Väsyminen. Amanda Grannas

Transkriptio

1 Väsyminen Amanda Grannas

2 Väsyminen Materiaalin struktuurin heikentyminen vaihtelevan kuormitusten tai jännitysten seurauksena Lähtee usein säröstä leviää kasvaa (syklinen jännityskuormitus jatkuu) murtuma Haitallista ja salakavalaa (murtuu yllättäen) Vaurioitumisista jopa 90% johtuu väsymisestä Haurasta kun esiintyvät luonnossa 2

3 Syklinen jännitys Symmetrinen toistuva jännitys Asymmetrinen toistuva jännitys Sattumanvarainen jännitys 3

4 Vähän kaavoja, koska ENG Jännitysamplitudi σ a = σ max σ min 2 Keskijännitys σ m = σ max + σ min 2 Kuormitussuhde R = σ min σ max 4

5 Väsymismurtuma 3 vaihetta Särön ydintyminen Suoria Särönkasvu Loppumurtuma 5

6 Väsymismurtuma 3 vaihetta 1. Säröjen synty ydintyminen Yleensä kohtiin, joissa jännityskonsentraatio (reiät, naarmut, korroosiojäljet, pintaviat, extruusiot, intruusiot) Murtopinta on sileä ja suora 2. Särö kasvaa ja yhdentyy jokaisesta jännitys-syklin alistuksesta Beachmarks - mikroskooppisia simpukkakuvioita Striations - mikroskooppisia väsymisjuovia 3. Yllättäinen äkillinen murtuma Särö on kasvanut riittävän suureksi eikä materiaali enää kanna 6

7 Väsymiseen vaikuttavat tekijät Kuormitus Toistuva kuormitus väsyttää materiaalia Kuormituksen suunta Muoto Lovet ja geometriset epäjatkuvuudet voivat lisätä jännitystä ja säröjen ydintymistä jännityskeskittymiä Eliminoimalla esim. teräviä kulmia ja pyöristämällä voidaan pienentää väsymistä Pintalaatu Kannattaa suosia mahdollisimman tasaisia pintoja (esim. kiillottamalla) Pintojen karkaisu/puristusjännitys/lujitus hidastaa väsymisvaurioiden syntymisen 7

8 Väsymiseen vaikuttavat tekijät Ympäristövaikutukset Korroosio Kemiallisia reaktioita, jotka edistävät materiaalin väsymistä Voi aiheutua ihan ilmakehästä Estäminen Pinnoitus Valita korroosionkestäviä materiaaleja Lämpötila Lämpötilanvaihtelu materiaali laajenee kutistuu mekaanisia jännityksiä väsymistä Estäminen Valita materiaaleja, joilla matala lämpölaajeneminen Vähentää rakenteen liikkeen pidätteisyyttä 8

9 Väsymisvaurioiden tunnistaminen Lähtökohta - Ydintyminen Väsymissärö etenee Beachmarks (mikroskooppisia Striations (mikroskooppisia juovia) Loppumurtuma Vaikea havaita paljaalla silmällä ennen murtumista vs. mekaaniset vauriot tai pintakäsittelyvauriot 9

10 S-N käyrä Väsymisraja Alle väsymisrajan ei tapahdu väsymisvaurioita Väsymislujuus Jännitystaso, jossa vaurio tapahtuu määrätylle syklilukumäärälle Väsymisikä Syklien lukumäärä, joka aiheuttaa vaurion määrätyllä jännitystasolla vaurioituu Ei vaurioidu 10

11 Esimerkki 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

12 Ratkaisu Väsymisraja = n. 315 Mpa Turvallisuuskerroin: 2,0 Kuormitusamplitudi: N σ ampl < σ ampl = F ampl A Väsymisraja Turvallisuuskerroin = 20000N πr 2 Saadaan yhtälö säteelle r: = 157 MPa 315 MPa 2 valitaan σ ampl = 157 MPa ympärysmitta: 2πr r = N π Pa = 0, m 2πr = 2π 0, m = 0, m 40 cm 12

13 Lähteet Fundamentals of Materials Science and engineering, William D. Callister, 4th edition Haettu opetusvideo vaurioista materiaaleissa, KJR-C2004 Materiaalitekniikka, kevät 2017, luento Callisterin oppikirjan suomenkieliset kalvot, ch08 13

