LUENTO 1 Kertausluento A 2013 BK50A2300 Konstruktiomateriaalit ja niiden valinta Luennot / syksy 2013 TkT Harri Eskelinen LUENTO 1 Kertausluento A 2013

Tämän luennon oppimistavoite: Kerrata materiaalien mekaanisia ominaisuuksia koskevat määritelmät ja ”tuttujen” materiaalien mekaanisten ominaisuuksien ”luonne” opintojakson tavoitteita varten Kerrata eräitä näkökohtia ”tuttujen” materiaalien valinnasta niiden lujuuden perusteella

Kertaus materiaalien mekaanisista ominaisuuksista

Tähän meneessä opittua… Koneenrakennuksessa pyritään sovittamaan yhteen kolme eri tekijää: Rakenneosan ainevahvuus Rakenteen muotoilu ja epäjatkuvuuskohdat Vaadittava kuormaa kantava poikkipinta-ala - geometriset (koko)rajoitteet - massarajoitteet - liitoskohdat kiilaurat, akseliolakkeet, kierteet jne. - jouheva muotoilu, kuorman vaikutus- suunta poikkileikkauksen epäjatkuvuus- kohdat toiminnallisista syistä - veto, puristus, taivutus, leikkaus - väsyminen - lujuus / sitkeys - loviherkkyys - myötörajasuhde - käyttöolosuhteiden vaikutus Materiaalin lujuusominaisuudet

Tuotteen toimintovaatimukset on täytettävä

Esimerkki 1: Tutkittava koneenosa

Tarvittava kuormaa kantava poikkileikkaus Kiilaura kriittisessä kohdassa Sallittu taipuma ja kiertymä Poikkileikkauksen muutos kriittisessä leikkauksessa

Esimerkki 2:

Esimerkki 3: Two way bending fatigue in a bolt. Large Arrow at 1 o’clock shows area of fatigue crack initiation. http://metallurgyfordummies.com/fatigue-properties/

Materiaaliominaisuudet, joihin koneenrakentajan tulee kiinnittää erityisesti huomiota: 1) Lujuus (staattinen ja dynaaminen) sekä loviherkkyyden vaikutus 2) Tiheys 3) Kimmo- ja liukumoduulit 4) Venymä ja sitkeys 5) Pintaominaisuudet 6) Kovuus ja karkenevuus 7) Värähtely- ja vaimennusominaisuudet ---- 8) Valmistettavuus 9) Korroosionkesto 10) Kustannukset

Kuormitustapauksen tunnistaminen A) Otettava huomioon koneenosan kuormitustapaus: veto - puristus taivutus vääntö tykyttävä kuormitus vaihtuva kuormitus B) Eri materiaaleille esitetään koetulosten perusteella esim. vetolujuus puristuslujuus taivutuslujuus väsymislujuus

A Quiet (static) B Pulsating C Repeated D Reversed asymmetric E Reversed symmetric

Tärkein apuväline on vetokokeesta saatava voima-venymäpiirros ja siitä laskettava jännitys-venymäpiirros, josta voidaan määrittää halutut materiaaliominaisuudet Puristuskokeella saadaan tyssäysraja ja puristusmurtoraja Materiaalitaulukoissa on yleensä lukuarvot vain vetokoejännityksille, muut lasketaan kertoimilla

Huoneenlämpötilaa korkeammissa lämpötiloissa materiaalin lujuus riippuu sekä lämpötilasta että kuormitusajasta: kuumalujuus (lyhytaikainen kuormitus) virumislujuus (pitkäaikainen kuormitus)

Materiaalin väsyminen

Materiaalin valinnassa huomioon otettavia tekijöitä väsyttävästi kuormitetussa kohteessa: Materiaalikohtaisissa väsymislujuusarvoissa on suuriakin vaihteluita (keskihajonta jopa n. 10%) Lämpötila vaikuttaa terästen väsymis-lujuuteen myös korkeissa lämpötiloissa ratkaisevasti (raja n.+ 500°C) Materiaalikohtainen loviherkkyys pitää määrittää ottaen huomioon myös loven muoto ja kuormitustapaus

