JOhdanto konetekniikan materiaaleihin

Esitys aiheesta: "JOhdanto konetekniikan materiaaleihin"— Esityksen transkriptio:

1 JOhdanto konetekniikan materiaaleihin
Metallien viruminen

2 VIRUMINEN METALLURGISENA ILMIÖNÄ
Virumisella tarkoitetaan vakiojännityksen alaisen kappaleen korkeassa lämpötilassa* tapahtuvaa muodonmuutosta, joka johtaa ajan kuluessa vaurioon. *kts. seuraava kalvo

3 Mikä on “korkea” lämpötila?
Homologinen lämpötila = käyttölämpötila/sulamislämpötila = T/Tm Huom! Määritetään Kelvin –asteikolla. ESIM. Tinan Tm = 505 °K, joten huoneenlämpötilassa 293 °K tinan homo- loginen lämpötila on n. 0.6Tm. Yleisesti esitetään, että viruminen metalliseoksissa on merkittävää (huomioitava rakenteen suunnittelussa), kun homologinen lämpötila on luokkaa 0.4 – 0.5 eli 40 % - 50 % metalliseoksen sulamislämpötilasta Tm. Toisaalta vaihteluväli virumiselle eri metalleilla on laaja: 0.3Tm – 0.9Tm.

4 Käyttölämpötila suhteessa homologiseen lämpötilaan
Esim. 1: Nikkelipohjaiset superseokset (suihkumoottorin roottorin laipat) yli 1000° C lämpötilat (0.9Tm). Nämä materiaalit on vartavasten suunniteltu näin vaativiin olosuhteisiin; EI MERKITTÄVÄÄ VIRUMISTA LASKETULLA KÄYTTÖIÄLLÄ (ja optimivalurakenteella). Esim. 2: Tinapohjaiset juotemateriaalit huoneenlämpötilassa 0.6Tm ja korkeimmas- sa käyttölämpötilassa (75 °C) 0.7Tm. Liitoksiin kohdistuu lämpötilavaihteluiden indusoimia jännityksiä; VIRUMINEN HUOMIOITAVA. Esim. 3: Rakenneteräkset huoneenlämpötilassa < 0.2Tm. No problemos, mitä virumiseen tulee.

5 Kaasuturbiinin siipi – ei virumista
The first stage gas turbine blade of 30 MW gas turbine made of nickel based super alloy Inconel 738LC, having operating temperature 1104 °C, pressure 10 kgf/cm2 and rotates at 5135 rpm was investigated. The analyzed blade is physically damaged after rendering useful life of 72,000 h and having cracks at the tip of trailing and leading edge.

6 Lentokoneen turbiinin siipi – virumista ja poks!
A low pressure turbine blade of an aircraft engine was fractured during the ground test run. The material of the blade was Udimet 500, a high strength Ni-base super alloy.

7 EPÄELASTINEN MUODONMUUTOS (inelastic deformatio)
= PLASTINEN DEFORMAATIO + VIRUMINEN HUOM! Useasti rakenteen tai kone-elimen käyttölämpötila on niin matala, että viruminen voidaan jättää huomioimatta; vrt. rakenneteräkset edellä.

8 Ashbyn deformaatiokartta (Miekkoja s.805)
Plastinen muodonmuutos Elastinen muodonmuutos leikkausjännitys/liukumoduuli (τ/G) T/Tm myötölujuus putkidiffuusio Dislokaatioviruminen hiladiffuusio raeraja- diffuusio hila- diffuusio Diffuusioviruminen

9 Virumiskestävyyden määritys
Koeolosuhteissa voidaan varioida lämpötilaa tai kuormitusta.

10 VIRUMINEN METALLURGISENA ILMIÖNÄ
Esim. 2.25Cr-1Mo -teräs Ympäristön vaikutus: ilma vs. tyhjö (tai inertti kaasuatmos-fääri) Pinnan oksidoitumisesta johtuen teräksen kestoikä on vain kolmannes vakuumissa tes- tattuun näytteesen verrattuna. Toisaalta, kumpi on yleisempi konetekniikan kappaleilla, ilma-atmosfääri vai tyhjö. L. de Oliveira Bueno et al. (2005). Mat. Res. vol.8 no.4  

11 VIRUMISEN VAIHEET VIRUMISKÄYRÄSTÄ
Lämpötila ja kuormitus ovat vakioita myötymä aika Primäärisessä vaiheessa (primary creep) virumisnopeus on suuri, mutta se laskee nopeasti saavuttaa sekundäärisen eli nk. vakautuneen vaiheen (secondary creep), jolloin virumisen aikaansaama muodonmuutos on kappaleessa hidasta. Lopulta viruminen etenee tertiääriseen vaiheeseen (tertiary creep), jolloin kappaleen muodonmuutosnopeus virumisessa kasvaa selvästi ja johtaa lopulta kappaleen vaurioitumiseen ajan hetkellä tf.

