Murtumismekanismit: Väsyminen

Transkriptio

1 KJR-C2004 Materiaalitekniikka Murtumismekanismit: Väsyminen

2 Väsyminen Väsyminen on dynaamisen eli ajan suhteen aiheuttamaa vähittäistä vaurioitumista. Väsymisvaurio ilmenee särön, joka johtaa lopulta murtumaan. Väsymissärön kasvu tapahtuu yleensä huomaamatta käytön aikana ja vaurio havaitaan vasta jälkikäteen Jopa 90% kaikista vauriotapauksista on seurausta väsymisestä.

3 Väsyminen Väsymisessä rakenteen elinikää kuvataan yleensä ajan sijasta kuormituskertoina eli sykleinä. Toistamalla kuormituskertoja havaitaan vaurion syntyvät eri aikaan eri jännitystasoilla Jännityksen kasvaessa kokonaiselinikä laskee ja päinvastoin Osalla materiaaleista havaitaan rajaarvo, jonka alapuolella kokonaiselinikä kasvaa erittäin suureksi Ääretön elinikä eli riittävän pienillä jännitystasoilla väsymistä ei tapahdu laisinkaan

4 Mitä väsyminen on?

5 Väsymissärön ydintyminen Rakenteen kokonaisväsymisikä koostuu särön ydintymiseen ja kasvamiseen kuluvasta ajasta. Särön ydintymisen osuus kokonaisväsymisiästä on suurin matalilla kuormituksilla. Kuormitustason noustessa kasvaa särön kasvuvaiheen osuus Särö ydintyy yleensä kappaleen pinnan epäjatkuvuuskohtaan: naarmut, kuopat, korroosiojäljet, hitsisaumat, muut viat. Särön ydintyminen vaatii paikallisen plastisen kuormituskomponentin Epäjatkuvuuskohta toimii jännityskeskittymänä, jonka seurauksena materiaalin jännitys kasvaa paikallisesti yli myötölujuuden Rakenteen laskennallinen nominaalijännitys voi silti olla alle myötölujuuden.

6 Lovien aiheuttama jännityskeskittymä

7 Sulkeumien ja vikojen vaikutus

8 Hitsien vaikutus ydintymiseen Geometriavirheet Hitsin alkuviat kuten reunahaava Hitsin vyöhykkeet ja lisäaineet Timo Kiesi

9 Ydintyminen plastisen deformaation avulla Syklinen kuormitus voi synnyttää itse mikroskooppisia, paikallisia epäjatkuvuuskohtia, jos niitä ei ole olemassa! Deformaation keskittyminen Dislokaatioiden edestakainen palautumaton liike tietyillä liukusysteemeillä Liukunauhojen ekstruusiot ja intruusiot. Särön ydintyminen

10 Mitä väsyminen on?

11 Väsymissärön kasvu Väsymissärön kasvu voidaan jakaa kolmeen vaiheeseen: I särön pituus on 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 - Kasvu jännitysintensiteetin kontrolloimaa - Särön kasvu noudattaa Paris'n lakia III loppumurtuma - Kun särö kasvaa riittävän suureksi, ei materiaalinkantokyky enää riitä, vaan tapahtuu loppumurtuma sitkeällä tai hauraalla mekanismilla.

12 Stage I Stage II

13 Väsymissärö -Poikkileikkaus 26

14 Väsymisjuovat (Fatigue striations) Mikroskooppiset jäljet murtopinnalla

15 Mitä väsyminen on?

16 Väsymisvaurion murtopinta Havaitaan eri alueet: Ydintymiskohta Väsymissärön etenemisjälkiä - Pysähtymisviivoja eli makroskooppisia simpukkakuvioita (clamshell marks / beach marks) - Etenemisjäljistä voidaan päätellä särön kasvusuunta - Pysähtymisviivojen välissä on mikroskooppisia väsymisjuovia (fatigue striations), joista voi päätellä särön etenemisnopeutta Huomaa, että näitä ei voi nähdä paljaalla silmällä. Tarvitaan esim. elektronimikroskooppi. Loppumurtuman alue - Hauras tai sitkeä murtuma

17 Murtopinta-analyysi Ydintymiskohta Beach marks

18 Mitoittaminen väsymistä vastaan Timo Kiesi

19 Väsyttävä kuormitus Määritelmiä: Keskijännitys: σ k = σ max+σ min 2 Kuormitussuhde: R = σ min σ max Kuormituskerta eli sykli Jännitysvaihtelu: σ = σ max σ min Jännitysamplitudi: σ a = σ max σ min 2

20 Kiertotaivutusväsytyskokeet

21 Jännitys (MPa) S-N piirrokset A.K.A. Wöhler-käyrät Saadaan testaamalla sarja näytteitä sekä väsymisrajan ylä- että alapuolella Log-log piirros (joskus puoli-log) jännityksestä ja sykleistä Mitoituskriteerinä yleensä väsymisraja eli ääretön elinikä Syklit (N) [logaritminen asteikko]

