Murtumismekaniikka II Transitiokäyttäytyminen ja haurasmurtuma
Kertauskysymyksiä: Miksi säröt ovat vaarallisia? Miksi säröllinen kappale ei murru pienellä jännityksellä? Mikä on G? Yksikkö? Mikä on K? Yksikkö? Miten murtumismekaniikkaa käytetään?
Murtumismekaniikka: validiteetti ja käyttö
Murtumismekaniikkaa käytetään: Kun haurasmurtuma rajoittaa käyttöä Materiaaleille, jotka ovat alttiita haurasmurtumalle Säröllisen kappaleen analyysi Oletettu tai havaittu särö rakenteessa
Vastaa esim. kysymyksiin: Kuinka suuri jännitys voidaan sallia särölliselle kappaleelle? Kuinka suuri särö voidaan sallia annetuilla jännityksillä? Voidaanko materiaalia käyttää annetuilla vikakoolla ja jännityksellä?
Analyysin kulku Tehdään jännitysanalyysi säröttömälle kappaleelle Lisätään K-ratkaisu ja lasketaan kuormitustilanteen K-arvo Verrataan K-arvoa materiaalin kriittiseen K-arvoon
Rajoitukset K IC voidaan määrittää vain hauraille materiaaleille K IC määrittäminen on kallista
Särön vapautuva kimmoenergia
Murtumiseen vaikuttavat tekijät
Rajoituksia K on validi, kun plastisuus rajoittuu pienelle alueelle särön kärkeen mitattavat TMMT-tilassa Hauraille materiaaleille
Validiteetti Standardin kokeellinen vaatimus: ry < näytteen koko / 50 TMMT LEFM voimassa, kunhan tason mitat suuria verrattuna singulariteetin dominoiman alueen kokoon Kokeet täydellä ainevahvuudella
Sitkeämmillä materiaaleilla: Särön kärki plastisoituu Särön kärki tylpistyy Särö voi kasvaa jonkin matkaa sitkeän murtumisen mekanismilla ennen haurasmurtuman ydintymistä
Transitiolämpötila teräksissä
Transitiolämpötila teräksillä Alttius haurasmurtumaan kasvaa lämpötilan laskiessa Korkeissa lämpötiloissa ei alttiutta haurasmurtumaan Yksinkertainen seulontakriteeri => ei käytetä teräksiä lämpötiloissa, joissa haurasmurtumariski
Vältetään haurasmurtuma Konservatiivinen Hinta: jätetään käyttämättä materiaaleja, jotka voisivat toimia
Ferriittisillä teräksillä Matalissa lämpötiloissa hauras lohkomurtuma mitoitus murtumismekaanisin parametrein Korkeissa lämpötiloissa sitkeä murtuma mitoitus lujuuden mukaan
Transitiolämpötila Transitiolämpötilan yläpuolella vältytään kalliilta K Ic määritykseltä Transitiolämpötila määritetään tekemällä kokeita eri lämpötiloissa
Charpy koe Lovellinen (ei säröllinen) koekappale iskumainen kuormitus Mitataan murtumaan kulunut energia
Charpy-V koe
Käytetään Hitsien laadunvarmistukseen/luokitukseen Lämpökäsittelyn laadunvarmistukseen (esim. päästöhauraus) Haurastumisilmiöt Transitiolämpötila (ferriittiset teräkset)
Transitiolämpötilan kriteerinä pidetään: Iskuun kulunut energia 27J (tai joskus 40J) Sitkeää murtumaa 50% murtopinnasta "lateral expansion"
Trantisiokäyrä 140 120 100 Iskuenergia (J) 80 60 40 20 0-120 -100-80 -60-40 -20 0 20 40 60 Lämpötila (oc)
Ongelmia Epälukuinen kirjo empiirisiä kriteerejä eri tarkoituksiin Ei selkeää teknistä perustaa Rajoittavat tarpeettomasti uusien terästen käyttöä
Haurasmurtuma (lohkomurtuma)
A508 Cl.3 T = - 30 C K JC = 280 MPa m a = 0.1 mm Ydintäjä
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.
TRANSITION REGION LOWER SHELF Crack propagation
FRACTURE SURFACES AT 77K BLUNT-NOTCHED SPECIMEN FATIGUE PRECRACKED SPECIMEN
Haurasmurtuman ydintyminen Tilastollinen luonne Kokoefekti Särön etenemisen rajoittama (Singulariteetin koko) Sitkeä repeytyminen ennen haurasmurtumaa
Tarkempi analyysi
Miksi? Ferriittisillä materiaaleilla taipumus lohkomurtumaan Miksi transitiolämpötila ( = lohkomurtuman lämpötilariippuvuus)
Haurasmurtuman eteneminen atomistinen tarkastelu Kontinuum-mallissa särön kärkeen tulee ääretön jännityssingulariteetti Atomistisessa materiaalissa särön kärjen säde ei mene nollaan
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)
Transitiolämpötila Kaikki, mikä pienentää pintaenergiaa tai kasvattaa dislokaatioiden vaatimaa energiaa altistaa haurasmurtumalle Lämpötilan lasku BCC materiaaleilla Suurempi kuormitusnopeus BCC materiaaleilla
Haurasmurtuman atomistinen ehto
Kiskokatkeama - uudelleenarvioitu
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
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) 6.11.2015 52
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.
Hinausketjun vaurioanalyysi 6.11.2015 54
Vaurio Raskasta ketjua käytettiin päivittäin sotilasajoneuvojen hinaukseen Ketju katkesi kesken hinauksen (potentiaalinen vaaratilanne) Ketju katkesi vähäisen käytön jälkeen 6.11.2015 55
Vaurio sijoittuu lenkin hitsiin 6.11.2015 56
Raskas ketju, jonka tulisi kestää 322 kn 6.11.2015 57
Myötö- ja murtolujuus spesifikaation mukaiset 6.11.2015 58
Kovuus OK 6.11.2015 59
Hitsissä alkusäröjä 6.11.2015 60
Murtopinnalla väsymistä, haurasmurtumaa ja sitkeää murtumaa 6.11.2015 61
Murtopinnat pahoin jauhautuneet 6.11.2015 62
Vaurion osasyyt Materiaalin koostumus ei aivan vastannut spesifikaatiota => heikentynyt karkenevuus Hitsauksessa hauraita mikrorakenteita ja alkusäröjä Väsyttävä kuormitus Ylikuormitus 6.11.2015 63
Vaurion juurisyy Heikko hitsauksen laatu ja sen aiheuttamat alkuviat mahdollistivat väsymisen ja ylikuormituksen aiheuttaman loppumurtuman. 6.11.2015 64