Master käyrä
Murtumissitkeyden arvioimisen ongelmia Charpy kokeissa suuri hajonta K Ic kokeet kalliita ja vaativat isoja näytteitä Lämpötilariippuvuuden huomioiminen? (pitääkö testata kaikissa lämpötiloissa) Hajonnan huomioiminen (milloin murtuma on poissuljettu? deterministinen vs. tilastollinen lähestymistapa)
Haurasmurtuman ydintyminen
Ydintyminen ura vs. särö
Lovellisissa näytteissä suurempi hajonta
Master-käyrä Ottaa huomioon haurasmurtuman tilastollisen luonteen Antaa kvantitatiivisen työkalun haurasmurtuman hallintaan erilaisista koetuloksista lämpötilan funktiona
Tilastollisuus
{ ( { } )} P =1- exp -N V Pr I f V { } 1- Pr V/O
Ydintymisen todennäköisyys ì ï P =1- expí - B f ï B 0 î æ ç K I ç K è 0 ö 4 ü ï ý ï ø þ
Hajonta ì ï P =1- expí - B f ï B î 0 æ K - K I min ç è K - K 0 min ö 4 ü ï ý ø ï þ
Koon vaikutus K IC1 = K min + (K IC2 - K min ) æ B 2 ç è B 1 ö 1/4 ø
Master - käyrä Hajonta Koon vaikutus [ ] =1- exp ç - ê K I - K min ç P K IC K I æ ç è é ù 4ö ú ë ê K - K 0 min û ú ø K B 2 = K min +[ KB - 1 K min] æ ç è B 1 B2 ö ø 1/ 4?
Lämpötilariippuvuus K 0 = 31+77 exp(0.019 [T - T 0 ])
Eri teräkset eri kohdassa käyrää
Mittauksilla määritetään T 0 Maximum-likelihood estimaatti datasta n å i=1 n d i exp{0.019 [ Ti - T 0]} 11+ 77 exp{0.019 [ Ti - T 0]} - å ( KIC - 20) 4 exp{0.019 [ i Ti - T 0]} (11+ 77 exp{0.019 [ i=1 Ti - T 0]} ) 5 = 0
Siis Mitataan murtumissitkeys eri lämpötiloissa K IC kokeet Charpy-kokeet Arvioidaan mittausten perusteella T 0 Lasketaan Master käyrältä K JC : eri lämpötiloissa eri murtumistodennäköisyydellä
Suunnitteluohjeet Säröllisten konstruktioiden käyttövarmuuden varmistaminen käyttäen tehokkaasti käytettävissä olevaa tietoa ja laskentamenetelmiä
Murtumismekaniikka K-mitoituslaskenta helppoa Valmiita ratkaisuja Lineaaris-elastisia malleja K testaus vaikeaa ja kallista J-mitoituslaskenta vaikeaa Vaatii elastis-plastisia särömalleja
Tarvitaan suunnitteluohje yhdistämään menetelmät s.e. Mahdollistaa LEFM käytön silloin kun se toimii Estää LEFM:n käytön silloin kun se ei sovellu Mahdollistaa työn korvaamisen konservatiivisuudella Suorituskyvystä ei makseta ellei sitä tarvita Ohjeistaa siirtymisen LEFM:stä EPFM:ään tarvittavissa kohteissa
Menetelmiä R6 "Assessment of the Integrity of Structures Containing Defects" SINTAP BS-PD6493 ETM jne.