22 Väsymisraja / väsymislujuus Väsymisraja: Hiiliteräkset Väsymislujuus eli jännitystaso, joka vastaa esim sykliä: Alumiini, ruostumaton teräs

23 Väsymisrajan luonne Tilastollisuus eli tuloksissa on merkittävä hajonta, koska esimerkiksi materiaalin viat vaikuttavat merkittävästi säröjen ydintymiseen Väsymisrajan alapuolella havaitaan pysähtyneitä säröjä Väsymisraja häviää spektriväsytyksessä, ympäristövaikutteisessa väsytyksessä, jne. Väsymisrajaa ei havaita kaikilla materiaaleilla 39

24

25 CES Edupack 2012

26 Materiaaliryhmät Muovit Lämpeneminen Herkkyys taajuudelle Materiaaliominaisuuksien herkkyys lämpötilalle ja ympäristölle

27 Materiaaliryhmät Keraamit Ei plastista muodonmuutosta Väsyminen johtuu särönkylkien hankautumisesta

28 Materiaaliryhmät Komposiitit Monimutkainen jännitys-venymä käyttäytyminen

29 Väsymistestaus: High-cycle vs. Low cycle Testaus yleisen myötämisen alapuolella (pitkä elinikä N f > ~10 4 ) Testaus yleisen myötämisen yläpuolella; syklisen plastisen deformaation vaikutus (lyhyt elinikä N f < ~10 4 )

30 Väsymissuunnittelu vaatii laskentatyökaluja Kuormitus harvoin puhdas vaihtokuorma. Elinikä lyhenee, jos keskijännitys on korkeampi kuin 0 Mpa Smithin-piirros, Haigin diagrammi Esim. Rainflow-menetelmä

31 Väsyminen on monimutkainen ongelma todellisissa rakenteissa! Ympäristövaikutteinen väsyminen Aggressiivinen ympäristö nopeuttaa väsymisärön: - ydintymistä, - kasvua tai - molempia yhdessä Moniaksiaalinen väsyminen Jännitystilan vaikutus todellisissa rakenteissa Lämpötilan vaikutus Lämpötila vaikuttaa mekaanisiin ominaisuuksiin Lämpötilan vaihtelun / gradientit synnyttävät jännityksiä, jos lämpölaajeneminen on estetty

32 Miten parantaa väsymiskestävyyttä? Timo Kiesi

33 Lujuuden ja väsymislujuuden suhde 0.5 x UTS 1.6 x HV

34 Väsymisiän parantaminen: Epäjatkuvuuskohtien välttäminen, jännityskonsentraatioiden vähentäminen

35 Väsymisiän parantaminen: Jännitystilan muokkaus - Pintakarkaisut (hiiletys- ja induktiokarkaisu teräksellä) Pinta martensiittia Eri faasirakenteista seuraa pintaan edullinen puristusjännitystila Sisus bainiittis-martensiittinen (tai ferriittis-perliittinen)

36 Väsymisiän parantaminen: Jännitystilan muokkaus - Pinnan muokkaaminen plastisesti (= puristusjäännösjännitys) Kuulapommitus Hiekkapuhallus Ultraäänivasarointi

37 Väsymissärön kasvun seuranta Tietyissä tapauksissa rakennetta voidaan joutua käyttämään siten, että siinä tiedetään olevan säröjä Komponentin korjaaminen tai vaihtaminen kallista tai jopa mahdotonta Väsymissärön kasvun seuraaminen yhdistää murtumismekaniikka ja materiaalitestausta Voidaan osoittaa, etteivät säröt aiheuta vaaraa käyttöjaksolla Voidaan osoittaa säröjen pysähtyvän laskevassa jännityskentässä Perustuu särönkasvunopeusmittauksiin ja laskennallisiin menetelmiin

38 Väsymismitoitus särönkasvu Paris'n laki: da dn = C Km, jossa - da dn on särönkasvunopeus, - C ja m ovat materiaalivakioita ja - K on jännitysintensiteettitekijän vaihtelu eli K = Y σ πa. Antaa mahdollisuuden mitoittaa rakenne eliniän tai sallitun suurimman vikakoon mukaan. Komponentin eliniän arvioiminen särönkasvun IIvaiheessa eli stabiilin särönkasvun aikana

39 NDT eli ainetta rikkomaton tarkastus Seurataan särönkasvua ainetta rikkomatta

40 Yhteenveto Väsyminen on syklisen kuormituksen aiheuttamaa vähittäistä vaurioitumista. Väsymiselinikä koostuu särön ydintymis- ja kasvuvaiheesta Väsymissärön ydintyminen vaatii paikallisen plastisen kuormituksen Väsymisvaurion murtopinnalta voidaan havaita särön etenemisjälkiä Väsymisen tekee vaaralliseksi sen salakavaluus vaurio havaitaan vasta loppumurtuman jälkeen Timo Kiesi