Murtumismekaniikka. Jussi Tamminen

Transkriptio

1 Murtumismekaniikka Jussi Tamminen

2 Taustaa Murtumismekaanisia kokeita kehitetty 1950-luvun lopusta asti Materiaali murtuu yleensä nimellysjännitystä pienemmällä jännityksellä Kriittisen vikakoon määrittäminen kun nimellisjännitys tunnetaan Tarkoitus määrittää sitkeysparametrejä Kuvassa murtumismekaniikan koelaite. [6]

3 Murtumismekaniikka Käytetään kun haurasmurtuma rajoittaa käyttöä Tai kun halutan analysoida säröjä Insinööri voi laskea kuinka isoja säröjä annettu jännitys kestää tai kuinka suurelle jännitykselle kappale voidaan altistaa ilman särön etenemistä. Kuvassa vasemmalta moodit I II ja III [2]

4 Jännityskeskittymät Johtuu materiaalissa olevista epäjatkuvuuskohdista Pyöreä reikä aiheuttaa 3 kertaa ympäristöä suuremman jännityksen [4] Jännitys voi nousta ääritapauksessa äärettömäksi jos säde p lähestyy nollaa!

5 Lyhenteet K t Ja nnityksen konsentraatiokerroin [2][3] K C Ja nnityksen intensiivisyyskerroin [2] K IC Murtumissitkeys, säröä avaava moodi I.[2]

6 Esimerkki AISI 4340 teräksen murtumisitkeys on 45 Mpa m Murtuuko teräs kun se altistetaan 1000 Mpa:n vetojännitykselle ja särön pituus 0.76mm ja Y = 1, kun kyseessä on vetojännitys eli moodi I Lasketaan suurin vetöjännitys, minkä teräs kestää murtumatta annetulla säröllä. Käytetään kaavaa Koska 921Mpa < 1000Mpa materiaali murtuu!

7 Yhteenveto On tärkeää ymmärtää materiaalien todellinen käyttäytyminen, eikä vain luottaa teoreettisiin arvoihin. On myös osattava laskea todellinen murtumislujuus materiaaleille, niiden omassa käyttökohteessa. Vaikka murtumismekaniikka saa materiaalit näyttämään heikommilta, se tarjoaa keinoja uusien materiaalivalintojen löytämiseen

8 Lähteet [1] Lindroos, Sulonen, Veistinen. Uudistettu Miekk-ojan metallioppi. [2] Callister, Materials Science and Engineering an Introduction 8th Edition [3] LAPPEENRANNAN TEKNILLINEN YLIOPISTO Teknillinen tiedekunta Konetekniikan koulutusohjelma BK10A0400 Kandidaatintyo ja seminaari [4] Murtumismekaniikka I ja II kurssin luentokalvo [5] Pertti Jarla, Fingerpori [6]

9 Metallien väsymisvauriot Totti Nurmi

10 Sisältö Viruminen Virumisvaurion kolme tärkeintä vaihetta Jännitystason, ajan ja lämpötilan vaikutukset virumiseeen Virumisenkeston arviointi Raekoon vaikutukset virumisenkestoon Laskutehtävä 3/14/2017 2

11 Viruminen Ajan saatossa tapahtuvaa venymistä Primäärinen, sekundäärinen ja tertiäärinen viruminen Muodonmuutosmekanismit Dislokaatioliike Diffuusio Raerajaliukuminen Mitataan murtumisaikana 3/14/2017 3

12 Virumisen vaiheet Primäärinen dislokaatiotiheys kasvaa Sekundäärinen muokkauslujittumisen ja elpymisen tasapaino muutokset erkauma- ja faasirakenteissa Tertiäärinen Raerajakolojen ketjuuntuminen

13 Viruminen - vaikuttavat tekijät Jännitys, lämpötila ja aika Nopeampaa korkeassa lämpötilassa & kovassa venytyksessä Materiaalikohtaista Kiderakennetyyppi pkk < tkk Raekoko suuri raekoko -> suuri virumislujuus Korkean tiheyden polymeerin murtumisaika 3/14/2017 5

14 Viruminen eri materiaaleissa Arviot virumisesta vaikuttaa materiaalin käyttöikään Metallien viruminen Jään viruminen h virumismurtolujuuksia eri aineille