Lämpötilan vaikutus väsymislujuuteen

Loviherkkyys A) Todellisessa koneenosassa olevat urat, kierteet, olakkeet ja poraukset heikentävät koneenosaa B) Koneenosaa mitoitettaessa ja materiaalia valittaessa nämä epäjatkuvuuskohdat otetaan huomioon nk. lovenvaikutusluvulla, joka on riippuvainen: - koneenosaan valmistetun geometrian vaikutuksesta - materiaalin ominaisuuksista C) Materiaaleina loven vaIkutuksille “tunteettomimpia” ovat valuraudat ja “eniten loviherkkiä” jousiteräkset

Materiaalikohtaisen loviherkkyysluvun riippuvuus loven terävyydestä. Loviherkkyysluku Loven terävyys [mm] Materiaalikohtaisen loviherkkyysluvun riippuvuus loven terävyydestä.

Eri materiaaliluokkien loviherkkyysluvut Loviherkkyysluku Pohdittavaa: Mistä suuri vaihteluväli “johtuu” ja mitä lukuarvoa tulisi käyttää materiaalinvalinnassa (=mitoituksessa)?

Päätelmä: Kun Rm voi vaihdella standardin mukaisissa rajoissa, niin materiaalivakio a vaihtelee vastaavasti, josta on laskettavissa loviherkkyysluvun vaihteluväli. Tätä käytettään luotettavuusteknisessä mitoituksessa apuna.

Väsymismitoitusmenetelmät Mitoitusmenetelmiä on useita (taustalla koesarjat): A) mitoitus väsymisrajaan nähden (Wöhler-käyrän vaakasuora osa, materiaalilla oltava selvä väsymisraja) B) mitoitus kestorajaan nähden (Wöhler-käyrän kalteva osa, äärellinen kestoikä) C) nimellisjännitysten menetelmä (lovivaikutuksen sisältävä Wöhler-käyrä, esim. tunnetunmuotoisille hitsatuille rakenteille) D) murtumismekaniikan mallit (särönkasvun nopeus tunnettava) E) hot spot –menetelmä (kappaleen pinnalla olevien jännityshuippujen mittaus venymäliuskoin, hitsatut rakenteet) F) paikallisen venymän menetelmä (SAE) (muut kuin hitsatut rakenteet)

Esimerkki SAE-menetelmässä tarvittavista materiaaliparametreista: Väsymislujuuskerroin Väsymislujuuseksponentti Väsymissitkeyskerroin Väsymissitkeyseksponentti Kimmomoduuli Myötöraja Murtolujuus Muokkauslujittumiskerroin Muokkauslujittumiseksponentti

Materiaalin tiheys A) Yleensä pelkkä materiaalin tiheyden minimointi ei riitä koneenosan tai rakenteen kokonaismassan minimoimiseksi B) Esimerkiksi jos alumiiniprofiilia suunnitellaan korvaamaan teräsprofiili, on alumiiniprofiilin mittoja ja muotoja kasvatettava vastaavan jäykkyyden saavuttamiseksi

Muotojäykkyys A) Muotojäykkyys ilmoitetaan käyttämällä geometriasta laskettavien suureiden lisäksi aineenkoetuskokeista saatavaa kimmomoduulia tai liukumoduulia B) Esimerkiksi palkkien taipuman laskentalausekkeissa käytetään kimmomoduulia ; esim.  = [F×l3] / [E×I]

Liukumoduuli

Iskusitkeys Iskusitkeys voidaan kokeellisesti määrittää standardisoidun aineenkoetuskokeen perusteella

