Murtumissitkeyden arvioimisen ongelmia

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "Murtumissitkeyden arvioimisen ongelmia"

Marika Rantanen
6 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 Master käyrä

2 Murtumissitkeyden arvioimisen ongelmia Charpy kokeissa suuri hajonta K Ic kokeet kalliita ja vaativat isoja näytteitä Lämpötilariippuvuuden huomioiminen? (pitääkö testata kaikissa lämpötiloissa) Hajonnan huomioiminen (milloin murtuma on poissuljettu? deterministinen vs. tilastollinen lähestymistapa)

3 Haurasmurtuman ydintyminen

6 Ydintyminen ura vs. särö

10 Lovellisissa näytteissä suurempi hajonta

11 Master-käyrä Ottaa huomioon haurasmurtuman tilastollisen luonteen Antaa kvantitatiivisen työkalun haurasmurtuman hallintaan erilaisista koetuloksista lämpötilan funktiona

12 Tilastollisuus

13 { ( { } )} P =1- exp -N V Pr I f V { } 1- Pr V/O

15 Ydintymisen todennäköisyys ì ï P =1- expí - B f ï B 0 î æ ç K I ç K è 0 ö 4 ü ï ý ï ø þ

16 Hajonta ì ï P =1- expí - B f ï B î 0 æ K - K I min ç è K - K 0 min ö 4 ü ï ý ø ï þ

17 Koon vaikutus K IC1 = K min + (K IC2 - K min ) æ B 2 ç è B 1 ö 1/4 ø

18 Master - käyrä Hajonta Koon vaikutus [ ] =1- exp ç - ê K I - K min ç P K IC K I æ ç è é ù 4ö ú ë ê K - K 0 min û ú ø K B 2 = K min +[ KB - 1 K min] æ ç è B 1 B2 ö ø 1/ 4?

19 Lämpötilariippuvuus K 0 = exp(0.019 [T - T 0 ])

20 Eri teräkset eri kohdassa käyrää

21 Mittauksilla määritetään T 0 Maximum-likelihood estimaatti datasta n å i=1 n d i exp{0.019 [ Ti - T 0]} exp{0.019 [ Ti - T 0]} - å ( KIC - 20) 4 exp{0.019 [ i Ti - T 0]} ( exp{0.019 [ i=1 Ti - T 0]} ) 5 = 0

22 Siis Mitataan murtumissitkeys eri lämpötiloissa K IC kokeet Charpy-kokeet Arvioidaan mittausten perusteella T 0 Lasketaan Master käyrältä K JC : eri lämpötiloissa eri murtumistodennäköisyydellä

24 Suunnitteluohjeet Säröllisten konstruktioiden käyttövarmuuden varmistaminen käyttäen tehokkaasti käytettävissä olevaa tietoa ja laskentamenetelmiä

25 Murtumismekaniikka K-mitoituslaskenta helppoa Valmiita ratkaisuja Lineaaris-elastisia malleja K testaus vaikeaa ja kallista J-mitoituslaskenta vaikeaa Vaatii elastis-plastisia särömalleja

26 Tarvitaan suunnitteluohje yhdistämään menetelmät s.e. Mahdollistaa LEFM käytön silloin kun se toimii Estää LEFM:n käytön silloin kun se ei sovellu Mahdollistaa työn korvaamisen konservatiivisuudella Suorituskyvystä ei makseta ellei sitä tarvita Ohjeistaa siirtymisen LEFM:stä EPFM:ään tarvittavissa kohteissa

27 Menetelmiä R6 "Assessment of the Integrity of Structures Containing Defects" SINTAP BS-PD6493 ETM jne.

28 Menetelmän perusosat Yksinkertaistettu rajakuormamääritelmä FAD CDF Analyysitaso valittavissa Mikä syötteiden laadussa tai analyysin helppoudessa voitetaan, se konservatiivisuudella maksetaan Ei-tyydyttävä tulos ohjaa tekemään monimutkaisemman(vähemmän konservatiivisen) analyysin

29 Yksinkertaista mallia pitää korjata

30 FAD - konsepti

31 Analyysitasot Vähentävät konservatiivisuutta Lisäävät työtä

32 Analyysitasot (skemaattinen esitys)

33 Failure assessment diagram FAD R6

34 Crack driving force - CDF

35 FAD vs. CDF Teknisesti ekvivalentit (nykyään) Valinta makuasia Vanhemmissa ohjeissa FAD historiallisista syistä Uudemmissa rinnalla yksinkertaisempi (?) CDF

36 Yhteenveto On olemassa lukuisia ohjeita jotka yhdistävät murtumismekaaniset parametrit ja plastisen ylikuorman suunnittelun Näiden tarkempi analyysi on jatkokurssin asiaa Jos tuntee parametrit, suunnittelumenetelmä tukee ja helpottaa analyysiä Jos ei ymmärrä menetelmän perusteita, ei menetelmä taluta oikeaan ratkaisuun