15 Virumisenkeston arviointi Tärkeää mm. efektiivisen käyttöiän määrittämisessä Logaritminen yhteys jännityksen, lämpötilan ja murtumisajan välillä T(C+log[t])=L L= jännitysfunktio, määritetään kokeellisesti C= vakio T=lämpötila t=murtumisaika

16 Esimerkkejä - Murtumiseen kuluva aika seokselle S-590 t r (815C) = 3h 3/14/2017 8

17 Korkeimman käyttölämpötilan määrittäminen Annetulla jännityksellä saadaan L-M parametriksi 19,5*10^3 (luetaan kuvaajalta b) T t ( 20 log[ t ]) 1000h L Ratkaistaan yhtälöstä lämpötila: saadaan n. 575 C C 500MPa 20 muista muuttaa Kelvineiksi.

18 Lähteet Callisterin kalvot (luku 8) 20B%2012% pdf?sequence=1 pdf

19 Väsymisvauriot Joel Määttänen

20 Mitä ne ovat? 2

21 Mitä ne ovat? Väsymisvauriot ovat vaurioita jotka johtuvat sykleissä vaihtelevista kuormituksista Kaikista yleisin vaurioitumistyyppi Säröjen ja vaurioiden analysointi on iso bisnes 3

22 Miten ne toimivat? 4

23 Miten ne toimivat? Väsymisvauriot alkavat kappaleeseen muodostuvasta säröstä joka kasvaa nopeasti kuorman vaihdellessa ja lopulta rikkoo kappaleen Särö muodostuu yleensä kappaleen pintaan jossa on naarmuja tai muita epäjatkuvuuskohtia 5

24 Miten ne toimivat? Särön muodostumista kutsutaan ydintymiseksi Kun kappaleeseen on muodostunut särö se alkaa kasvamaan noudattaen Paris n lakia Kun särö on kasvanut tarpeeksi suureksi materiaalin kantokyky ylittyy ja tapahtuu loppumurtuma 6

25 Miltä väsymisvaurio näyttää? 7

26 Miten ne toimivat?

27 Miten ne toimivat?

28 Miten väsymiseen voi vaikuttaa? 10

29 Miten väsymiseen voi vaikuttaa? Väsymisvaurioon johtavat tekijät jaotellaan kuormituksesta aiheutuviin- ja muihin tekijöihin Väsymisvaurioihin johtavia tekijöitä on todella paljon Seuraavassa diassa käydään läpi väsymisvaurioita aiheuttavat päätekijät 11

30 Miten väsymiseen voi vaikuttaa? Kuormituksesta aiheutuvat tekijät 1. Keskimääräinen jännitys Varmistetaan että kuormitus on kappaleelle sopiva 2. Pinta ja Pinnan käsittely Hiomalla ja puhdistamalla pinta, voidaan vähentää pinnan epäjatkuvuutta jolloin säröjä muodostuu hankalemmin Muita tekijöitä 1. Suunnittelu Kuormituksen huomioonottaminen geometrisessä suunnittelussa Pintakäsittely 2. Lämpövaihtelu Lämmön nopea vaihtelu aiheuttaa jännityksiä materiaaliin joka voi aiheuttaa säröjä 12

31 Esimerkkilasku 13

32 Esimerkkilasku Sylinterin muotoinen 1045 teräksestä tehty tanko altistetaan toistuvalle, akselinmyötäiselle vetopuristuskuormitukselle Laske pienin mahdollinen tangon ympärysmitta, jolla vauriota ei tapahdu, kun kuormitusamplitudi on N ja turvallisuuskertoimeksi halutaan

33 Esimerkkilasku Kuvasta nähdään että väsymisraja on noin 310 MPa 1045-teräksellä missä p on ympyrän kehän pituus missä sigma on väsymisraja Turvakerroin 2! Saadaan 15

34 Esimerkkilasku Ratkaistaan p lausekkeesta = N Saadaan = Pa = m Eli pyöristettynä 4 cm Johon sijoittamalla saadaan p arvoksi Joka oli sylinterinmuotoisen putken vähintään vaadittu halkaisija 16

35 Kiitoksia! 17

36 Lähteitä 1. Callister luku CES EduPack Luentodiat

37 Testaus ja suunnittelu Niina Korhonen

38 Johdanto Eri testausmenetelmien esittely Charpy V iskusitkeyskoe Laskelmia Charpy-kokeelle esimerkistä Kiertotaivutusväsytyskoe Virumiskoe Käyttö Muita testausmenetelmiä? Yhteenveto 2

