Vaatimukset. Rakenne. Materiaalit ja niiden ominaisuudet. Timo Kiesi

Samankaltaiset tiedostot
Tuukka Yrttimaa. Vaurioituminen. Sitkeä- ja haurasmurtuma. Brittle and Ductile Fracture

Murtumismekaniikka III LEFM => EPFM

Kon Luento 12 -Säteilyhaurastuminen -Mikrorakenteen vaikutus murtumiseen -Yhteenveto -CASE: Murtumismekanismien yhteisvaikutukset

Murtumismekaniikka II. Transitiokäyttäytyminen ja haurasmurtuma

Raerajalujittuminen LPK / Oulun yliopisto

TERÄKSEN KÄYTTÄYTYMINEN ÄÄRIOLOSUHTEISSA.

Valetun valukappaleelle on asetettu usein erilaisia mekaanisia ominaisuuksia, joita mitataan aineenkoestuksella.

Väsymissärön ydintyminen

Murtumismekanismit: Väsyminen

Miksi vaurioita I. Triviaaliselitykset eivät riitä estämään vaurioita jotka voitaisiin estää nykytiedolla II. Syvempikin vaurioanalyysi jää tyypillise

Väsyminen. Amanda Grannas

Vaurioiden tyypilliset syyt

KJR-C2004 materiaalitekniikka. Harjoituskierros 2

Vauriomekanismi: Väsyminen

Kon Rakenneaineet jännitysten ja ympäristön vaikutusten alaisina 5 op Periodit I II. Luennoitsija: Iikka Virkkunen Harjoitukset: Timo Kiesi

Makroskooppinen approksimaatio

MEKAANINEN AINEENKOETUS

Metallien plastinen deformaatio on dislokaatioiden liikettä

CHEM-A1410 Materiaalitieteen Perusteet Luento 3: Mekaaniset ominaisuudet Ville Jokinen

Ympäristövaikutteinen murtuminen EAC

Murtumismekaniikka. Jussi Tamminen

Deformaatio. Kiteen teoreettinen lujuus: Todelliset lujuudet lähempänä. σ E/8. σ E/1000

SISÄLTÖ 1. Veto-puristuskoe 2. Jännitys-venymäpiirros 3. Sitkeitten ja hauraitten materiaalien jännitysvenymäkäyttäytyminen

Murtumissitkeyden arvioimisen ongelmia

Materiaaliryhmien taksonomia

Jänneterästen katkeamisen syyn selvitys

Luento 1 Rauta-hiili tasapainopiirros Austeniitin hajaantuminen perliittimekanismilla

Metallit jaksollisessa järjestelmässä

Rakennesuunnittelu. Materiaali. Kudotut rakenteet. Komposiitit ALM. Functionally graded. Vaahdot

Kon Teräkset Harjoituskierros 6.

TILASTOLLINEN KOON VAIKUTUS MONOTONISESSA KUORMITUKSESSA

10. Jännitysten ja muodonmuutosten yhteys; vaurioteoriat

Metallien plastinen deformaatio on dislokaatioiden liikettä

Materiaaliryhmien taksonomia

Koneenosien lujuuslaskenta

KUPARISAUVOJEN KOVUUS-, VETO-, JA VÄSYTYSKOKEET ANU VÄISÄNEN, JARMO MÄKIKANGAS, MARKKU KESKITALO, JARI OJALA

Lovilujittuminen. Lovessa kolmiaksiaalinen jännitystila Lovessa materiaali käyttäytyy kuin se*olisi lujempi

Faasimuutokset ja lämpökäsittelyt

Testaus ja suunnittelu. Heikki Lagus

Hitsaustekniikkaa suunnittelijoille koulutuspäivä Hitsattujen rakenteiden lujuustarkastelu Tatu Westerholm

