Murtumismekaniikka II. Transitiokäyttäytyminen ja haurasmurtuma

Transkriptio

1 Murtumismekaniikka II Transitiokäyttäytyminen ja haurasmurtuma

2 Kertauskysymyksiä: Miksi säröt ovat vaarallisia? Miksi säröllinen kappale ei murru pienellä jännityksellä? Mikä on G? Yksikkö? Mikä on K? Yksikkö? Miten murtumismekaniikkaa käytetään?

3 Murtumismekaniikka: validiteetti ja käyttö

4 Murtumismekaniikkaa käytetään: Kun haurasmurtuma rajoittaa käyttöä Materiaaleille, jotka ovat alttiita haurasmurtumalle Säröllisen kappaleen analyysi Oletettu tai havaittu särö rakenteessa

5 Vastaa esim. kysymyksiin: Kuinka suuri jännitys voidaan sallia särölliselle kappaleelle? Kuinka suuri särö voidaan sallia annetuilla jännityksillä? Voidaanko materiaalia käyttää annetuilla vikakoolla ja jännityksellä?

6 Analyysin kulku Tehdään jännitysanalyysi säröttömälle kappaleelle Lisätään K-ratkaisu ja lasketaan kuormitustilanteen K-arvo Verrataan K-arvoa materiaalin kriittiseen K-arvoon

7 Rajoitukset K IC voidaan määrittää vain hauraille materiaaleille K IC määrittäminen on kallista

8 Särön vapautuva kimmoenergia

9 Murtumiseen vaikuttavat tekijät

10 Rajoituksia K on validi, kun plastisuus rajoittuu pienelle alueelle särön kärkeen mitattavat TMMT-tilassa Hauraille materiaaleille

11 Validiteetti Standardin kokeellinen vaatimus: ry < näytteen koko / 50 TMMT LEFM voimassa, kunhan tason mitat suuria verrattuna singulariteetin dominoiman alueen kokoon Kokeet täydellä ainevahvuudella

12 Sitkeämmillä materiaaleilla: Särön kärki plastisoituu Särön kärki tylpistyy Särö voi kasvaa jonkin matkaa sitkeän murtumisen mekanismilla ennen haurasmurtuman ydintymistä

13 Transitiolämpötila teräksissä

14 Transitiolämpötila teräksillä Alttius haurasmurtumaan kasvaa lämpötilan laskiessa Korkeissa lämpötiloissa ei alttiutta haurasmurtumaan Yksinkertainen seulontakriteeri => ei käytetä teräksiä lämpötiloissa, joissa haurasmurtumariski

15 Vältetään haurasmurtuma Konservatiivinen Hinta: jätetään käyttämättä materiaaleja, jotka voisivat toimia

16 Ferriittisillä teräksillä Matalissa lämpötiloissa hauras lohkomurtuma mitoitus murtumismekaanisin parametrein Korkeissa lämpötiloissa sitkeä murtuma mitoitus lujuuden mukaan

17 Transitiolämpötila Transitiolämpötilan yläpuolella vältytään kalliilta K Ic määritykseltä Transitiolämpötila määritetään tekemällä kokeita eri lämpötiloissa

18

19 Charpy koe Lovellinen (ei säröllinen) koekappale iskumainen kuormitus Mitataan murtumaan kulunut energia

20 Charpy-V koe

21

22

23 Käytetään Hitsien laadunvarmistukseen/luokitukseen Lämpökäsittelyn laadunvarmistukseen (esim. päästöhauraus) Haurastumisilmiöt Transitiolämpötila (ferriittiset teräkset)

24 Transitiolämpötilan kriteerinä pidetään: Iskuun kulunut energia 27J (tai joskus 40J) Sitkeää murtumaa 50% murtopinnasta "lateral expansion"

25

26

27 Trantisiokäyrä Iskuenergia (J) Lämpötila (oc)

28 Ongelmia Epälukuinen kirjo empiirisiä kriteerejä eri tarkoituksiin Ei selkeää teknistä perustaa Rajoittavat tarpeettomasti uusien terästen käyttöä

29 Haurasmurtuma (lohkomurtuma)

30 A508 Cl.3 T = - 30 C K JC = 280 MPa m a = 0.1 mm Ydintäjä

31

32

33

34 σ σ σ KW952D σ Local stress produces a dislocation pile-up which impinges on a grain boundary carbide. σ Cracking of the carbide introduces a microcrack which propagates into the matrix. σ Advancing microcrack encounters the first large angle boundary.

