Vauriomekanismi: Väsyminen

Transkriptio

1 Vauriomekanismi: Väsyminen

2 Väsyminen Väsyminen on vaihtelevan kuormituksen aiheuttamaa vähittäistä vaurioitumista. Erään arvion mukaan 90% vaurioista on väsymisen aiheuttamaa. Väsymisikää voidaan kuvata ns. Wöhler-käyrän avulla S-N (kuormitus-sykli kuvaaja)

3 Väsymisraja / väsymislujuus Väsymisraja Selvä polvipiste S-N-kuvaajassa, jonka alapuolella ääretön elinikä (esimerkiksi hiiliteräkset) Väsymislujuus Ei selvää polvipistettä S-N - kuvaajassa (esimerkiksi alumiini, ruotumaton teräs, messinki, kupari) Kon

4 CES Edupack 2012

5 Väsymissärön ydintyminen Väsymisikä voidaan jakaa särön ydintymisvaiheeseen ja särön kasvuvaiheeseen. Särön ydintymisen osuus kokonaisväsymisiästä on suurin matalilla kuormituksilla. Kuormitustason noustessa kasvaa särön kasvuvaiheen osuus Särö ydintyy yleensä kappaleen pinnan epäjatkuvuuskohtaan, jossa on jännityskonsentraatio eli paikallinen jännityshuippu (σ > σ m? ) naarmut, kuopat, korroosiojäljet, hitsisaumat, muut viat. Syklinen kuormitus voi itse synnyttää pintaan mikroskooppisia epäjatkuvuuskohtia, joihin väsymissärö ydintyy. liukunauhojen ekstruusiot ja intruusiot.

6 Väsymisvaurio Ydintyminen Väsymisvaurio ilmenee vähittäisenä särön kasvuna, joka johtaa kuormitusta jatkettaessa lopulta murtumaan. Väsymisvaurion murtopinta: Ydintymiskohta Väsymissärön etenemisjälkiä makroskooppisia simpukkakuvioita (clamshell marks) mikroskooppisia väsymisjuovia (fatigue striations). Loppumurtuman alue Makroskooppisia etenemisjälkiä, simpukkakuvioita (clamshell marks) Loppumurtuma

7 Väsymisvaurion murtopinta Ydintyminen Etenemisjälkiä Loppumurtuma

8 Väsymisjuovat (Fatigue striations) Mikroskooppisia väsymisjuovia vaurion murtopinnalla. (SEM-kuva)

9 Väsymissärön kasvu Väsymissärön kasvu voidaan jakaa kolmeen vaiheeseen: I särön pituus pieni verrattuna raekokoon Murtopinta sileä Särö kasvaa rakeen läpi tasossa, jossa leikkausjännitys on suuri Jos rakenteessa alkusäröjä tai jännitystaso on suuri, on I-vaihe lyhyt II särö ulottuu monien rakeiden yli Yksittäisten rakeiden vaikutus särönkasvuun vähäinen Särön kasvu noudattaa Paris'n lakia Kasvu jännitysintensiteetin kontrolloimaa III loppumurtuma Kun särö kasvaa riittävän suureksi, ei materiaalinkantokyky enää riitä, vaan tapahtuu loppumurtuma.

10 Väsyttävä kuormitus Määritelmiä: Keskijännitys: k max 2 min Kuormitussuhde: min R max Jännitysvaihtelu: max min Jännitysamplitudi: a max 2 min

11 Esimerkkitehtävä 400 Laske oheisten väsymisdatojen avulla seuraavat suureet: 1. keskijännitys, 2. kuormitussuhde, 3. jännitysvaihtelu ja 4. jännitysamplitudi. Jännitys (MPa) Aika (s) Jännitys (MPa) Aika (s)

12 Esimerkkitehtävä Määritelmiä: Keskijännitys: k max 2 min Kuormitussuhde: min R max Jännitysvaihtelu: max min Jännitysamplitudi: a max 2 min

