Mekaaniset ominaisuudet

Transkriptio

1 Mekaaniset ominaisuudet

2 Yleisimmät mekaaniset ominaisuudet Kimmokerroin (E) jäykkyys Lujuus (σ) Kovuus 2 2

3 Jännitys σ = F/A ε = l/l σ = Eε 3 3

4 Kimmokerroin (E) Kuvaa materiaalin jäykkyyttä Syntyy atomien välisestä vetovoimasta 4 4

5 Mittaaminen Ominaisvärähtelyn taajuus riippuu kimmokertoimesta 5 5

6 Fysikaalinen tausta Riippuu atomien välisestä sidoksesta Ei voida muuttaa seostuksella tai lämpökäsitelyllä 6

7 Jäykkyyskriittinen suunnittelu 7 7

8 Lujuus (σ) Suurin jännitys, jonka materiaali kestää Myötämättä ( = ilman pysyvää muodonmuutosta) Murtumatta 8

9 Tausta Lujuus riippuu atomisidoksesta kidemuodosta hilavirheistä Lujuuteen voidaan vaikuttaa 9 9

10 10 10

11 Määritelmät 11 11

12 12 12

13 13 13

14 14 14

15 15 15

16 Mittaaminen 16

17 Jännityskriittinen suunnittelu Suunnitellaan s.e. materiaalin myötölujuutta ei ylitetä lisätään materiaalia kunnes jännitykset alle sallitun 17 17

18 18

19 19

20 Muokkaamalla lisää lujuutta käyttöön Mikä muuttuu muokkauksessa? 20

21 Hehkutus 21 21

22 Lujuus vs. sitkeys 22 22

23 Lujuus vs. sitkeys Murtovenymän pienentyessä mahdollisuus laukaista paikallisia jännityshuippuja myötämällä pienenee alttius haurasmurtumaan lisääntyy 23 23

24 Erilaisia jännitys-venymäkäyriä 24 24

25 Lujuus Riippuu mikrorakenteesta => riippuu valmistustilasta riippuu lämpökäsittelystä riippuu muokkauksesta jne. 25

26 Kovuus Yksinkertainen testi Kertoo lujuudesta kulumiskestävyydestä 26

27 27

28 28 28

29 Esimerkki: Mangaaniteräs rautatievaihde

30 Vaadittavat ominaisuudet Suuri kulumiskestävyys (kovuus) Suuri lujuus Suuri sitkeys => Ristiriitaiset vaatimukset Vaihteen tulee olla yhtä aikaa kova ja pehmeä

31 Ratkaisu: voimakkaasti muokkauslujittuva mangaaniteräs Muokkaamattomana suuri sitkeys Junien kuormitus aiheuttaa pinnan karkenemisen Voimakas lujuuden ja kovuuden kasvu Kulutuspinta uusiutuu itsestään

32 Kuidut Kuituja voidaan valmistaa siten, että mikrorakenne maksimoi lujuuden kuidun suunnassa Metalleissa voimakas muokkaus Polymeereissä ketjut kuidun suuntaisia Yhtä lujia materiaaleja ei voida valmistaa esim. levyinä Ominaisuudet ovat vahvasti valmistustiestä riippuvia 32 32

33 Esim.: dyneema high molecular weight PE kehrätty siten, että polymeeriketjut ovat kuidun suuntaisia Lujuus jopa 2.4 GPa ( 1.8 x teräslangan lujuus) Polymeerikuidun teoreettinen lujuus ~ 9 GPa mitattu yksittäisellä kuidulla single filament Kimmokerroin n. 70GPa Samaa luokkaa kuin alumiinilla (1/3 teräksen vastaavasta) 33 33

34 dyneema Mitattu lujuus riippuu kuidun pituudesta testattu n. 80 mm kuiduilla Lujuus laskeen nopeasti lämpötilan noustessa 34 34