39 Ongelmakenttä Materiaalien vaatimukset korkeita Tutkittava haluttuja ominaisuuksia Testit oleellisia tämän osalta Eri testit antavat erilaista dataa luoden monipuolisen kuvan materiaalien ominaisuuksista Callister, Jr.: Ominaisuuksista on huomoitava 3 sovelluskohteen vaatimusten mukaan Murtositkeys Tasomuodonmuutoksen murtositkeys Asetettu rasitus Särön koko 3

40 Iskusitkeys? Materiaalin ominaisuus, joka kuvaa Haurautta Sitkeyttä Mitä parempi iskusitkeys materiaalilla on, se kestää Vaikeammat olosuhteet Suuremmat jännittymät Isommat alkuviat 4

41 Iskusitkeyskoe 1/3 Taustaa: Iskusitkeyskokeen tekniikat keksittiin materiaalien murtumisen luonteeseen tutustumiseksi Huomattiin, että vetolujuuskoe ei riitä ennustamaan materiaalien käyttäytymistä Olemassa olevia testejä iskuenergialle (iskusitkeydelle) ovat Charpy ja Izod, joista ensimmäiseen tutustutaan tässä esitelmässä Charpy-V kokeesta saadaan selville, onko materiaali hauras vai sitkeä. Testi sopii hyvin ferriittisille teräksille, jossa lämpötilan laskulla voidaan huomata muutos sitkeästä hauraaksi. Video Charpy-V iskusitkeyskokeesta 5

42 Charpy-V iskusitkeyskoe 2/3 Miten toimii? Kokeessa otetaan suorakulmaisen särmiön muotoinen kappale materiaalinäytettä ja asetetaan se alasimelle. V-lovinen heiluri päästetään heilahtamaan ja isketään materiaalinäytteeseen. Heilurin yläpäässä olevasta mittarista voidaan lukea arvo iskuenergialle, joka muodostuu heilurin potentiaalienergiasta (lähtökorkeus ja loppukorkeus). 6

43 Charpy-V iskusitkeyskoe 3/3 Tulokset Tietoa materiaalin laadusta (sitkeä/hauras) löytyy datan lisäksi materiaaliin aiheutuneen murtuman laadusta. Suunnittelussa koetta voidaan hyödyntää ymmärtämään materiaalin murtumisen käyttäytymistä eri lämpötiloissa esimerkiksi teräksen eri hiiliosuuksilla. 7

44 Kaavio iskusitkeyskokeelle Transistiolämpötila: lämpötila, jossa murtumiskriteeri täyttyy tietyllä iskuenergialla i) Suurin iskuenergia 89,3J, pienin iskuenergia 25,0J - keskiarvo 57,15J. Tätä vastaava lämpötila: n. -77 C ii) Lämpötila, jossa iskuenergia on 70J: n. -55 C Mielestäni keskiarvon kautta on parempi määrittää transistiolämpötila. Iskuenergia J Iskuenergia (J) vs. lämpötila ( C) - kuvaaja Lämpötila C

45 Kiertotaivutusväsytyskoe 1/2 Miten toimii? Kiertotaivutusväsytyskokeessa taivutellaan materiaalinäytettä kohdistaen siihen puristus- ja vetorasitusta. Ø Käsittely aiheuttaa näytteeseen väsymistä. Ø Testillä saadaan tulokseksi väsymisraja (tai kestävyysraja), joka esittää suurinta vaihtelevaa rasitusta mitä materiaali kestää murtumatta. Ø Video: 9

46 Kiertotaivutusväsytyskoe 2/2 Kokeesta saatavalla datalla luodaan jännitysamplitudimurtumiseen vaadittavat kierrokset kuvaajia. Suunnittelussa voi hyödyntää tätä koetta löytämällä materiaalit, jotka kestävät parhaiten jatkuvan rasituksen. 10

47 Virumiskoe 1/2 Miten toimii? Virumiskokeella kuormitetaan materiaalinäytettä tasaisesti tietyllä, yksiaksiaalisella kuormalla ja tarkastellaan aikaa, joka näytteellä kuluu ennen murtumista. Suunnittelussa tärkeitä, virumiskokeesta saatavia tietoja ovat: vakaa virumisnopeus (steady-state creep rate) Voidaan analysoida pitkäikäiseksi tarkoitettujen komponenttien kuorman kestokykyä, esim. Ydinvoimalan osat murtumisikää (rupture lifetime) Voidaan analysoida aikaa, jonka komponentti kestää kuormitusta murtumatta esim. Rakettimoottorin suutin 11