14 Kuvalähteet väsynyt juoksija silta lentokone 5. wj3me1cqn50/txzozht3m0i/aaaaaaaabgg/cbggwyaid3e/s1600/priming_pump.jpg - pumppu @ /Fig-2-Turtuous-stage-I-microstrucuture-sensitive-and-straightstage-II.ppm 7. xow8r31m8q/s1600/pict0003%2bs.jpg - crack crack MSc.pdf?sequence=2&isAllowed=y halkeamia asfaltissa ruosteinen tanko 14

15 Hauras- ja sitkeämurtuma Tuomas Koivisto

16 Tutkimusmenetelmät Tehtävänä on selvittää hauras- ja sitkeämurtuminen Erittelin ne kummatkin ja myös vertailin niiden ominaisuuksia On pyritty myöskin selvittämään murtumia laaja-alaisesti, niin esimerkiksi särön kuin energiankin näkökulmasta Tämä toteutettiin itsenäisesti tietoa hakien 2

17 Murtumismenetelmät Sitkeä murtuminen tapahtuu plastista deformaatiota varoitus ennen murtumaa Hauras murtuminen Hyvin vähän tai ei ollenkaan plastista deformaatiota Ei varoitusta ennen murtumaa; äkillinninen Sitkeä murtuminen on haurasta toivotumpi, sillä sitkeä murtuminen voidaan helpommin havaita, mutta täysin hauraassa murtumisessa tulos on äkillinen ja katastrofaalinen. 3

18 Sitkeä murtuminen Materiaali alkaa rasituksen alaisena kuroutua Keskelle syntyy pieniä onkaloita tai mikrohuokoisia Rasituksen jatkuessa onkalot ja mikrohuokoiset yhdityvät Muodostuu yksi iso särö materiaalin keskelle Särö kasvaa kohtisuorassa rasitusta vastaan Saavuttaa lopuksi kriittisen pisteen ja leikkautuu 45 asteen kulmassa vetokuormitukseen nähden Vetävään systeemiin ja kappaleeseen varastoitunut kimmoenergia purkautuu (a) Kuroutuminen (b) Onkaloiden syntyminen (c) Särön syntyminen (d) Särönkasvu (e) Lopullinen murtuminen 4

19 Sitkeä murtuminen Särönkasvu vaatii runsaasti energiaa ja suuren muodonmuutoksen Siispä särönkasvu ja murtumisprosessi tapahtuvat yleensä suhteellisen hitaasti Materiaaliin syntyvät plastiset mekanismit voivat muuttaa kuormitusjakaumaa ja rajoittaa vaurion paikalliseksi Sitkeä käyttäytyminen tärkeätä turvallisuuden kannalta Mekaniikan laskentakaavat toimivat hyvällä tarkkuudella Ehditään reagoimaan vauriotapauksissa ja korjaamaan viat ilman suurta vahinkoa Sitkeä kuppi ja kupu -murtuma 5

20 Hauras murtuminen Plastisen muodonmuutoksen mahdollistavat dislokaatiot eivät pääse toimimaan pienen jännityksen vaikutuksesta riittävän nopeasti Haurausmurtumaan vaadittava särö ydintyy materiaaliin Ydintynyt särö etenee pienellä energian absorptiolla ja vähäisellä plastisella muodonmuutoksella lähes valon nopautta Tarvittava energia voi olla varastoituneena jo valmiiksi rakenteen elastisiin muodonmuutoksiin Särön ydintymiseen edesauttavat seikat: korkea vetojännitys alhainen lämpötila suuri ainepaksuus kolmiakselinen jännitystila hauras materiaali jäännösjännitykset iskumainen kuormitus jännityskeskittymät särömäiset alkuviat 6

21 Hauras murtuminen Raerajamurtuma Etene pitkin teräksen rae- tai faasirajaa Lohkomurtuma Etenee suoraan rakeiden läpi Yleensä puhutaan lohkomurtumasta haurasmurtumasta puhuttaessa Jännitysintensiteetti kasvaa särön edetessä ja terävän särön kärkeen muodostuu kolmiakselinen jännitystila jo ohuilla ainepaksuuksilla Edistää särön nopeata etenemistä Kuvissa yllä raerajamurtuminen ja alhaalla lohkomurtuma 7

