytymisestä riippuen. Kuva 25. Wöhler eli S-N käyrä (σ m keskijännitys). [26] 4.2 Teräsmateriaalin väsyminen ja särönkasvu Väsymisprosessi on vähitellen etenevä ilmiö, joka voidaan jakaa kolmen eri vaiheeseen: - Vaihe I: Särön ydintyminen - Vaihe II: Särön kasvu - Vaihe III: Lopullinen murtuminen. Kuvalla 26 pyritään selventämään väsymisvaurion eri vaiheiden etenemistä. Kohdassa 1 tapahtuu särön ydintyminen, jonka huomaa usein murtuman poikkileikkaukseen syntyvästä tummemmasta kohdasta. Särön kasvu on kohdassa 2, joka on yleensä hieno alue ja siinä voi havaita portaittaista särön etenemistä. Vaihetta 1 ja 2 ei yleensä havaita väsytyksen aikana ulkoapäin tarkasteltaessa. Lopullinen murtuma tapahtuu kohdassa 3, johon syntyy epätasainen karkea vyöhyke. Tämä syntyy kun kappale murtuu nopeasti ja kuormittava voima kasvaa poikkileikkauspinta-alaan verrattuna liian suureksi. [27] 4.3 Geometrian vaikutus väsymisessä - jännityskeskittymät, hitsatut rakenteet Kuva 26. Väsymisen eri vaiheet. [27] Teräs rakenteen ollessa vaihtokuormituksen alaisena, eli kun jännityksen suuruus vaihtelee jatkuvasti rakenteen käyttöiän aikana, täytyy rakenteen mitoituksessa ottaa huomioon staattisen lujuuden lisäksi myös väsymiskestävyys. Hitsatut rakenteet sisältävät aina särön ydintymistä helpottavia alkuvikoja, joten murtuman etenemisvaihe muodostaa pääosan rakenteen väsymisestä. Väsymiskuormitus ei ole kuitenkaan teräsrakenteen ongelma, jos se on pystytty huomioimaan suunnittelussa riittävän tarkasti. [1] Hitsauksen laadulla on ratkaiseva merkitys hitsatun rakenteen väsymiskestävyyteen, joten hyvä yksityiskohtainen suunnittelu (epäjatkuvuuksien välttäminen, jouheva hitsigeometria ja helppo hit- 22