Kuparikapselin pitkäaikaiskestävyys

Työ 3: STAATTISET ELPYMISMEKANISMIT JA METALLIEN ISKUSITKEYS

Pienahitsien materiaalikerroin w

Ratkaisut 3. KJR-C2001 Kiinteän aineen mekaniikan perusteet, IV/2016

Dislokaatiot - pikauusinta

Hitsattu rakenne vikojen vaikutus lujuuteen ja elinikään

3. SUUNNITTELUPERUSTEET

CHEM-A1410 Materiaalitieteen perusteet

CHEM-A1410 Tulevaisuuden materiaalit, 2. luento, ominaisuuksista

3. SUUNNITTELUPERUSTEET

Luento 5 Hiiliteräkset

JÄNNERAUDOITTEET. Sisältö Jännityskorroosio rakenteellinen näkökulma TkT Anssi Laaksonen

Fysikaaliset ominaisuudet

Ydinjätekapselin deformaatiomekanismit Projektin johtaja: Hannu Hänninen Tutkijat: Kati Savolainen ja Tapio Saukkonen

Liite A : Kuvat. Kuva 1.1: Periaatekuva CLIC-kiihdyttimestä. [ 1 ]

Kuparikapselin pitkäaikaiskestävyys

LUJUUSHYPOTEESIT, YLEISTÄ

2 LUJUUSOPIN PERUSKÄSITTEET Suoran sauvan veto tai puristus Jännityksen ja venymän välinen yhteys 34

Laskuharjoitus 2 Ratkaisut

Keijo Silvasti TILASTOLLINEN KOON VAIKUTUS STAATTISESSA KUORMITUKSESSA

BK10A3500 Materiaalitekniikka

Kon Teräkset Viikkoharjoitus 2. Timo Kiesi Koneenrakennuksen materiaalitekniikan tutkimusryhmä Koneenrakennustekniikan laitos

Keskinopea jäähtyminen: A => Bainiitti

TUTKIMUSRAPORTTI VTT-R Järvenpään romahtaneen urheiluhallin kattoteräsrakenteiden hitsausliitosten tutkinta

Sulametallurgia (Secondary steelmaking)

Stalatube Oy. P u t k i k a n n a k k e e n m a s s o j e n v e r t a i l u. Laskentaraportti

TRANSITIOLÄMPÖTILAN MÄÄRITTÄMINEN KYLMÄNKESTÄVILLÄ TERÄKSILLÄ DETERMINATION OF THE TRANSITION TEMPERATURE OF COLD-RESISTANT STEELS

KJR-C2004 Materiaalitekniikka. Käytännön järjestelyt, kevät 2017

Chem-C2400 Luento 4: Kidevirheet Ville Jokinen

Vaihdelaa(kon synkronirengas C.R Gagg & P.R Lewis / Engineering Failure Analysis 16 (2009)

HENKILÖNOSTIMEN PUOMIN ÄÄRILUJUUS EXTREME STRENGTH OF A PERSON LIFTER'S BOOM

Johdatus materiaalimalleihin

Laatutason määrittely ja laatustandardit - Valurauta

Fe - Nb - C ja hienoraeteräkset

SILTATEKNIIKAN PÄIVÄT

Binäärinen tasapaino, ei täyttä liukoisuutta

Ultralujat rakenne- ja kulutusteräkset - tärkeimmät ominaisuudet suunnittelulle

Kalsinaattorin siirtymien ja teräskuoren murtumien tutkiminen

A on sauvan akselia vastaan kohtisuoran leikkauspinnan ala.

KERTOPUUN ~1URTUMISSITKEYS. SAROii AVAAVASSA KUOR~liTUKSESSA. Rakenteiden Mekaniikka, Vol.19 No , s Fonsel ius JOHDANTO

Ismo Aaltonen, Jaakko Lajunen Päätös /5L, Tarjouspyyntö /5L VTT Expert Services Oy, Tilausvahvistus 10.6.

Luku 4: Hilaviat. Käsiteltäviä aiheita. Mitkä ovat jähmettymismekanismit? Millaisia virheitä kiinteissä aineissa on?

