Testaus ja suunnittelu. Heikki Lagus

Transkriptio

1 Testaus ja suunnittelu Heikki Lagus

2 Tehtävänanto Kerro lyhyesti seuraavista testausmenetelmistä, niistä saatavasta datasta ja miten sitä voidaan hyödyntää suunnittelussa: Charpy-V iskusitkeyskoe (impact (toughness) test) Piirrä iskuenergia vs. lämpötila kuvaaja käyttäen alla annettua dataa ja määritä transitiolämpötila kahdella tavalla: i) minimi- ja maksimi-iskuenergian keskiarvoa vastaava lämpötila ja ii) lämpötila, jossa iskuenergia on 70 J. Kumpi on mielestäsi parempi tapa määrittää transitiolämpötila? Kiertotaivutusväsytyskoe (rotating-bending-fatigue test) Virumiskoe (creep test) Mitä muita testejä murtumismekaniikassa käytettyjä testejä tiedät ja mihin niitä käytetään? Kerro lyhyesti

3 Taustatiedot Rakenne voi pettää murtumalla vääristymällä (muuttamalla muotoaan) Kuormituslajit [1] staattinen, esiintymistaajuus 10-4 Hz kvasistaattinen, n 10-1 Hz dynaaminen, 10 Hz Dynaaminen kuormitus altistaa särön kasvulle Matalat ja korkeat käyttölämpötilat erityisen haasteellisia Murtuma saattaa johtaa katastrofaalisiin seurauksiin, vääristyminen varoittaa usein [1] Björk, T. et al., Koneenosien suunnittelu, Sanoma Pro, 2014, ISBN , s

4 Taustatiedot 2 Dynaamisesti kuormitettujen rakenteiden suunnittelu Mitoitus väsymisrajaan nähden [1] Varmuusluvun määräämä osa väsymislujuudesta Wöhler-käyrän vaakasuoralla osalla, laskennallinen kestoikä ääretön Edellyttää selvää väsymisrajaa Mitoitus kestorajaan nähden [1] Wöhler-käyrän aikariippuvalla osalla, äärellinen kestoikä Vaihtoehdot Varman kestämisen periaate Turvallisen vioittumisen periaate Viansietoperiaate [2] [1] Björk, T. et al., Koneenosien suunnittelu, Sanoma Pro, 2014, ISBN , s [2] Wittel, H. et al., Roloff/Matek Maschinenelemente 22. Auflage, Springer 2015, ISBN , s

5 Taustatiedot 3 Särön kasvu vaatii energiaa Kriittisen koon ylittänyt särö muuttuu epästabiiliksi: murtuma Särön kasvunopeus kiihtyy Kuormitusnopeus vaikuttaa Vaihotehtoja vetokokeelle Viskoelastinen ja viskoplastinen muodonmuutos Lämpötilan nosto helpottaa diffuusiota ja dislokaatioiden liikettä: staattinen kuormitus aiheuttaa jatkuvaa muodonmuutosta, virumista [1] [2] [3] [1] Ashby, M.F.:Werkstoffe 1: Eigenschaften, Mechanismen und Anwwendungen, Springer, 2013, ISBN , s.121 [2] Ashby, M.F. Materials: engineering, science, processing and design, Elsevier, 2014, ISBN , s. 234 [3] Ashby, M.F., s

6 Testausmenetelmät Charpy-V iskusitkeyskoe (Impact (toughness) test) Kiertotaivutusväsytyskoe (Rotating-bending-fatigue test) Virumiskoe (Creeping test) Muita testejä

7 Charpy-V iskusitkeyskoe Kehitetty erottamaan materiaalit, joilla tapahtuu muutos sitkeästä hauraaseen lämpötilan laskiessa [1] Koemenetelmä sitoutuneen energian määrittämiseksi metallisten materiaalien (V- ja U-lovikoesauvoilla tehtävällä) iskukokeella [2] Mitataan koesauvan murtamiseen kuluvaa energiaa (mgh alku mgh loppu ) Tutkitaan murtopinta sitkeän ja hauraan murtuman osuuden selvittämiseksi (valinnainen tieto) Kuinka matalassa lämpötilassa materiaali on sitkeää ja milloin se muuttuu hauraaksi, käyttölämpötila-alue [1] Callister W.D., Materials Science and Engineering, Wiley; 2011,ISBN , s. 251 [2] SFS-EN ISO 148-1:2016, s. 5 [3] Sama, s. 12 [4] Sama, s. 13 [4] Callister, s [4] [5]