35 TRANSITION REGION LOWER SHELF Crack propagation

36 FRACTURE SURFACES AT 77K BLUNT-NOTCHED SPECIMEN FATIGUE PRECRACKED SPECIMEN

37 Haurasmurtuman ydintyminen Tilastollinen luonne Kokoefekti Särön etenemisen rajoittama (Singulariteetin koko) Sitkeä repeytyminen ennen haurasmurtumaa

38 Tarkempi analyysi

39

40

41 Miksi? Ferriittisillä materiaaleilla taipumus lohkomurtumaan Miksi transitiolämpötila ( = lohkomurtuman lämpötilariippuvuus)

42 Haurasmurtuman eteneminen atomistinen tarkastelu Kontinuum-mallissa särön kärkeen tulee ääretön jännityssingulariteetti Atomistisessa materiaalissa särön kärjen säde ei mene nollaan

43

44 Säröä kuormitettaessa kärjen atomit siirtyvät Peiers-potentiaalin maksimiin jonka jälkeen voi joko syntyä dislokaatio särö edetä Se, kumpi tapahtuu, riippuu pintaenergiasta Jos dislokaation syntyminen vaatii enemmän energiaa kuin murtopinnan syntyminen, haurasmurtuma etenee (Yksinkertaistettu selitys, todellisuudessa muitakin dislokaatiolähteitä, mutta perusajatus säilyy)

45 Transitiolämpötila Kaikki, mikä pienentää pintaenergiaa tai kasvattaa dislokaatioiden vaatimaa energiaa altistaa haurasmurtumalle Lämpötilan lasku BCC materiaaleilla Suurempi kuormitusnopeus BCC materiaaleilla

46 Haurasmurtuman atomistinen ehto

47

48 Kiskokatkeama - uudelleenarvioitu

49 Data Kisko oli ollut käytössä 30 vuotta Vaurion ydintymiskohtana oli huonosti viimeistelty reikä, josta löydettiin 0.9 mm reikä Kiskolle mitattiin matala iskusitkeysenergia (<10J) Kiskolle mitattiin matala K ic

50 Mitatut arvot olivat samaa tasoa kuin uudessa kiskossa Alustan arvelleen pehmentyneen käytössä; pehmeneminen lisää kiskon jännityksiä Kiskosta mitattiin myös suuria jäännösjännityksiä Lämpötila (-7) aiheutti kiskoihin vetojännityksen (neutraalilämpötila n. +15 C)

51 Onnettomuustutkinnan johtopäätökset Onnettomuuden välittömänä syynä oli hetkeä aiemmin katkenneen kiskon murtuminen junan vaunujen alla. Kiskon murtuminen johtui todennäköisesti siihen poratun reiän viimeistelemättömyyden ja kiskoteräksen paikallisten ominaisuuksien yhteisvaikutuksesta. Murtumista on saattanut edesauttaa päällysrakenteen kulumisen, kiskon jäännösjännitysten ja jatkuvakiskoraiteessa alhaisissa lämpötiloissa muodostuvan vetojännityksen muodostama suuri jännitystila. Kiskonkatkeama johti onnettomuuteen, koska siihen ei osattu reagoida oikealla tavalla. Kahden tavarajunan kuljettajat havaitsivat kiskonkatkeamasta johtuneen kolauksen, mutta tapausta ei liikenteenohjauksessa osattu arvioida niin vakavaksi, että se aiheuttaisi junan suistumisen.

52 Hinausketjun vaurioanalyysi

53 Vaurio Raskasta ketjua käytettiin päivittäin sotilasajoneuvojen hinaukseen Ketju katkesi kesken hinauksen (potentiaalinen vaaratilanne) Ketju katkesi vähäisen käytön jälkeen

54 Vaurio sijoittuu lenkin hitsiin

55 Raskas ketju, jonka tulisi kestää 322 kn

56 Myötö- ja murtolujuus spesifikaation mukaiset

57 Kovuus OK

58 Hitsissä alkusäröjä

59 Murtopinnalla väsymistä, haurasmurtumaa ja sitkeää murtumaa

60 Murtopinnat pahoin jauhautuneet

61 Vaurion osasyyt Materiaalin koostumus ei aivan vastannut spesifikaatiota => heikentynyt karkenevuus Hitsauksessa hauraita mikrorakenteita ja alkusäröjä Väsyttävä kuormitus Ylikuormitus

62 Vaurion juurisyy Heikko hitsauksen laatu ja sen aiheuttamat alkuviat mahdollistivat väsymisen ja ylikuormituksen aiheuttaman loppumurtuman