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