13 Esimerkkitehtävä Jännitys (MPa) Aika (s)

14 Esimerkkitehtävä Keskijännitys Kuormitussuhde Jännitysvaihtelu Jännitysamplitudi 350MPa 150MPa k 250MPa 2 150MPa R 0,42 350MPa 350MPa 150MPa 200MPa 350MPa 150MPa a 100MPa 2

15 Esimerkkitehtävä Jännitys (MPa) Aika (s)

16 Esimerkkitehtävä Keskijännitys Kuormitussuhde Jännitysvaihtelu Jännitysamplitudi 125MPa 225MPa k 50MPa 2 225MPa R 125MPa 1,8 125MPa 225MPa 350MPa 125MPa 225MPa a 175MPa 2

17 Esimerkkitehtävä Seosteräkselle suoritettiin väsytyskoesarja, josta saatiin alla olevan taulukon mukaiset tulokset. (R=-1, k =0) Arvioi: a) Mikä on kyseisen materiaalin väsymisraja, jos sellainen on? b) Väsymisiät jännitysamplitudeilla 415 MPa ja 275 MPa? Jännitysamplitudi Syklimäärä murtumahetkellä (MPa) (N) c) Arvioi väsymislujuus, kun N f on sykliä?

18 Esimerkkitehtävä Piirretään S-N käyrä koedatan avulla. Jännitysamplitudi log (N)

19 Esimerkkitehtävä 290 MPa

20 Esimerkkitehtävä 415 MPa 275 MPa =

21 Esimerkkitehtävä 450 MPa 2.00E+04

22 Väsymissärön kasvu - laskenta Paris'n laki: jossa a on särön pituus, N on syklimäärä A on materiaalivakio m on materiaalivakio K jännitysintensiteettitekijän vaihtelu Komponentin eliniän arvioiminen särönkasvun II-vaiheessa Stabiilin särönkasvun aikana Paris n avulla voidaan arvioida materiaalin kestoikää, kun tunnetaan: alkusärön pituus jännitysvaihtelu da A K dn tavoiteltu syklimäärä m K Y a

23 Paris n laki väsymismitoituksessa Laaja teräslevy on vaihtokuormituksen alaisena: 100 MPa (veto) -50 MPa (puristus). Ennen kuormitusta levystä on havaittu 2,0 mm syvyinen reunasärö. Laske kuinka monta kuormitussykliä levy kestää ennen murtumista. Arvioi levyn elinikä väsymiskestävyyden osalta, kun materiaalin: K IC m 3,0 25MPa A 1, m 3,0 MPa m. Paris n laki, josta on ratkaistu kuormituskerrat: da dn A K m N a c a 0 da A K m

24 Laskentaperiaate 1. Lasketaan murtumismekaniikan avulla materiaalille kriittinen särökoko eli särön pituus, jolla tapahtuu loppumurtuma K = Yσ πa 2. Lasketaan Paris'n lain avulla syklimäärä, jolla särö kasvaa nykyisestä koosta kriittiseen mittaan: da dn = A K m, jossa a on särön pituus, N on syklimäärä A on materiaalivakio m on materiaalivakio K jännitysintensiteettitekijän vaihtelu K = Y σ πa

25 Esimerkki Paris n laki Ensin kappaleelle lasketaan kriittinen särökoko seuraavan kaavan avulla: K Y IC a c Ratkaistaan a c käyttäen geometrialle kerrointa Y 1,1 ja jännitykselle maksimivetokuorman arvoa: a c 2 1 KIC 1 25MPa m Y 100MPa 1,1 2 0,016m

26 Esimerkki Paris n laki Seuraavaksi lasketaan levyn väsymisikä Paris n lain avulla ( = max - min ). min arvona käytetään 0 MPa, koska puristusjännitysalueella väsymissärö ei kasva. Alkusärön pituus on 2,0 mm ja loppusärön pituus 16 mm. N ac a c da 1 da m/2 a [Sijoitetaan vakio a m m m m ( ) 0 A Y a A Y a0 a 0 m] c a C 1 da / 2 A Y a A Y a A / a 1/ 2 0 ( ) a a a 3 3 Y 3 c , ,1 0,016 0, ,9 * 10 6 sykliä