Iskusitkeyden muuttuminen lämpötilan mukaan Materiaalin sitkeysominaisuudet ovat voimakkaasti lämpötilasta riippuvaisia. Ajanmittaan tapahtuvaa siirtymävyöhykkeen siirtymistä useilla kymmenillä asteilla ylöspäin kutsutaan “vanhenemiseksi”

Pintaominaisuudet A) Taipumus muodostaa adhesiivisia kontakteja eri materiaalien kanssa B) Kitkakerroin C) Kyky imeä itseensä voiteluaineita, esim. huokoisuus D) Heijastavuus E) Kyky hylkiä epäpuhtauksia

Kovuus ja karkenevuus A) Karkenevuus = Teräksen kyky muodostaa sammutettaessa martensiittia, mitataan syntyneen martensiittikerroksen paksuudella (Jominy-koe) B) Kovuus tarkoittaa materiaalin kykyä vastustaa siihen tunkeutuvaa esinettä (ei saa sekoittaa siis karkenevuuteen !) Kovuutta mitataan Brinellin, Rockwellin ja Vickersin kovuuskokeilla. C) Suurta pinnan kovuutta tarvitaan esimerkiksi abrasiivista kulumista vastaan D) Pinnan kovuutta voidaan lisätä esimerkiksi sopivilla pintakarkaisumenetelmillä

Värähtely- ja vaimennusominaisuudet A) Eräillä materiaaleilla on luontainen kyky “imeä” itseensä ja vaimentaa värähtelyjä B) Esimerkiksi alhaisen lujuusluokan valuraudat ovat hyviä työstökoneiden runkojen materiaaleja, koska ne kykenevät vaimentamaan erinomaisesti työstöstä syntyviä värähtelyjä

Kertauksena eräitä näkökohtia materiaalien valinnasta niiden lujuuden perusteella

Standardien mukainen valintasuositus Standardien mukaiset lujuuslaskenta- ja suunnittelu-ohjeet voivat antaa ohjeita materiaalin valitsemiseksi suoraan: säädökset, direktiivit, lait ja asetukset painelaitteet nostolaitteet rakennukset sillat turvallisuusohjeet yksittäiset koneenosat (esim. tasakiilat, hammaspyörät nuorrutus- tai hiiletysteräksestä) jne.

Eräiden materiaalien vetolujuus…

Lujien materiaalien käyttöön liittyviä ongelmia: Lujien materiaalien käytöllä pyritään monesti ainevahvuuksien pienentämiseen, joka voi johtaa stabiliteettiongelmiin Stabiliusvaatimus asettaa reunaehtoja geometrialle ja materiaalin kimmo-ominaisuuksille ongelma on yleensä se, että vaikka materiaalin lujuus kasvaa, eivät sen kimmo-ominaisuudet juurikaan muutu (vrt. esim. eri teräslajit).

Yleensä lujuuden kasvaessa materiaalin sitkeys alenee, erilaiset lujuus - sitkeys -analyysit käyttökohteen mukaan ovat monesti avainasemassa. Lujuuden kasvaessa yleensä hitsattavuus huononee ja monesti tuotettu lujuuden lisäys menetetään hitsauksen aiheuttamien rakenne-muutosten takia. Lujissa materiaaleissa sisäiset jännitykset ovat usein normaalia korkeammalla tasolla ja epätasaisemmin jakautuneita

Teräksen lujuuden lisäämiseen käytettävät tärkeimmät menetelmät: 1 Ferriitin hilan lujittaminen seosaineilla 2 Perliittiosuuden lisääminen 3 Ferriitin raekoon pienentäminen 4 Valssaukseen liittyvä sammuttaminen 5 Termomekaaniset käsittelyt 6 Nuorruttaminen 7 Erkautuskarkaiseminen Tämä opintojakson näkökulmasta eri lämpökäsittelyt tuottavat siis ”uusia materiaalivaihtoehtoja”, joista lopullinen valinta tehdään!