Kon Teräkset Harjoituskierros 7. Timo Kiesi Koneenrakennuksen materiaalitekniikan tutkimusryhmä Koneenrakennustekniikka

ULTRALUJAN TERÄKSISEN RAKENNEPUTKEN JA VEITSILEVYN LIITOKSEN MUOTOILU HAURASMURTUMAA VASTAAN

Kallioperän ruhjevyöhykkeet Nuuksiossa ja. ja lähiympäristössä

PANK Menetelmä soveltuu ainoastaan kairasydännäytteille, joiden halkaisija on mm.

JGYG-MR-maanjärist S-E Hjelt. Voimien vaikuttaessa reaaliseen aineeseen tapahtuu siinä muutoksia eli aine DEFORMOITUU.

RUOSTUMATTOMAT TERÄKSET

Sulatto valimoprosessin osana

Pienillä taivutussauvoilla mitatun murtumissitkeyden pätevyys

Ultralujien terästen hitsausliitosten väsymislujuus

Metallit

2 LUJUUSOPIN PERUSKÄSITTEET Suoran sauvan veto tai puristus Jännityksen ja venymän välinen yhteys

Yksikkökoppi Pienin toistuva rakenne materiaalin sisällä.

LUJUUSOPPI. TF00BN90 5op. Sisältö:

Nanomateriaalien mahdollisuudet ja riskit Näkökohtia, muutoksia vuoden 2008 jälkeen?

S960-TERÄKSEN HITSAUSLIITOKSEN LEIKKAUSKESTÄVYYS SHEARING STRENGTH OF S960 WELD JOINT

Suojausterästen materiaalimallit

Oheismateriaalin käyttö EI sallittua, mutta laskimen käyttö on sallittua Vastaukset tehtäväpaperiin, joka PALAUTETTAVA (vaikka vastaamattomana)!

Kitkaväsymisestä aiheutuvien säröjen etenemisen tutkiminen murtumismekaniikan avulla

Transkriptio:

Vaurioituminen I

Vaatimukset Rakenne Materiaalit ja niiden ominaisuudet Timo Kiesi 18.9.2013 2

Vaurioituminen Miksi materiaalit murtuvat? Miten materiaalit murtuvat? Timo Kiesi 18.9.2013 3

Miksi insinöörin pitää tietää vauriomekanismeista? Vaurioituminen tulee ottaa huomioon jo rakenteita suunniteltaessa Hyvästä suunnittelusta huolimatta murtumiseen vaikuttaa tekijöitä, joita ei aina osata ottaa huomioon Tällöin vaurion tapahduttua tulee löytää vaurioon vaikuttaneet oleelliset tekijät Vauriomekanismien ja vaurioitumiseen liittyvien syyseuraus suhteiden tunnistaminen on ainoa keino estää vaurioiden tapahtumista vastaisuudessa

Sitkeä murtuma 18.9.2013 5

F Jännitys, Murtolujuus Myötölujuus Venymä, F

Miksi materiaalit murtuvat? Kuormitus Materiaalin kantokyky > = Murtuminen Timo Kiesi 18.9.2013 7

Hauras materiaali (suomugrafiittivalurauta) Sitkeä materiaali (hiiliteräs) Timo Kiesi 18.9.2013 8

Murtovenymä Antaa (karkean) kuvan materaalin sitkeydestä Sitkeillä materiaaleilla suurempi murtovenymä 18.9.2013 9

Esimerkki: Putkivaurio Sitkeä materiaali: -laaja deformaatio Hauras materiaali: -pieni deformaatio Timo Kiesi 18.9.2013 10

MS Estonia, 1994 "Estonia7" by Staszewski "Estonia ferry2" by Accident Investigation Board Finland. 18.9.2013 11

Murtuma alle murtolujuuden jännityksillä 18.9.2013 12

Murtolujuutta ei aina saavuteta Vetokokeessa koko sauva ja poikkipinta saavuttaa murtolujuuden Joskus materiaalit murtuvat s.e. makroskooppinen jännitys on alle murtolujuuden Täytyy olla mekanismi, jolla murtuminen tapahtuu ilman että koko rakenne saavuttaa murtolujuuden