8 Energia [J] Transitiolämpötila Lämpötila [ C] - 78 C - 58 C Iskuenergia [J] Ylätaso Transitioalue Alataso Keskiarvo 70 J [1] [1] SFS-EN ISO 148-1:2016, s

9 Transitiolämpötila 2 70 J, - 58 C, varma, konservatiivinen valinta Minimi- ja maksimienergian keskiarvo 57,15 J, -78 C, lähellä transitioalueen yläosaa Valinta riippuu käyttötilanteesta ja optimointitavoitteesta Kiinteä energia-arvo tässä tapauksessa turvallinen, VALITAAN Minimi- ja maksimienergian keskiarvo osuu transitioalueelle Vaihtoehtoja SFS-ISO 148-1:2016 mukaan [1] T t27 = -150 C, 27 J iskuenergiaa vastaava lämpötila T t50%us = -88 C, 45 J, 50 % ylätason sitoutuneesta energiasta T t50%sfa, sitkeän murtuman osuus 50 % T t0,9, tietty poikittainen laajenema esim. 0,9 mm [1] SFS-EN ISO 148-1:2016, s

10 Kiertotaivutusväsytyskoe Jäljittelee pyörivän akselin kokemaan rasitusta, kun akseli kantaa kuormaa, mutta ei välitä vääntömomenttia Lasketaan kuormituskerrat = kierrokset Taivutuksesta johtuva sini-muotoinen puristus- ja vetojännityksen vaihtelu, laskennallinen vertailujännitys Pinnan laatu vaikuttaa, säröt ja urat heikentävät, pinnan puristusjännitys lujittaa [1] [2] [1] Callister W.D., Materials Science and Engineering, Wiley; 2011,ISBN , s. 257 [2] Wittel, H. et al., Roloff/Matek Maschinenelemente 22. Auflage, Springer 2015, ISBN , s

11 Kiertotaivutusväsytyskoe 2 Väsymisraja Pienemmillä jännityksillä säröt lähes stabiileja Kestoikä lähes rajaton Väsymislujuus Monilla ei-rautametalleilla vaakasuoraa osaa ei ole Al, Cu, Mg, Sallittu lujuus riippuu kuormitusten lukumäärästä Tilastollinen ilmiö Esimerkki Kannatinakselit Junavaunun akseli [1] [1] Wittel, H. et al., Roloff/Matek Maschinenelemente 22. Auflage, Springer 2015, ISBN , s

12 Virumiskoe Kuormitetaan koekappaletta halutussa lämpötilassa joko vakiovoimalla (helppo) tai vakiojännityksellä (vaikea poikkipinta-alan muutoksen vuoksi) ja mitataan venymän muutosta aiheuttamalla vakiovenymä ja mitataan jännityksen pienentymistä (relaksaatiokoe) [1] [2] [1] Ashby, M.F. Materials: engineering, science, processing and design, Elsevier, 2014, ISBN , s. 333 [3] SFS-EN , s

13 Virumiskoe 2 Viruminen on nopeampaa korkeammassa lämpötilassa Testin nopeuttamiseksi voidaan käyttää korotettua lämpötilaa Esimerkiksi höyryvoimalan rakenteet kaasuturbiinien siivekkeet [1] [1] Callister W.D., Materials Science and Engineering, Wiley; 2011,ISBN , s

14 Muita kokeita Vetokoe Myötövenymä ja murtovenymä hitaalla kuormitusnopeudella Izod-testi Iskusitkeystesti, jossa koekappaleen tuenta poikkea Charpy V-testistä Tastovenymätesti Antaa tietoa sitkeydestä tasovenymätilanteessa Teknisesti hankala toteuttaa Vääntötesti Väännetään koekappaletta pituusakselinsa ympäri Antaa tietoa materiaalin käyttäytymisestä vääntömomenttia välittävässä akselissa

15 Yhteenveto Väsyminen on vaikeasti mallinnettava ilmiö Osa testeistä on kvalitatiivisi osa kvantiatatiivisia Ymmärrettävä rakenteen kuormitukset ja käyttöolosuhteet Osattava soveltaa testituloksia oikein suunnittelutavoitteiden saavuttamiseksi

16 Aihe 2 Murtumismekaniikka (Fracture mechanics) Joel Tolonen KJR-C2004

17 Murtumismekaniikka Murtumismekaniikan avulla pyritään varmistamaan, etteivät esimerkiksi lentokoneiden siivet murru, jos niiden materiaalissa on pieniä säröjä. Toisaalta esimerkiksi juomatälkkien kannet on tarkoituksella suunniteltu murtumaan helposti.