35 Lujuus vs. jäykkyys Joskus voidaan geometrialla tai rakenteella ottaa käyttöön jäykkyyttä lujuuden kustannuksella 35 35

36 19 BC 36

37 Golden gate 37 37

38 38

39 Eri materiaalien ominaisuuksia 39

40 Materiaalinvalintakartta Usein suunnittelu tehdään muutaman ristiriitaisen ominaisuuden mukaan Materiaalinvalintakartalla yhdistetään valintakriteerit kvantitatiivisesti visualisoidaan materiaaliryhmät suhteessa kriteereihin yleisen tason valinta 40 40

41 Tiheys Kimmokerroin Kuva puuttuu 41

42 Tiheys lujuus 42

43 Lujuus Kimmokerroin 43

44 Kimmokerroin sulamispiste 44

45 Lämpötila riippuvuus 45

46 46 46

47 Esimerkkejä Golf-maila Keinonivel Hammaspyörä 47 47

48 Esimerkki: Golf-maila

49 Golf-mailalta vaadittavat ominaisuudet Suuri elastisuus Pieni kimmokerroin Suuri lujuus => Suuri energian siirtyminen mailasta palloon => Suuri nopeus ja liikemäärä mailan päällä

50

51 Patentti: Valmistetaan maila osin amorfisesta metallista Amorfinen metalli: Yleensä metallit kiteisiä (eli atomit järjestyneet energeettisesti suotuisaan kiderakenteeseen) Tietyillä seoksilla hyvin nopeassa jäähdytyksessä kiteytyminen estyy Seurauksena ei-kiteinen, amorfinen metalli "Metallic glass" Suuri lujuus Pieni kimmokerroin

52 Vrt. erikoistitaaniseos

53 Vähäinen energiahäviö

54

55

56 Esimerkkejä Kiitokset: Wade Karlsen, VTT Eero Mäsä, Ata Gears 56 56

57 Esimerkki: Bioimplantti 57

58 70-luvulta alkaen kolmiosainen rakenne: metallinen tukiosa polymeerinen nivelkuppi PMMA liitos luuhun 58 58

59 59 59

60 Vaatimukset Vastaa korvattavaa raajaa painon, liikealueen jne. osalta Kestää lopun ikää Aggressivinen ympäristö Voimakkaat kuormat Rajallinen tila 60 60

61 Ongelmia Väsyttävä kuorma voi aiheuttaa proteesin murtuman Tuskallinen kokemus, joudutaan tekemään uusi leikkaus proteesin korvaamiseksi Kuluminen synnyttää kulumisjätettä joka kulkeutuu kudokseen ja aiheuttaa hylkimisreaktion Proteesi voi löystyä (irtoaa luusta) kipuja uusi leikkaus 61 61

62 Materiaalit Vaatimukset Hyvä staattinen puristuslujuus (ei ylikuormaa) Hyvä väsymiskestävyys Suuri kovuus => hyvä kulumiskestävyys ja minimoitu kulumajäte Riittävä korroosionkesto Biokompatibiliteetti Korroosioväsymiskestävyys Matala kimmokerroin hyvän yhteensopivuuden takaamiseksi Hinta 62 62

63 Yleisimmät materiaalit AISI-316L -ruostumaton teräs Ti-6Al-4V titaaniseos F75 koboltti-kromi-molybdeeniseos 63 63

64 Ruostumaton teräs Valssatuista levyistä/tangoista koneistettuja komponentteja Altis korroosiolle Korroosioväsymisvaurioita on tapahtunut Hintakilpailukykyinen 64

65 Ti-6Al-4V Hyvät mekaaniset ja korroosio-ominaisuudet Kimmokerroin vastaa hyvin (paremmin kuin muilla käytetyillä seoksilla) luun vastaavaa Melko kallis valmistaa Kulumisominaisuudet jättävät toivomisen varaa 65