48 Virumiskoe 2/2 Oikealla virumiskokeesta saatavaa dataa. Primary creep -vaiheessa viruminen pienenee johtuen muokkauslujittumisesta tai virumisresistanssin kasvusta. Steady-state creep vaiheessa viruminen kasvaa lineaarisesti, mikä selitetään muokkauslujittumisen ja pehmenemisen tasapainon kautta. Tertiary creep vaiheessa viruminen kiihtyy ja lopulta päättyy murtumiseen. Video: 12

49 Muita testejä? Vetokoe Käytetään lujuuden määrittämiseen Materiaalinäytettä vedetään päistä siihen asti kunnes se menee poikki Rockwell hardness test Käytetään materiaalin kovuuden määrittämiseen painamalla timanttikartioita materiaaliin ja mittaamalla syvyyttä siitä, miten paljon materiaali uppoaa Myös Vickersin ja Brinellin kovuuskokeet 13

50 Yhteenveto Tapoja tutkia murtumista monia Materiaalit paremmin vertailtavissa toisiinsa eri ominaisuuksia mittaavien testien avulla Datasta voidaan koota kuvaajia, joiden kautta materiaalien vertailu helpompaa Kiitos! 14

51 Lähdeluettelo [1] Callister, Jr. Materials, Science And Engineering: An Introduction. Fifth Edition. Jon Wiley & Sons Inc ISBN [2] Ashby, M. Materials: Engineering, Science, Processing and Design ISBN [3] Mutanen, M. Kandidaatintyö. TRANSITIOLÄMPÖTILAN MÄÄRITTÄMINEN KYLMÄNKESTÄVILLÄ TERÄKSILLÄ. Saatavilla: sionid=83f524ce4e f dc48d3?sequence=2 [viitattu ] [4] Kurssin luentokalvot. [5] Kuvalähde: [viitattu ] [6] Kuvalähde: [viitattu ] [7] Kuvalähde: [viitattu ] [8] Kuvalähde: [viitattu ] [9] [viitattu ] 15

52 Murtuma Henri Palosuo

53 Taustatiedot Mitä ovat hauras ja sitkeä murtuma? Mitä merkkejä voidaan havaita murtopinnoissa? Kumpaan murtumiseen sisältyy enemmän energiaa? Esimerkkejä erilaisista murtumista. 2

54 Hauras ja sitkeä murtuma Hauras murtuma Sitkeä murtuma 3

55 Hauras ja sitkeä murtuma Sitkeä Hauras Muodonmuutos Suuri Pieni Murtuman eteneminen Hidas Nopea Materiaalien tyyppi Useimmat metallit Keraamit, jää, metallit kylmänä Murtumisenergia Suuri Pieni Murtopinta Karhea Sileämpi Kuroutuminen Kyllä Ei 4

56 Sitkeän murtuman etenemisvaiheet Kuroutuminen Voidien muodostuminen Voidien kasvaminen Pinnan leikkaantuminen Lopullinen murtuminen ( cup and cone -efekti) 5

57 Hauraan murtuman etenemisvaiheet NAPS! 6

58 Murtopinnat hauras murtuma Murtopinta mukailee raerajoja (pinnalla näkyvät urat) Ei näkyvää plastista muodonmuutosta Ei varoitusta Huono juttu! 7

59 Murtopinnat sitkeä murtuma Cup and cone Kaventuminen murtumakohdassa Näkyvää plastista muodonmuutosta Murtumisenergiaa sitoutuu muodonmuutokseen Murtuma voidaan ennakoida Erittäin toivottavaa! 8

60 Esimerkkejä Hauras murtuma: Lasi Sitkeä murtuma: Kupari 9

61 Lämpötilan vaikutus murtumaan Kylmyys altistaa hauraille murtumille Useimmissa metalleissa murtuminen on sitkeä huoneenlämmössä, mutta riittävän kylmässä lämpötilassa mikä tahansa materiaali muuttuu hauraaksi Esim. nestemäiseen typpeen upotetut esineet muuttuvat erittäin hauraiksi 10

62 Lähteet pg VBSYPWq0LMg~~60_12.JPG?set_id= F 60) a130355f9b58b7d0bce4ae.jpg Callister ch8 (suomenkieliset kalvot) 11