18 Sitkeä murtuma Hauras murtuma (2) (2)

19 Jännityskeskittymät Vaikuttakoon materiaalissa tasainen vetojännitys σ. Materiaalissa olevat säröt eivät voi välittää jännitysvoimia eteenpäin, koska särön kohdalla ei ole materiaalia. Niinpä jännitys joutuu kiertämään säröt, mikä aiheuttaa särön päiden viereen huomattavan suuria jännityskeskittymiä. Viereisen ylemmän kuvan punaiset viivat kuvaavat jännityskenttää, joka voimistuu särön kärjen kohdalla.

20 Laskuesimerkki Meillä on teräskappale, jossa on särö, jonka pituus c = 0,76 mm. Kappale on AISI 4340 terästä, joten sen murtumissitkeyden K 1c tiedetään olevan 45 MPa m. Lasketaan, murtuisiko kappale, jos se altistettaisiin 1000 MPa vetojännitykselle σ.

21 Laskuesimerkki jatkuu Särö etenee ja katkaisee kappaleen, jos jännityskeskittymän voimakkuutta kuvaava kerroin K 1 ylittää materiaalin murtumissitkeyden K 1c. Lasketaan K 1 (vakion Y oletetaan olevan 1,0): K 1 = Yσ πc = 1, MPa π 0,00076 m = 49 MPa m K 1 = 49 on siis suurempi kuin murtumissitkeys K 1c = 45, eli tässä tilanteessa teräskappale murtuu.

22 Lähteet 1. Michael Ashby, David Cebon, Hugh Shercliff Materials: engineering, science, processing and design. Chapter 8. ISBN: (Piirrokset ja kaavat on otettu tästä e-kirjasta.) 2.

23 Viruminen- Krypning Victor Granlund

24 Krypning Ger upphov till plastiska förändrigar Genom långvarig spänning av elastisk storleksklass Ju högre temperatur, ju snabbare förändring Alltså tidsbunden deformation

25 Krypning Ett stort problem då temperaturen är hög, eller Då spänningen är mycket långvarig Ett typiskt exempel på ett problemfall är jetmotorturbiner Låga toleranser, höga temperaturer, konstant centrifugalkraft

26 Krypning Delas upp i tre faser. Sekundärfasen är bäst förstådd, då den är linjär och lätt att studera. Krypbrott sker alltid i tertiära fasen

27 Krypning Den sekundära fasen är linjär för den är i balans med deformationshärdningen I tertiära fasen försvagas stycket på grund av neckingfenomen

28 Variabler i spel Hastigheten av krypning beror på flera faktorer Hur mycket krypning som kan ske per tidsenhet beror på temperaturen och spänningsstyrkan Vid temperatur över 1/3 av metallers smältpunkt börjar krypning ske i mätbar utsträckning Motsvarande kvot 45%T för keramik Detta betyder att krypning kan ske vid relativt låga temperaturer för vissa material

29 Variabler i spel I princip alla material erfar krypning då temperaturen närmar sig smältpunkten. Krypning är i regel inget man behöver beakta då krafterna är låga, om temperaturen inte är mycket hög

30 Kalkylerandet av krypning ε = krypsträckning, C = en konstant beroende på material och krypmekanism, m & b = är exponenter beroende på krypmekanismen, Q = aktiveringsenergin hos krypmekanismen, σ = spänningen, d = grynstorlek, k = Boltzmanns constant, T = temperaturen

31 Variabler i spel Formeln beskriver bästa krypning i sekundär fas Krypning sker genom flera olika mekanismer beroende på temperatur och spänning, och detta måste beaktas i kalkylerna Mekanismera inkluderar diffusionsartad-, dislokationsdriven, och climb-dislokationsdriven krypning Alla mekanismer strävar att elongera grynen i spänningens riktning

32 Variabler i spel Ett sätt att undvika krypning är förutom att undvika högtemperade situationer att förstora grynstorleken Vanligtvis vill man ha liten grynstorlek men just med krypning i åtanke så ju större desto bättre Detta beror på att krypning är ett fenomen på atomnivå, och om det sker ett visst antal atomförändringar per gryn blir den ackumulerade förändringen mindre ju färre gryn finns