12 Koeolosuhteiden vaikutus virumiskäyrään
Erään metalliseoksen virumiskäyrät vakiojännityksellä ja –lämpötilassa määritettynä. voidaan määrittää kestoikä määrätyssä koeolosuhteessa, tai sallittu myötymä määräajassa (esim mm/ h)

13 Koeolosuhteiden vaikutus virumiskäyrään
1) Miten lämpötilan nosto 650 °C => 670 °C vaikuttaa kestoikään, jos rakenteelle sallitaan 1 % venymä 1034 MPa:n kuormituksella? V: Kestoikä laskee 125 tunnista 30 tuntiin. 2) Mikä on suurin turvallinen jännitystaso 650 °C läpötilassa, jos rakenteelle sallitaan 1 % venymä 100 tunnissa? V: 1034 MPa, koska 1050 MPa:n jännityksellä 1 % myötymä saavutetaan jo reilussa 50 tunnissa.

14 Koeolosuhteiden vaikutus virumiskäyrään
Yleisesti: Kuormitus ja lämpötila ovat sellaiset, että varsinaista vakiintuneen vaiheen virumista ei esiinny (KÄYRÄ A), tai ne ovat niin suuret, että viruminen etenee lopulliseen vaurioon asti ilman vakiintuneen vaiheen virumista (KÄYRÄ B).

15 Materiaalin valintaa virumiskeston kannalta
Eräälle kemiantehtaan putkistolle (max. 600 °C) vaaditaan kestoiäksi tuntia ja sille sallitaan 0.5 % muodonmuutos elinkaaren aikana. MIkä on putkiston osien suurin sallittu jännitystaso, mikäli halutaan käyttää kyseistä haponkestävää AISI 316 terästä?

16 80 MPa:n jännityksellä 0.5 % myötymä ei ylity.
Eräälle kemiantehtaan putkistolle (max. 600 °C) vaaditaan kestoiäksi tuntia ja sille sallitaan 0.5 % muodonmuutos elinkaaren aikana. MIkä on putkiston osien suurin sallittu jännitystaso, mikäli halutaan käyttää kyseistä haponkestävää AISI 316 terästä? 600 °C lämpötilassa: 80 MPa:n jännityksellä 0.5 % myötymä ei ylity. 100 MPa:n jännityksellä 0.5 % myötymä ylittyy h jälkeen. 120 MPa:n jännityksellä 0.5 % myötymä ylittyy 9000 h jälkeen. => Kuvan käyrien perusteella sallitaan 100 MPa:n jännitys.

17 VIRUMISEEN VAIKUTTAVAT MUUT TEKIJÄT: RAEKOKO
Suuri raekoko on käytännössä edullinen virumiskeston kannalta, koska viruminen tapahtuu usein raeraja-liukumisena. Paljon rakeita, paljon raerajapinta-alaa => virumiselle edullinen tilanne. Vähän rakeita, vähän raerajapinta-alaa => virumiselle epäedullinen tilanne. Erilliskide (single crystal), ei raerajoja => ei raerajaliukumista eikä raerajadiffuusiota. Virumiskestävyys parhaimmillaan!

18 Ashbyn deformaatiokartta, erilliskide
Plastinen muodonmuutos Elastinen muodonmuutos leikkausjännitys/liukumoduuli (τ/G) T/Tm myötölujuus putkidiffuusio Dislokaatioviruminen hiladiffuusio raeraja- diffuusio hila- diffuusio Diffuusioviruminen

19 Ja tällainen kustantaa...

20 VIRUMISEEN VAIKUTTAVAT MUUT TEKIJÄT: KIDERAKENNE
Metallin kiderakenne vaikuttaa metalliseosten virumiskestoon. Esim. pkk -rakenteen omaavat austeniittiset ruostumattomat teräkset kestävät korkeampia käyttölämpötiloja tkk -rakenteisiin ferriittisiin laatuihin verrattuna.

21 Kiitos tarkkavaisuudestanne! Viimeisellä luennolla:
KORROOSIO + 3. välikoealueen avainasiat