Minkä ominaisuuksien suhteen valinnassa tehdään kompromissi? Huom! Teräslaji Minkä ominaisuuksien suhteen valinnassa tehdään kompromissi? Huom! Yleiset rakenne-teräkset 1) hitsattavuus 2) lujuus 3) sitkeys - hitsatut sekä (hitsaamattomat) rakenteet Kone-teräkset 1) lujuus 2) lastuttavuus -rakenteisiin, joita ei hitsata -yleisin valmistus lastuamalla Hiiletys-teräkset 1) Kulumiskestävyys (pintakerroksen kovuus ja paksuus, karkenevuus) 2) Sitkeys (sisustan lujuus) 3) Väsymislujuus 4) Lastuttavuus - Valinta Jominy-nauhan avulla Nuorrutus-teräkset Lujuusominaisuuksia säädellään valitsemalla sopiva päästölämpötila, kompromissi muiden ominaisuuksien suhteen. Vaatimusten mukaan arvioidaan pintakovuus, kovuus halutulla syvyydellä ja läpikarkenemisvaaran eliminointi Väsymislujuus! Valinta Jominy-nauhan avulla Kuumalujat teräkset ”raja” n. +650 oC 1) Hyvä virumiskestävyys 2) Väsymislujuus 3) Vaimennuskyky Hiilen lujittava vaikutus häviää korkeissa lämpötiloissa  käytettävä virumislujuutta lisääviä seosaineita Mo 0.5-1, V 0.2-0.4. Korkeissa lämpötiloissa käytettävä niukka-seosteinen teräs ei saa olla Al stabiloitu (Grafitoitumisen vaara) Työkalu-teräkset 1) Kulumiskestävyys 2) Lujuus 3) Kovuus 4) Sitkeys - Kylmätyöstöteräkset - Kuumatyöstöteräkset Pikateräkset

Ruostumaton teräs Murtolujuus Muut ominaisuudet Martensiittiset 650-1300 MPa - Karkaistavia - Suuri lujuus, hyvä kulumiskestävyys - Ei jännityskorroosiota - Vetyhaurausvaara - Haurasmurtumavaara Ferriittiset 400-700 MPa - Vähäinen taipumus jännityskorroosioon - Haurasmurtumisvaara alhaisissa lämpötiloissa - Haurastumisvaara korkeissa lämpötiloissa Austeniittiset 500-900 MPa -Virumiskestävyys on huomattavasti parempi kuin ferriittisten -Iskusitkeys säilyy vielä -200 oC pakkasessa -Jännityskorroosiovaara (kloridit) Duplex n. 800 MPa - Suurehko lujuus - Hyvä kestävyys jännityskorroosiota vastaan - Hyvä kloridien kestävyys Ei korkeisiin lämpötiloihin ”Hyvien ominaisuuksien kompromissi?”

Terästen kehityksestä… Lujien terästen käyttö vähentää tuotteen elinkaaren aikaisia ympäristövaikutuksia. Tuotteen valmistukseen kuluu vähemmän raaka-aineita, hitsauslisäaineita ja energiaa. Lujien ja keveiden tuotteiden kuljetukset aiheuttavat vähemmän ympäristökuormituksia ja liikkuvissa koneissa tuotteet ovat suorituskyvyiltään parempia. Kehitystyön tuloksia ovat esim. ultralujat, hyvin muovattavat DP teräkset (Dual Phase) sekä galvanneal-pinnoitetut DP teräkset Rautaruukki on lujien kaksifaasiterästen (DP) kehittämisen ja valmistuksen edelläkävijöitä. Sen valikoimaan kuuluvat myös nk. TRIP-teräkset.. Valmistuksen avainasioita ovat lämpökäsittelyt, seostus ja puhtaus