33 Variabler i spel

34 Variabler i spel För att ett brott ska ske i legeringen S-590 vid temperaturen 815 C, krävs 1,6 timmar enligt formeln LMP = T(C + log t) För att samma legering ska klara av en påfrestning av 500MPa i 1000h ska temperaturen vara högst 530C

35 Väsyminen Oula Mikkola

36 Väsyminen Mitä väsyminen materiaalitekniikassa tarkoittaa? Mitä eri tekijöitä ja materiaaliominaisuuksia väsymiseen liittyy? Käytännön esimerkki: terästangon ympärysmitan määrittäminen väsymisrajan perusteella

37 Väsyminen - Väsyminen on vähittäinen vaurioutumismekanismi, joka aiheutuu vaihtelevasta ja syklisestä kuormituksesta. - Väsymisprosessi ilmenee särön ydintymisenä, etenemisenä ja lopulta väsymisvauriona. - Vaurioituminen voi tapahtua reilusti materiaalin myötö- tai murtolujuuden alittavissa jännityksissä. - Noin 90% metallien vaurioitumisista aiheutuu väsymisestä. [1] Kuva 1. Lähde: com/2010/04/fatigue.jpg

38 Särön ydintymisvaihe - Särön ydintyminen tapahtuu usein pinnan jännityskeskittymässä. - Pinnan epätasaisuudet, kuten naarmut, hitsisaumat, kuopat, kiilaurat ja kierteet ilmenevät usein ydintymisalueina. - Ydintymistä voi tapahtua myös plastisen deformaation aiheuttamien pintavirheiden seurauksena. [1] Kuva 2. Plastisen deformaation aiheuttamia pintavirheitä. Lähde: kurssin luentokalvot

39 Särön eteneminen - Murtopinnasta voidaan havaita etenemisalueet - Hidas eteneminen: makroskooppinen simpukkamainen (beach marks) - Nopea eteneminen: mikroskooppinen väsymisjuova (fatigue striations) [1] Kuva 3. Väsymismurtuma. Lähde: A%2F%2Fpracticalmaintenance.net%2Fwp- content%2fuploads%2ffatigue-fracture-with- Beachmarks.jpg&sp=5b6ce00f ac1964da6f

40 Murtopinta-analyysi - Jokainen makroskooppinen simpukkajuova on syntynyt laitteen käyttöajan aikana (syklinen kuormitus) - Murtopinnasta voidaan täten arvioida, kuinka pitkä aika särön etenemisestä murtumaan asti on kulunut. - Lisäksi murtopinnasta voidaan joissain tapauksissa päätellä, oliko kyseessä väsymismurtuma. [1] Kuva 4: Väsymismurtopinta. Lähde: =suomi&rais=1&oiu=http%3a%2f%2 Ffarm6.staticflickr.com%2F5522%2F _6f746014ab_z.jpg&sp= ee095ce57a4b2595f8ee2d9cbfeaa42d

41 Mekaaniset tekijät - Materiaalin lujuus -> mitä korkeampi lujuus, sitä pidempi elinikä - Keskijännitys σ m = σ max+σ min 2 elinikää. -> Korkea keskijännitys lyhentää laitteen Kuva 5. Keskijännityksen vaikutus elinikään. Lähde: [1]

42 Pinnan vaikutukset - Osien suunnittelu -> Pinnan geometria -> epäjatkuvuuskohdat! - Pintakäsittely: pintojen hiominen lisää elinikää. - Pintakarkaisu ja pinnan plastinen muokkaus -> puristusjännitystila -> pienempi mahdollisuus säröjen muodostumiselle ja etenemiselle [2] Kuva 6. Terävät vai täytetyt kulmat? Lähde: [1]

43 1045 Terässylinteritangon ympärysmitta - Tehtävänannon kuvasta nähdään, että väsymisraja on noin 315 MPa - Halutaan turvallisuuskerroin 2,0: σ amplitudi < 315 MPa turvallisuuskerroin on yhden desimaalin tarkkuudella 2,0. - Nyt voidaan ratkaista tangon pienin mahdollinen ympärysmitta: σ amplitudi = F amplitudi N = A πr 2 = 157 MPa 2 valitaan σ amplitudi = 157 MPa, jolloin r = N π 157 MPa = 0, m d tanko = 2πr = 0, m 40 cm

44 Lähdeluettelo [1]: Callister; Materials Science and Engineering: An Introduction; 6 th Edition, 2003 [2]: Virkkunen; Aalto-yliopisto; Materiaalitekniikka: luentokalvot