Tuukka Yrttimaa Vaurioituminen Sitkeä- ja haurasmurtuma Brittle and Ductile Fracture
Sitkeä- ja haurasmurtuma Metallin kyky plastiseen deformaatioon ratkaisee murtuman luonteen (kuva 1) [3] Murtumaan johtaa erilaiset viat, joihin kohdistuu suuri jännitys [2] Särö on vika, jonka kärjen säde on 0 ja jonka kärkeen syntyy ääretön jännityskeskittymä [1] Esimerkkejä murtumista huoneenlämmössä [1] : Hauras: Suomugrafiittivalurauta Sitkeä: Hiiliteräs Kuva 1. Veto-jännitysmuodonmuutos, kuvattuna sitkeälle (ductile) ja hauraalle (brittle) materiaalille [2] 14.3.2017 2
Sitkeämurtuma [2] A Sitkeät metallit (ductile metals) kykenevät merkittävään plastiseen deformaatioon, ja täten sitovat itseensä paljon energiaa ennen murtumaa verrattuna hauraisiin metalleihin ja hauraaseen murtumaan. B Särön kärjen jännityskenttä aiheuttaa A plastista deformaatiota, joka saa aikaan B kärjen pyöristymisen (kuva 2). C Näin on syntyny C plastinen vyöhyöke, jonka jännityksen jatkuessa yhä kasvaa ja saa aikaan sitkeän murtumisen käynnistymisen. Kuva 2. Kuvattu sitekämurtuma [2]
Sitkeämurtuma[2] Sitkeä murtuma alkaa, kun stabiilin särönkasvun (kuva 3., b) aikana mikro-onkalot yhdistyvät lopulta yhtenäiseksi isommaksi onkaloksi (kuva 3. c). Tämä vaihe sitoo energiaa. Kuva 3. Sitkeän murtuman eteneminen [2] Loppumurtuma (kuva 3. d/e) tapahtuu suurimman jännityksen suuntaan 45 kulmassa. Kuva 4. Elektronimikroskooppikuvia itkeästä murtumasta [2] Kuvassa 4 nähdään pallomaisia yksiakselisesta vetokuormituksesta (a) ja parabolisia leikkausjännityksestä (b) johtuvat murtopinnat
Haurasmurtuma [2] A Hauraat metallit (brittle metals), kuten ferriittiset teräkset, eivät kykene tai kykenevät vain vähäiseen plastiseen deformaatioon, ja täten sitovat itseensä hyvin vähän energiaa. Koska plastista deformaatiota ei tapahdu, ei särö tylpisty vaan jännitys kärjessä synnyttää A haurasmurtuman. B C Kuva 5. Kuvattu haurasmurtuma [1][2] Haurasmurtumassa tapahtuva epästabiili särönkasvu etenee koko rakenteen läpi joko B lohko- tai C raerajamurtumana [1]. Kaikkein hauraimmat kiderakenteiset materiaalit murtuvat erityisiä kidetasoja pitkin lohkeamalla, eli B lohkomurtumana. Joissain seoksissa murtuma tapahtuu raerajoja pitkin C raerajamurtumana, jolloin murtuman kolmiulotteinen luonne korosuu.