Perinteisiä lujia teräksiä ovat (HSS = High-Strength Steels) HSLA-teräkset (High Strength - Low Alloy), IS-teräkset (Isotropic), lämpölujittuvat teräkset (BH, Bake-hardening), välisija-atomivapaat teräkset (IF, Interstial-free), ja hiili-mangaaniteräkset (CMn) Kehittyneitä lujia teräksiä (AHSS= Advanced High-Strength Steel ja UHSS = Ultra High-Strength Steels) ovat mm: kaksifaasiteräs (DP, Dual Phase), monifaasiteräs (CP, Complex Phase), Martensiittiset teräkset (MART), TRIP- teräkset (Transformation Inducet Plasticity) sekä bainiittiset teräkset AHSS/UHSS-teräkset on kehitetty erityisesti ajoneuvoteollisuutta ajatellen. Ne koostuvat useasta eri faasista (martensiitti, bainiitti ja/tai austeniitti)

Fig. 1: Typical strength-ductility profiles of steels Fig. 1: Typical strength-ductility profiles of steels. The data represent regimes such as published in the references given below. TRIP: transformation-induced plasticity; TWIP: twinning-induced plasticity; maraging TRIP: Steel concept which uses hardening mechanisms based on transformation induced plasticity and the formation of intermetallic nano-precipitates in the martensite during heat treatment (aging).

(CP Steel) (Martensite Stainless Steels)

Teräs  AHSS Kokonaismassa: - 10 % Rungon massa: - 20 % Kulutus: - 5 % CO2-päästöt: - 6 % Valmistuskust.: +0 % AHSS  Alumiini Kokonaismassa: -11 % Rungon massa: - 3 % Kulutus: - 2 % CO2-päästöt: - 3 % Valmistuskust.: +65 %

Valurautojen lujuusominaisuuksista…

Kun lujuusluokka kasvaa GJL 100 GJL 400 Lujuusominaisuudet Työstettävyys Pinnanlaatu Lämpötilanvaihtelunkesto Kuumalujuus Vaimennuskyky Kimmokerroin Valettavuus Kulumiskestävyys Ohuiden seinämien valu

Alumiinin lujuus Seostamaton Al RM n. 60 Mpa Lujuus riippuu voimakkaasti A) seostuksesta (esim. Cu, Mg, Mn, Pb, Ti ja Zr ) ja B) lämpökäsittelystä, Myötölujuus jopa  500 MPa Lujittaminen kylmämuokkaus (n. 2x) liuoslujittaminen erkautuslujittaminen

Alumiinin käytön lujuusteknisiä rajoitteita Alumiineilla on matala pitkän kestoiän väsymislujuus Edestakainen muodonmuutos johtaa muokkauspehmenemiseen ja väsymismurtuman käynnistymiseen Suhteellisen pieni jäykkyys Taipumus lujuuden menetykseen sulahitsauksessa

Alumiinit voidaan jakaa karkeasti kahteen ryhmään, ei-lämpökäsiteltävät ja lämpökäsiteltävät alumiinit. Ei-lämpökäsiteltävät alumiinit saavat ominaisuutensa pääasiassa seosaineiden ja valssauksen kautta. Tyypillisiä seosaineita ovat mangaani, magnesium. Ei-lämpökäsiteltäviä laatuja ovat 1000, 3000 ja 5000-sarjan alumiinit. Nämä alumiinit ovat hitsattavia ja niillä on hyvä korroosionkesto. Niiden ominaisuuksia ei voi muuttaa valmistuksen jälkeen.

Lämpökäsiteltävät alumiinit saavat ominaisuutensa seosaineiden ja erilaisten lämpökäsittelyjen kautta. Tyypillisiä seosaineita ovat kupari, magnesium, pii ja sinkki. Lämpökäsiteltyjä alumiineja ovat 2000, 6000 ja 7000-sarjan alumiinit. 6000-sarjan alumiinit ovat hitsattavia. 2000 ja 7000-sarjan alumiineilla on heikko hitsattavuus ja huonompi korroosionkesto.

Valinnan suuntaviivoja tuleville viikoille… Ominaisuuksien kombinaatio, jossa komposiitin ominaisuus on parempi kuin sen yksittäisen aineosan vastaava ominaisuus