Menetelmän perusosat Yksinkertaistettu rajakuormamääritelmä FAD CDF Analyysitaso valittavissa Mikä syötteiden laadussa tai analyysin helppoudessa voitetaan, se konservatiivisuudella maksetaan Ei-tyydyttävä tulos ohjaa tekemään monimutkaisemman(vähemmän konservatiivisen) analyysin
Yksinkertaista mallia pitää korjata
FAD - konsepti
Analyysitasot Vähentävät konservatiivisuutta Lisäävät työtä
Analyysitasot (skemaattinen esitys)
Failure assessment diagram FAD R6
Crack driving force - CDF
FAD vs. CDF Teknisesti ekvivalentit (nykyään) Valinta makuasia Vanhemmissa ohjeissa FAD historiallisista syistä Uudemmissa rinnalla yksinkertaisempi (?) CDF
Yhteenveto On olemassa lukuisia ohjeita jotka yhdistävät murtumismekaaniset parametrit ja plastisen ylikuorman suunnittelun Näiden tarkempi analyysi on jatkokurssin asiaa Jos tuntee parametrit, suunnittelumenetelmä tukee ja helpottaa analyysiä Jos ei ymmärrä menetelmän perusteita, ei menetelmä taluta oikeaan ratkaisuun http://www.eurofitnet.org/sintap_procedure_version_1a.pdf
Väsyminen
1842, Versailles
Wöhler
Klassinen väsymismitoitus
Coffin - Manson 41
Hajonta S-N käyrässä 43
Vaihteleva (toistuva) kuormitus R = s max s min Ds = s max -s min 44
Keskijännitys 45
Keskijännityksen hallitsemiseksi voidaan joko Testata eri keskijännityksillä tai Arvioida väsymiskestävyyttä eri keskijännityksellä tehdyn datan perusteella
Keskijännitys Goodman (1899) ì s = s í 1- s 0 a fs î s UTS ü ý þ Gerber (1874) ì ï æ s = s í 1- s 0 a fs ç î ï è s UTS ö ø 2 ü ï ý þ ï 47
Keskijännityksen vaikutus Modified Goodman equation Gerber parabola a ar m u 1 a ar m u 2 1 m 0
Keskijännityksen vaikutus ar max a max 0 ar max 1 R 2 max 0 Smith, Watson, and Topper (SWT) equation
Keskijännityksen vaikutus ar 1 max a ( max 0) ar max Walker equation 1 R 2 max 0
Kun kuormituksessa erilaisia jaksoja Kukin jakso vie osan väsymiskestoiästä
Miner Yksinkertainen lineaarinen summaatio Jaksojen järjestyksen oletetaan olevan merkityksetön D = m å i =1 n i N f,i 52 52
... mutta Todellisuudessa eri jaksojen järjestyksellä on merkitystä pienetkin syklit aiheuttavat vauriota kun se on päässyt alkuun satunnaiset ylikuormitukset parantavat kestävyyttä Minerin kaava silti yleisesti käytössä helpon käytettävyyden vuoksi
Entä kun kuormitus satunnaista Täytyy olla jokin tapa erottaa "syklit" satunnaisesti vaihtelevasta kuormituksesta Useita menetelmiä Käytetyin "rainflow" -menetelmä
Spektriväsytys 55
High-cycle vs. Low cycle 56
Alexander Kielland, 1980
UA232, DC-10, 1989
Eschede, 1998
Yleisin vaurio
Mitä tapahtuu ennen katastrofia? Miten vaurio syntyyy? Miten vaurio etenee? Mitä väsyminen on?
Materiaalimuutokset väsymisen aikana Vähäisiä Dislokaatiorakenteet muuttuvat Suurella kuormituksella havaitaan lujittumista tai pehmenemistä 62
Sykliset jännitys-venymäkäyrät 63
Vaurio alkaa särön muodostumisella Extruusio Intruusio Deformoitumaton matriisi
Sulkeumien vaikutus väsymisrajaan C riippuu sulkeuman sijainnista (C=1.56 pinnan alaisille sulkeumille ja C=1.43 pintasulkeumille) 65
Väsymissärön kasvu 11.12.2015 66
Vaurio keskittyy särön kärkeen
Särön kasvu kiihdyttää vauriota
Väsymisrajan luonne Väsymisraja häviää spektriväsytyksessä, ympäristövaikutteisessa väsytyksessä, jne. Väsymisrajaa ei havaita kaikilla materiaaleilla 69
70
Lujuuden vaikutus 0.5 x UTS 1.6 x HV 71
Paris: särönkasvua voidaan ennustaa Särönkasvu (µm / sykli) Kynnys K
Särön eteneminen näkyy murtopinnalla
Murtopinta-analyysi Ydintymiskohta Beach marks 74
... ja mikroskoopissa Väsymisjuovat (striations)
Väsyminen = ydintyminen + särönkasvu Extruusio Intruusio matriisi Deformoitumaton +
Ydintymisen osuus 900 Jännitysvaihtelu (MPa), Särönpituus (µm) 800 700 600 500 400 300 200 100 0 10 4 10 5 Syklit 10 6
Väsymisen hallinta
Valmistuksen laaduntarkkailu Väsymissuunnittelun parantaminen Turvallisuuskulttuuri Parannetut valmistuksen aikaiset tarkastukset Parannettu käytön aikaiset tarkastukset Lisätty käytön aikaisia tarkastuksia
Yhteenveto Väsyminen on vaihtokuorman ajamaa kiihtyvää särönkasvua Väsymisen hallinta kattaa koko tuotteen elinkaaren Suunnittelu Valmistus Seuranta