Transitiolämpötila Lämpötilan vaikutus metalleihin on merkittävä myös murtumateknisestä näkökulmsta. [2] Aleneva lämpötila tekee metalleista hauraampia Kasvava lämpötila edesauttaa plastista deformaatiota ja näin lisää sitkeyttä Metallille voidaan määrittää transitiolämpötila, jonka alapuolella murtumiseen tarvittava energia (fracture energy) alittaa sovitun. Voidaan karrikoiden sanoa, että tämän lämpötilan alapuolella metalli on haurasta ja yläpuolella sitkeää. [2][4] 14.3.2017 6
Lähteet [1] Oppimateriaali, luentokalvot luento 7, vaurioituminen 1, KJR-C2004 Materiaalitekniikka [2] William D. Callister, D. G. R. (2009). Fundamentals of Materials Science and Engineering: An Integrated Approach, 910. ISBN: 978-1-118-06160-2 [3] Dieter, G. E. (1988) Mechanical Metallurgy ISBN 0-07-100406-8 [4] Ashby, Michael (1999). Materials Selection in Mechanical Design (3rd ed.). Burlington, Massachusetts: Butterworth Heinemann. ISBN 0-7506-4357-9. 14.3.2017 7
Väsyminen Lauri Pyrhönen
Taustatiedot Väsyminen johtuu dynaamisten kuormitusten aiheuttamasta rasituksesta. [1] Materiaalit murtuvat myötölujuutta alhaisemmassa kuormituksessa. (high-cycle fatigue) [1] Väsyminen otettava huomioon rakenteita suunniteltaessa. Dynaamisia kuormia voivat aiheuttaa esimerkiksi pyörivät laitteet, lämpölaajeneminen, virtauskuormat ym. Lähteet: [1] Santaoja, 2016, Rasitusopin käsikirja (s. 465-472) [2] Callister, W.D. & Rethwisch, D.G. 2010, Materials science and engineering : an introduction, 8th ed, Hoboken, NJWiley. xxiii, 885, [82] p. : pages ISBN 0-470-41997-0; 978-0-470-41997-7. (s. 255-265) [3] Björk et. al, 2014, Koneenosien suunnittelu, (s. 497) 14.3.2017 2
Ongelmakenttä Murtuma Särön muodostuminen alkaa usein alkuviasta, kuten kuvan tapauksessa kiilaurasta. Väsymisvaurio koostuu särön muodostumisesta, särön kasvusta ja murtumasta [2]. Väsymismurtumassa voidaan havaita alkusärö, kiillottunut väsymisalue sekä loppumurtuma [2]. Kiillottunut väsymisalue Särö Lähteet: [1] Santaoja, 2016, Rasitusopin käsikirja (s. 465-472) [2] Callister, W.D. & Rethwisch, D.G. 2010, Materials science and engineering : an introduction, 8th ed, Hoboken, NJWiley. xxiii, 885, [82] p. : pages ISBN 0-470-41997-0; 978-0-470-41997-7. (s. 255-265) [3] Björk et. al, 2014, Koneenosien suunnittelu, (s. 497) 14.3.2017 3
Ratkaisu Äärelliseen kestoikään perustuva mitoitus (Wöhlerin käyrä) Äärettömään kestoikään perustuva mitoitus (Smithin piirros) Mitoitetaan akselin paksuus: S=300 MPa, F.a=20000N, n=2 S.sall=S/n=150MPa A=F.a/S.sall= 133mm^2 D=sqrt(A/pii)*2 =13,0 mm Lähteet: [1] Santaoja, 2016, Rasitusopin käsikirja (s. 465-472) [2] Callister, W.D. & Rethwisch, D.G. 2010, Materials science and engineering : an introduction, 8th ed, Hoboken, NJWiley. xxiii, 885, [82] p. : pages ISBN 0-470-41997-0; 978-0-470-41997-7. (s. 255-265) [3] Björk et. al, 2014, Koneenosien suunnittelu, (s. 497) 14.3.2017 4 [3]
Yhteenveto Materiaalit murtuvat alle myötörajan Väsyminen johtuu dynaamisesta kuormituksesta Vaurio koostuu särön muodostumisesta, särön kasvusta sekä lopullisesta murtumasta Kestoikää voidaan arvioida joko Wöhlerin käyrän tai Smithin piirroksen avulla Lähteet: [1] Santaoja, 2016, Rasitusopin käsikirja (s. 465-472) [2] Callister, W.D. & Rethwisch, D.G. 2010, Materials science and engineering : an introduction, 8th ed, Hoboken, NJWiley. xxiii, 885, [82] p. : pages ISBN 0-470-41997-0; 978-0-470-41997-7. (s. 255-265) [3] Björk et. al, 2014, Koneenosien suunnittelu, (s. 497) 14.3.2017 5
Murtumismekaniikka Meryem Capkan
Johdanto Tässä työssä käymme läpi seuraavat asiat Murtumismekaniikka yleisesti Jännityskeskittymät Jännityksen konsentraatiokerroin ja murtumissitkeys Säröt ja niiden vaikutus kappaleen jännitystilaan Käytännön esimerkkejä Kuva 1 14.3.2017 2