22 Hauras VS Sitkeä Tyypillisimpiä sitkeän murtumisen omaavia materiaaleja huoneenlämmössä ovat jotkut metallit lämpötilasta riippuen ja monet muovit Tyypillisiä hauraita materiaaleja ovat keraamit ja jotkut metallit lämpötilasta riippuen Metallit pääsääntöisesti huoneenlämpötilassa ja sitä korkeammissa sitkeitä materiaaleja, mutta lämpötilan laskiessa reilusti (-30 ->) ne alkavat käyttäytyä hauraammin. Tämä on otettava huomioon erityisesti arktisilla seuduilla. 8

23 Lähdeluettelo 1. Nevalainen, Harri (1979). Teräsopas. Ovako-kustannus. Viitattu. 2. Callister, William; Rethwisch, David ( 2010). Materials Science and Engineering, 8th Edition SI Version. Viitattu Mutanen, Mikko (2014). Kandidaatintyö: Transitiolämpötilan määrittäminen kylmänkestävillä. Lappeenrannan teknillinen yliopisto. Saatavilla: < _18.3.pdf;jsessionid=7953F02D0C69A0FDD7F6DB DE3?sequence=2>. Viitattu Vartiainen, Seppo (2005). Savonia-AMK, HitSavonia-projekti, Teräksen käyttäytyminen ääriolosuhteissa. Saatavilla: < minars/paineastiat_ja_putkistot/ _Ter%C3%A4ksen_%C3%A4%C3%A4riolosuhdek%C3%A4ytt%C3%A4ytyminen_S eppo_vartiainen.pdf>. Viitattu

24 Viruminen Maiju Narikka

25 Taustatiedot Tällä esityskierroksella tarkastellaan erilaisia metallien vaurioitumismekanismeja. Tässä esityksessä syvennytään virumiseen. Esityksen sisältö: Yleistä virumisesta Muodonmuutosmekanismit Virumisen mittaaminen Virumisvaurion kolme vaihetta Lämpötilan ja jännitystason vaikutus virumiseen Virumisenkesto Materiaalin raekoko ja viruminen Larson-Miller parametri ja esimerkkilaskut 2

26 Yleistä virumisesta (creep) Viruminen on ajasta riippuvaa plastista eli palautumatonta muodonmuutosta, joka tapahtuu korkeissa lämpötiloissa vakiojännityksessä tai kuormituksessa. Vrt. väsyminen on vaihtelevan kuormituksen aiheuttamaa vaurioitumista (särönkasvu). Viruminen on siis ikään kuin staattista väsymistä. Viruminen on usein kappaleiden elinikää rajoittava tekijä. Virumista ilmenee kaikissa materiaaleissa. Virumiseen voidaan vaikuttaa materiaalin valinnalla, tuotteen valmistustavalla ja käyttöolosuhteita muokkaamalla. 3

27 Muodonmuutosmekanismit Muodonmuutosmekanismeja ovat: Dislokaatioliike (dislokaatioviruminen) Diffuusio (diffuusioviruminen) Raerajaliukuminen Virumisen mekanismi on lämpötilariippuvainen. Lämpötilan noustessa mekanismi vaihtuu seuraavasti: Dislokaatioliike Diffuusio Raerajaliukuminen 4

28 Virumisen mittaaminen Korkeassa lämpötilassa vakiokuormituksen tai vakiojännityksenalaisena olevan sauvan muodonmuutosta mitataan ajan funktiona. Usein tärkein mittauksessa saatava tulos on virumakuvaajan sekundaarisen vaiheen kulmakerroin eli tämän vaiheen virumanopeus (steady-state creep rate). Toinen tärkeä tieto on murtumista edeltänyt aika (rupture-lifetime, tr). 5

29 Virumisvaurion kolme vaihetta 1. Primäärinen viruminen (primary or transient creep) - lyhyt nopean virumisen alue - merkityksettömin vaihe 2. Sekundäärinen vakioviruminen (secondary or steady-state creep) - määrää komponentin käyttöiän - virumisnopeus vakio virumisikä ennustettavissa - pitkäkestoisin vaihe (yleensä) 3. Tertiäärinen viruminen (tertiary creep) - virumisnopeus kasvaa kappale murtuu (rupture) 6