Vikojen vaikutus 18.9.2013 14

Loven jännityskeskittymä Inglis (1913): max a 1 2a b

Pyöreä reikä 4.2.2016 16

4.2.2016 17

Loven jännityskeskittymä Inglis (1913): max a 1 2a b max a 1 2 a

Jännityskeskittymä Ääretön jännitys! max a 1 2 a

Särö: Elliptinen vika, jonka kärjen säde on 0 ja joka aiheuttaa äärettömän jännityskeskittymän 4.2.2016 20

Särön kärjen jännitystila Pienelläkin ulkoisella kuormalla ääretön paikallinen jännitys Särön kärjen materiaali voimakkaassa paikallisessa kuormituksessa => lovilujittuminen 4.2.2016 21

4.2.2016 22 Materiaaleissa on vikoja (ja säröjä)

4.2.2016 23

Mistä säröt rakenteisiin? Valmistusvirheet Hitsausvirheet Jähmettymissäröt Valuvirheet Hauraat sulkeumat halkeavat Vetyhalkeamat ym. Käytön aikaiset vauriot Väsyminen Jännityskorroosiosäröt ym. 4.2.2016 24

4.2.2016 25 Miten materiaalit kestävät ääretöntä jännitystä?

Mitä särön kärjessä voi tapahtua? 4.2.2016 26

1) Plastista deformaatiota 4.2.2016 27

Särö tylpistyy 4.2.2016 28

Särön kärkeen plastinen vyöhyke 4.2.2016 29

Kuormituksen jatkuessa Plastinen vyöhyke kasvaa Sitkeä murtuminen käynnistyy Särö ajaa edellään sitkeää murtumaa "Plastic tearing" 4.2.2016 30

Sitkeä murtuma metalleissa Plastinen deformaatio Stabiili särönkasvu mikro-onkaloiden muodostumisena ja yhdistymisenä Sitoo energiaa. dimple-murtopinta 31

Plastic tearing

Poikkileikkauksessa

Aloha airlines, Lento 243, 28.4.1988 4.2.2016 34

Sitkeä murtuma (plastic tearing) Mekanismilla tyypillisesti suuri murtumisvastus Murtumisvastus vaihtelee eri metalleilla 4.2.2016 35

2) Haurasmurtuma 4.2.2016 36

Haurasmurtuma (cleavage) Jos plastinen deformaatio on vaikeaa, dislokaatiot eivät vapauta jännityksiä Särön kärjen jännitystila saattaa käynnistää haurasmurtuman Eritoten ferriittiset teräkset 4.2.2016 37

Haurasmurtuma metalleissa Ei merkittävää plastista deformaatiota Epästabiili särönkasvu koko rakenteen läpi Lohkomurtuma Särö etenee rakeiden läpi tiettyjä kideorientaatioita pitkin Sitoo vähän energiaa Raerajamurtuma Särö etenee raerajoja pitkin Timo Kiesi

Transitiokäyttäytyminen Sitkeä Hauras Timo Kiesi 18.9.2013 39

Hauras ja sitkeä murtopinta metalleissa 18.9.2013 Timo Kiesi 40

SS Schenectady 16.1.1943

Iskukoe eli Charpy-koe 18.9.2013 Timo Kiesi 43

Iskukokeilla seulotaan ei mitoiteta 18.9.2013 44

3) Raerajamurtuma 18.9.2013 45

Särö ydintää haurasta faasia pitkin etenevän murtuman Särön kärjen plastinen kuorma keskittää jännityksiä Särön kärjen jännitystila ydintää murtuman Murtuma etenee haurasta faasia pitkin voi liittyä osin sitkeää murtumaa Murtopinnalla nähdään raerajamurtuma 4.2.2016 46

Syitä Epäonnistunut lämpökäsittely Monimutkaisissa seoksissa Vanhenemisilmiöissä (seokset ovat metastabiileja) 4.2.2016 47

4.2.2016 48 Miten materiaalit kestävät ääretöntä jännitystä?