37 Väsyminen

38 1842, Versailles

39 Wöhler

40 Klassinen väsymismitoitus

41 Coffin - Manson 41

43 Hajonta S-N käyrässä 43

44 Vaihteleva (toistuva) kuormitus R = s max s min Ds = s max -s min 44

45 Keskijännitys 45

46 Keskijännityksen hallitsemiseksi voidaan joko Testata eri keskijännityksillä tai Arvioida väsymiskestävyyttä eri keskijännityksellä tehdyn datan perusteella

47 Keskijännitys Goodman (1899) ì s = s í 1- s 0 a fs î s UTS ü ý þ Gerber (1874) ì ï æ s = s í 1- s 0 a fs ç î ï è s UTS ö ø 2 ü ï ý þ ï 47

48 Keskijännityksen vaikutus Modified Goodman equation Gerber parabola a ar m u 1 a ar m u 2 1 m 0

49 Keskijännityksen vaikutus ar max a max 0 ar max 1 R 2 max 0 Smith, Watson, and Topper (SWT) equation

50 Keskijännityksen vaikutus ar 1 max a ( max 0) ar max Walker equation 1 R 2 max 0

51 Kun kuormituksessa erilaisia jaksoja Kukin jakso vie osan väsymiskestoiästä

52 Miner Yksinkertainen lineaarinen summaatio Jaksojen järjestyksen oletetaan olevan merkityksetön D = m å i =1 n i N f,i 52 52

53 ... mutta Todellisuudessa eri jaksojen järjestyksellä on merkitystä pienetkin syklit aiheuttavat vauriota kun se on päässyt alkuun satunnaiset ylikuormitukset parantavat kestävyyttä Minerin kaava silti yleisesti käytössä helpon käytettävyyden vuoksi

54 Entä kun kuormitus satunnaista Täytyy olla jokin tapa erottaa "syklit" satunnaisesti vaihtelevasta kuormituksesta Useita menetelmiä Käytetyin "rainflow" -menetelmä

55 Spektriväsytys 55

56 High-cycle vs. Low cycle 56

57 Alexander Kielland, 1980

58 UA232, DC-10, 1989

59 Eschede, 1998

60 Yleisin vaurio

61 Mitä tapahtuu ennen katastrofia? Miten vaurio syntyyy? Miten vaurio etenee? Mitä väsyminen on?

62 Materiaalimuutokset väsymisen aikana Vähäisiä Dislokaatiorakenteet muuttuvat Suurella kuormituksella havaitaan lujittumista tai pehmenemistä 62

63 Sykliset jännitys-venymäkäyrät 63

64 Vaurio alkaa särön muodostumisella Extruusio Intruusio Deformoitumaton matriisi

65 Sulkeumien vaikutus väsymisrajaan C riippuu sulkeuman sijainnista (C=1.56 pinnan alaisille sulkeumille ja C=1.43 pintasulkeumille) 65

66 Väsymissärön kasvu

67 Vaurio keskittyy särön kärkeen

68 Särön kasvu kiihdyttää vauriota

69 Väsymisrajan luonne Väsymisraja häviää spektriväsytyksessä, ympäristövaikutteisessa väsytyksessä, jne. Väsymisrajaa ei havaita kaikilla materiaaleilla 69

70 70

71 Lujuuden vaikutus 0.5 x UTS 1.6 x HV 71

72 Paris: särönkasvua voidaan ennustaa Särönkasvu (µm / sykli) Kynnys K

73 Särön eteneminen näkyy murtopinnalla

74 Murtopinta-analyysi Ydintymiskohta Beach marks 74

75 ... ja mikroskoopissa Väsymisjuovat (striations)

76 Väsyminen = ydintyminen + särönkasvu Extruusio Intruusio matriisi Deformoitumaton +

77 Ydintymisen osuus 900 Jännitysvaihtelu (MPa), Särönpituus (µm) Syklit 10 6

78 Väsymisen hallinta

79 Valmistuksen laaduntarkkailu Väsymissuunnittelun parantaminen Turvallisuuskulttuuri Parannetut valmistuksen aikaiset tarkastukset Parannettu käytön aikaiset tarkastukset Lisätty käytön aikaisia tarkastuksia

80 Yhteenveto Väsyminen on vaihtokuorman ajamaa kiihtyvää särönkasvua Väsymisen hallinta kattaa koko tuotteen elinkaaren Suunnittelu Valmistus Seuranta

Samankaltaiset tiedostot

Väsymissärön ydintyminen

Väsymissärön ydintyminen 20.11.2015 1 Vaurio alkaa särön muodostumisella Extruusio Intruusio Deformoitumaton matriisi S-N käyrät Testattu sauvan katkeamiseen Kuvaavat aikaa "engineering särön muodostumiseen"