66 Co-Cr-Mo Hyvä korroosionkestävyys Hyvä biokompatibiliteetti Korroosioväsyminen voi olla riski Hyvät kulumisominaisuudet 66

67 Esimerkki: Hammaspyörä 67 67

68 Hammaspyörä Kuormat pintapaine taivutus tyvessä 68 68

69 Rakenne Suuritehoiset pyörät Hiiletyskarkaistua terästä Kovaksi karkaistu pinta Sitkeä sisus Puristusjännitys pinnassa (parantaa väsymiskestävyyttä) 69

70 Lähde: Ata gears, Eero Mäsä 70 70

71 Hammasvaihteet Hammasvaihteiden koot tehoyksikköä kohti ovat pienentyneet viime vuosikymmenien aikana. Hammasvaihteiden tehonsiirtokyvyn kasvu on ollut riippuvainen mm seuraavista tekijöistä: Hammaspyöriin liittyvä kehitys Laakerointi / voitelu -teemat Kotelo 71 71

72 Seurauksena on ollut paitsi vaihteiden fyysisen koon pieneneminen, niin 2000-luvulla on tullut em syiden johdosta mahdollisuudet ylipäänsä suunnitella ja valmistaa hammasvaihteita sellaisille suurille teholuokille, joita ei pidetty mahdollisena (ainakaan järkevillä kustannuksilla) vielä 80 tai 90-luvullakaan

73 Hammaspyörät hammaspyörämateriaalien väsymislujuuksien paraneminen hammastuksen koneistustarkkuuden parantuminen dynaamiset voimat alhaisemmat hammaspyörän kuormitustilanteen parempi laskennallinen hallinta tasaisempi kuorman jakautuminen hampaan pinnalle alhaisemmat todelliset jännitykset 73 73

74 Hammaspyörien väsymislujuuden maksimointi on seurausta perusaineen (teräksen), muokkauksen ja lopullisen lämpökäsittelyn yhteensovittamisesta. Hiiletyskarkaisulla saavutetaan parhaat väsymislujuusarvot

75 Teräksen kehitys: teräksen puhtaus parantunut haitallisten kaasujen määrää voidaan hallita vakuumikäsittelyjen avulla koostumuksen vaihtelut ovat erittäin pienet alumiini-nikkeli suhdetta säätämällä pystytään saamaan rakeenkasvun kannalta pitkiä hiiletysaikoja kestävä teräs muokkauksella (valssaus + taonta) ja siihen liittyvillä lämpökäsittelyillä saadaan aikaan hienorakeinen ja homogeeninen (isotrooppinen) rakenne 75 75

76 EN-, DIN-, tms. standardin perusteella ostettu materiaali ei täytä nykyvaatimuksia Tilausspesifikaatiot täytyy nimenomaan kohteeseen soveltuviksi Tänä päivänä lähes kaikilla kansainvälisillä hammasvaihteiden ja hammaspyörien valmistajilla (kuten mm ATA Gears Oy:llä) on oma hammaspyörätakeiden ja tankojen tilausspesifikaatio 76 76

77 Hiiletyskarkaisu mahdollisuus hiiletyskarkaista jopa 5 mm tehollisia hiiletyssyvyyksiä hiiletysprosessien ohjausjärjestelmät instrumentteineen ja optimointimenetelmineen ovat johtaneet prosessin laadun tilastolliseen paranemiseen jäännösaustenniitti rajoitettu kovuus (pinta-, sydän-) rajat hammastuksen kovuusprofiilin optimointi kuormitustilanteen mukaan 77 77

78 Tulevaisuuden trendejä Vakuumihiiletys Plasmahiiletys lisää mahdollisuuksia karkaisuominaisuuksien optimointiin Kontrolloitu kuulapuhallus hampaan juureen saadaan lisää puristusjännitystä hampaan tyven kuormitusta kasvattaa %. 78

79 Kotelot -kotelon jäykkyys / muodonmuutosten parempi hallinta ja ennakointi (FEM) 79