Termodynaaminen tarkastelu

Särön vapauttama kimmoenergia

Särön vapauttama kimmoenergia U 2 2E a2

Sitoutuva pintaenergia S 2 a

Murtumisjännitys riippuu särökoosta On olemassa kriittinen särökoko, jonka jälkeen vapautuva energia ylittää sitoutuvan energian Pienemmät säröt eivät murru Isommat jatkavat kasvuaan rajatta 18.9.2013 55

Kriittinen särökoko Riippuu jännityksestä ja materiaalin murtumisvastuksesta 4.2.2016 56

Materiaalin murtumisvastus Riippuu materiaalista ja murtumismekanismista Samalla materiaalilla voi olla useita mahdollisia mekanismeja (eri lämpötiloissa) ja niihin liittyy eri murtumisvastus Kuvaa särön kasvun sitomaa energiaa Kuvaa suurinta sallittua särön kärjen jännityssingulariteettia Voidaan kuvata murtumismekaanisilla parametreilla Voidaan mitata testaamalla säröllistä kappaletta 4.2.2016 57

4.2.2016 58 Miksi hauraillakin materiaaleilla lujuus alle teoreettisen?

Keraamit: Lujuus edelleen alle teoreettisen vaikka ei (merkittävästi) dislokaatioita koska alkusäröt käynnistävät murtuman joka voi edetä rakenteen läpi murtaen atomisidoksia edeltään. 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 0 200 400 600 800 1000 4.2.2016 59

Lasin murtopinta

Kideorientaatioita noudattanut murtuma keraamissa (lähes atomitason suurennos)

Polystyreenin ja polykarbonaatin murtopintoja (DoItPoms)

Hiili- ja lasikuitukomposiitin murtopintoja (DoItPoms) 65

Samat sanat, eri merkitys Mekanismi: Sitkeä murtuma (ductile fracture, plastic tearing) Haurasmurtuma (cleavage) Murtumis tapa Sitkeä merkittävää plastista Hauras deformaatiota Ei merkittävää deformaatiota 66

4.2.2016 67 Murtumismekaniikka

Säröllisen kappaleen suunnittelua Lähtökohtana jännitysratkaisu ja särö. Kuormitus kuvataan murtumismekaanisella parametrilla K, J, CTOD Kuvaa särön kärjen jännitystilaa / käytettävissä olevaa kimmoenergiaa Materiaali kuvataan parametrin kriittisellä arvolla K Ic, J c Mitataan standardikokeilla säröllisellä kappaleella 4.2.2016 68

Murtumismekaaninen testaus Materiaali: Murtumissitkeys (K c ) K > K c

Murtumissitkeys eri materiaaleilla Polymeerit Keraamit Metallit Komposiitit Luonnonmateriaalit Lähde: Callister & Ashby Timo Kiesi 18.9.2013 70

Miten murtuminen otetaan huomioon suunnittelussa Kuormitus Jännitys Lämpötila Geometria / lovet Säröt Materiaalin kantokyky Murtolujuus Murtovenymä Murtumissitkeys Iskusitkeys Murtuminen Sitkeä Hauras Lohkomurtuma Raerajamurtuma Timo Kiesi 18.9.2013 72

Murtuminen Yhteenveto Materiaalit murtuvat, kun niiden deformaatiokyky on käytetty loppuun Murtuminen tapahtuu särönkasvuna joko sitkeällä tai hauraalla mekanismilla Materiaalit murtuvat teoreettista tasoa pienemmällä lujuudella Viat toimivat materiaalissa jännityskeskittyminä ja säröjen ydintäjinä.

Käyttökohteeseen soveltuva / Fitness for purpose R.W. Hertzberg, "Deformation and Fracture Mechanics of Engineering Materials", (4th ed.) Fig. 7.1(a), p. 262, John Wiley and Sons, Inc., 1996. (Orig. source: Dr. Robert D. Ballard, The Discovery of the Titanic.) 18.9.2013 74

Vaurioiden tyypilliset syyt 18.9.2013 75

Loppumurtuma Hauras tai sitkeä murtuma Ei juurisyy, vaan viimeinen vaihe pitkässä tapahtumaketjussa. 18.9.2013 76