30 Lämpötilan ja jännitystason vaikutus virumiseen Metalleilla viruminen on tärkeää lämpötiloissa, jotka ovat yli 0,4Tm (Tm=sulamispiste). Yhtälö kuvaa virumisen riippuvuutta lämpötilasta ja jännitystasosta. K 2, n ja Q c (eli virumisen aktivaatioenergia) ovat vakioita. Lämpötilan tai jännityksen noususta seuraa: Alkuvaiheen äkillinen venymä kasvaa Sekundaarisen vaiheen virumanopeus kasvaa Murtuma tapahtuu nopeammin (eli tr pienempi) 7

31 Virumisenkesto Tyypillisesti materiaaleilla on sitä parempi virumisenkesto mitä: korkeampi sulamispiste suurempi kimmokerroin suurempi raekoko Estää raerajaliukumista Myös materiaalin kiderakennetyyppi vaikuttaa virumiseen: pkk on parempi kuin tkk. Lisäksi olosuhteet eli mm. lämpötila ja jännitys vaikuttavat virumiseen, kuten aiemmin todettiin. 8

32 Larson-Miller parametri Larson-Miller parametri kuvaa jännityksen, lämpötilan ja ajan yhteisvaikutusta. Tietyllä jännitystasolla lämpötilan muuttuessa aika tr vaihtelee niin, että parametrin arvo pysyy vakiona. Larson-Miller parametri: T (C + log tr), jossa C = vakio (usein 20) T = lämpötila Kelvineinä tr = murtumisen vaatima aika tunteina Esimerkki Määritä murtumiseen kuluva aika seokselle S-590 lämpötilassa 815 C, kun seoksen L-M parametri on (Oleta C=20.) Ratkaisu: (hyödynnetään L-M parametriä) T (C + log tr) = ,15 (20 + log tr) = tr = eli 1.7 tuntia 9

33 Esimerkki Määritä korkein käyttölämpötila, kun seoksesta S-590 valmistettu komponentti halutaan kestävän käytössä vähintään 1000 h jännitystasolla 500 MPa. Voit olettaa vakion C olevan 20. (Vinkki: käytä L-M parametriä) Ratkaisu: Tr =1000h, Jännitys = 500MPa Poimitaan ylemmästä kuvaajasta jännitystä vastaava L-M parametrin arvo: L-M parametri = eli T (20 + log 1000) = Saadaan: T = / (20 + log 1000) = 717,39 Korkein lämpötila on siis 717 kelviniä eli 444 astetta. 10

34 Lähteet Oppikirja: Materials Science and Engineering: An Introduction, William D. Callister, Eight Edition TTY:n Materiaaliopin laitoksen aineisto Viruminen-luennon diat, Dr. M. Medraj, Mech.Eng.Dept., Concordia University, MECH321, luento 12 Viruminen metalleissa, Juho Saarinen, , Tiivistelmä, Fysiikan syventävien opintojen seminaariharjoitukset, (Lähteisiin viitattu ) 11

35 Testaus ja Suunnittelu Katriina Ojanen

36 Esityksen rakenne Testausmenetelmistä yleisesti Charpy-V iskusitkeyskoe Kiertotaivutusväsytyskoe Virumiskoe Muita murtumismekaniikassa käytettyjä testejä Yhteenveto

37 Taustatiedot Testaus hyvin tärkeä osa suunnittelua Testeissä tutkitaan, miten eri materiaalit käyttäytyvät eri olosuhteissa ja millaisia ominaisuuksia niillä on. Testauksesta saadun datan avulla voidaan mm. tunnistaa materiaaliin syntyneiden vaurioiden syyt ja tulevaisuudessa estää ne. Käydään läpi muutamia yleisimpiä murtumismekaniikassa käytettyjä testejä

38 Charpy-V iskusitkeyskoe Kokeen avulla tutkitaan metallien käyttäytymistä iskumaisessa kuormituksessa. Käytetään Charpyn heilurivasaraa, joka päästetään halutulta korkeudelta iskeytymään sauvaan. Heilurivasaran asteikolta saadaan vasaran nousun perusteella suoraan luettua standardisauvan katkaisemiseen tarvittava energia. Koesauvoja on kahta tyyppiä: Charpy U ja Charpy V Iskusitkeyskokeita tehdään eri lämpötiloissa. [1] [2]