Yleisesti murtumismekaniikasta Tutkii kuormitetun säröllisen kappaleen murtumista Arvioi särön koon, nimellisjännityksen ja geometrian yhteisvaikutusta särön kasvuun à Pyrkii ennustamaan särönkasvun suuntaa ja nopeutta Näillä tiedoilla voidaan ennakoida murtumia ja täten parantaa materiaalin mekaanisia ominaisuuksia käyttökohteelle sopivammaksi 14.3.2017 3
Lineaaris-elastinen LEFM: Materiaalin oletetaan käyttäytyvän lineaariselastisesti väsymisprosessin aikana Rajoitteita: jännityksen suhde materiaalin murtorajaan ja plastisen alueen koko suhteessa alkusärön kokoon Elastis-plastinen EPFM: Kun alkusärö on hyvin pieni ja kohdistuva jännitys suuri Pienen alkusärön raja-arvo voidaan laskea (kaavaa käytetään arvioimaan LEFM:n käytön soveltuvuutta): 14.3.2017 4
Jännityskeskittymä (Stress contcentration) Viat, kuten säröt ja lovet, synnyttävät jännityskeskittymän à Ennenaikainen vaurioituminen Jännityskeskittymä syntyy usein alueelle, jossa särön yms. kolon kaarevuus on suurimmillaan Kuva 2 14.3.2017 5
Jännityksen konsentraatiokerroin Kuvaa jännityksen keskittymistä kappaleessa olevaan epäjatkuvuuskohtaan à ts. ulkoisen voiman vaikutus särön päässä Muodostuu nimellis- ja paikallisjännityksen suhteesta K t = S max /S nim jossa S nim on rakenteen nimellinen jännitys ja S max maksimijännitys 14.3.2017 6
Murtumissitkeys (Fracture toughness) Murtumissitkeys K C, yksikkö Mpa m Käytetään rakenteen haurasmurtumien arvioinnissa Mittaa materiaalin kykyä vastustaa särön etenemistä K C = Yσ πc Tasomuodonmuutokselle K IC = EG 1(v2 Kuin K C mutta kappaleille, jotka ovat paksuja suhteessa särön kokoon 14.3.2017 7
Laskuesimerkki AISI 4340 teräksen murtumissitkeydeksi tiedetään 45 MPa m. Teräksestä valmistettu komponentti altistetaan 1000 MPa:n vetojännitykselle (σ). Murtuuko komponentti, jos sen suurin tunnettu pintasärö on c=0.76 mm pituinen? Vakion Y voit olettaa olevan 1.0. Murtumissitkeys K C = Yσ πc = 1.0 * 1000MPa * π 0. 00076 = 48.8632MPa m 48.8 MPa m à Komponentti murtuu Kuva 3: American Airlines lento 587 vuonna 2001 14.3.2017 8
Särön kasvu Särö = elliptinen vika Kärjen säde 0 Aiheuttaa jännityskeskittymän Särö kasvaa, kun kriittinen jännitys ylittyy σ c = 234 56, jossa E=kimmokerroin, y=pintaenergia a=puolikkaan särön pituus Kasvulle 3 perusmoodia Avautumismoodi (Mode I) yleisin, muut rinnalla Kuva 4 14.3.2017 9
Lähteet [1] M. Ashby, H. Shercliff, D. Cebon. 2014. Materials: engineering, science, processing and design, 3rd edition. Butterworth- Heinemann. 198-218 s. [2] W.D. Callister, Jr. David G. Rethwisch. 2008. Fundamentals of Materials Science and Engineering: An Integrated Approach, International Student Version, 3rd edition. John Wiley & Sons, INC. [3] CES Edupack [4] Mikko Piispanen. 2011. Aksiaalivuosaḧko moottorin valurungon va symistarkastelu. [Viitattu 9.3.2017]. Saatavissa: http://www.doria.fi/bitstream/handle/10024/71956/nbnfi-fe201109275592.pdf?sequence=3 [5] Seija Meskanen, Pentti Toivonen. Sulatto valimoprosessin osana. [Viitattu 13.3.2017]. Saatavissa: http://www.valuatlas.fi/tietomat/docs/vtp_sulatus_sulatto.pdf Kuvat 1: The Province. 2012. [Viitattu 14.3.2017] Saatavissa: http://www.theprovince.com/make+concrete+cracking+success/7012542/story.html 2: The Open University. Introduction to forensic engineering. 2016. [Viitattu 14.3.2017]. Saatavissa http://www.open.edu/openlearn/ocw/mod/oucontent/view.php?id=3489&printable=1 3: Arilive, 2016. [Viitattu 14.2.2017] Saatavissa: http://www.airlive.net/onthisday-in-2001-american-airlines-flight-587-crashesinto-queens-new-york/ 4: NDT Resource Center [Viitattu 14.3.2017] Saatavissa: https://www.ndeed.org/educationresources/communitycollege/materials/mechanical/fracturetoughness.htm 14.3.2017 10