39 Iskuenergia - lämpötila kuvaaja Kokeen tuloksena saadusta kuvaajasta voidaan lukea myös transitiolämpötila. Transitiolämpötilan yläpuolella metalli käyttäytyy sitkeällä tavalla ja alapuolella suurelta osin hauralla tavalla. Iskusitkeys alenee romahdusmaisesti ja murtumistapa muuttuu sitkeästä hauraaksi, kun lämpötila laskee transitiolämpötilan alapuolelle

40 Kiertotaivutusväsytyskoe Väsyminen on vaihtelevan kuormituksen aiheuttamaa vähittäistä vaurioitumista. Väsymisvaurio ilmenee särön kasvuna, joka johtaa kuormituksen jatkuessa lopulta murtumaan. Kiertotaivutusväsymiskokeessa tutkittavaa näytettä kierretään tai painetaan toistuvasti. [3] [4]

41 Kiertotaivutuskoe Tuloksena saadaan S-N käyrä, jonka y-akselilla on jännitys ja x- akselilla syklien määrä murtumiseen asti. Kokeen avulla voidaan määritellä materiaalin väsymisraja. [3]

42 Virumiskoe Virumisella tarkoitetaan ilmiötä, jossa metalli alkaa ajan myötä venyä myötörajaa pienemmillä vetojännityksillä. Viruminen on nopeampaa suurella jännityksellä ja korkeassa lämpötilassa. Viruminen on otettava huomioon korkeissa lämpötiloissa toimivien laitteiden suunnittelussa. Virumiskokeet ovat hyvin pitkäaikaisia, h. Virumiskokeessa mitataan materiaalissa tapahtuvia muutoksia, kun se altistetaan erilaisille jännityksille. Virumiskokeen tuloksista saadaan rasitus-aika käyrä [5]

43 Muita kokeita Vetokoe Kokeessa tutkitaan jännityksen ja venymän välistä riippuvuutta. Kokeen aikana valitusta materiaalista valmistettuun sauvaan kohdistetaan voima. Voimaa lisätään, kunnes sauva katkeaa. Kokeen aikana seurataan vetovoiman ja sauvan pituuden kasvun muutosta. Voidaan määrittää mm. murtolujuus ja myötöraja Vetokokeen tulokset esitetään jännitysvenymäpiirroksena. [6]

44 Muita kokeita Murtumissitkeyskoe Murtumissitkeys (Kc) on materiaalista riippuva suure. Tärkeää ottaa huomioon rakenteiden ainevalinnoissa Perustuu kappaleeseen väsyttämällä tehdyn särön laajenemismahdollisuuksiin Mittaaminen vaatii monimutkaiset laitteet, joten sitä käytetään vain vaikeiden ja kalliiden kohteiden suunnittelussa

45 Yhteenveto Charpy-V iskusitkeyskoe Kokeessa tutkitaan metallien käyttäytymistä iskumaisessa kuormituksessa. Tuloksena saadaan eri lämpötiloissa saatuja iskuenergian arvoja. Niiden avulla voidaan määrittää transitiolämpötila. Kiertotaivutusväsytyskoe Kokeessa tutkittavaa näytettä kierretään ja taivutetaan useita kertoja. Tuloksena saadaan S-N käyrä Kokeen avulla toidaan määritellä materiaalin väsymisraja. Virumiskoe Virumiskokeessa mitataan materiaalissa tapahtuvia muutoksia, kun se altistetaan erilaisille jännityksille. Virumiskokeen tuloksista saadaan rasitus-aika käyrä

46 Lähteet Materials Science and Engineering, William D. Callister jr., David G. Rethwisch, Ninth Edition, SI version, Wiley, 2011 KJR-C Materiaalitekniikka, Insinööritieteiden korkeakoulu, kurssin luentokalvot (luettu ) (luettu ) (luettu ) nen_18.3.pdf;jsessionid=5edcdb5486a d7d ?sequenc e=2 (luettu )

47 Kuvien lähteet [1] en_18.3.pdf;jsessionid=5edcdb5486a d7d ?sequence=2 [2] [3] Materials Science and Engineering, William D. Callister jr., David G. Rethwisch, Ninth Edition, SI version, Wiley, 2011 [4] KJR-C Materiaalitekniikka, Insinööritieteiden korkeakoulu, Luento: Vaurioituminen II [5] [6]