Vuorovaikuttavien pienten vikojen vaikutus terästen väsymisrajaan

Tutkimustuotos: Doctoral ThesisCollection of Articles

Abstrakti

Teräskomponentit sisältävät erilaisia materiaalivikoja, joista väsymissäröt tyypillisesti ydintyvät. Vaikka pienten vikojen vaikutusta terästen väsymislujuuteen on kattavasti tutkittu, useamman vian yhteisvaikutuksen tutkimus on ollut huomattavasti rajallisempaa. Nykyiset väsymiskriittisten osien suunnitteluohjeistukset perustuvat standardeihin, joiden kriteerit eivät huomioi materiaalin vaikutusta. Esimerkki tällaisesta standardista on BS 7910. Tässä väitöskirjatyössä tutkitaan kokeellisesti materiaalin vaikutusta vikojen vuorovaikutukseen. Lisäksi työssä esitellään tehokas elementtimenetelmään perustuva numeerinen menetelmä vuorovaikuttavien 3D-säröjen jännitysintensiteettikertoimien (SIF) määrittämiseen. Kokeellisessa tutkimusosassa eri lujuusluokan teräksiä testattiin käyttäen väsytyskokeissa vaihtojännitystä keskijännityksen ollessa nolla. Koekappaleiden pintaan työstettiin pienet keinotekoiset viat, joiden välinen etäisyys määriteltiin tarkasti. Väsymisraja määriteltiin pysähtyvien säröjen perusteella, eli säröjen, jotka ydintyvät, mutta eivät jatka kasvamistaan murtumaan asti. Pysähtyvien säröjen luontainen koko vaihtelee eri materiaaleissa. Materiaalin vaikutusta tutkittiinkin sekä pysähtyvien säröjen ominaisuuksien että vikojen vuorovaikutuksen näkökulmasta. Työn teoreettisessa osassa kehitetään Stress Component Division Method (SCDM), jossa hyödynnetään elastisuusteoriaa, superpositioperiaatetta sekä jännityskomponenttien erittelyä. SCDM:n avulla kokonaisjännitys särön kärjen elementissä voidaan jakaa singulaariseen ja ei-singulaariseen komponenttiin, joista ensimmäinen vastaa SIF:a. Tässä työssä havaittiin, että vikojen vuorovaikutuksessa oli huomattavia eroja eri materiaaleissa. Matalan lujuusluokan teräksessä säröt yhdistyivät väsymisrajalla huolimatta alkuvikojen välisestä etäisyydestä, kun taas korkealujassa teräksessä viat eivät yhdistyneet riippumatta etäisyydestä. Keskilujissa teräksissä vikojen vuorovaikutus oli monimutkaisempi ilmiö, ja säröjen yhdistymiseen vaikuttivat mm. materiaalin kovuus, suhteellinen pysähtyvän särön koko, mikrorakenne ja alkuvikojen välinen etäisyys. Numeerisesti SCDM:lla määritetyt 3D-säröjen jännitysintensiteettikertoimet vastasivat erinomaisesti tunnettuja vastaavia ratkaisuja, vaikka käytetty elementtikoko oli suhteellisen suuri. Tämän työn tulosten perusteella voidaan päätellä, että yleisesti käytetyt, analyyttiset ja materiaalista riippumattomat vuorovaikutuskriteerit ovat sellaisenaan riittämättömiä kuvaamaan vikojen vuorovaikutusta väsymisrajaan erilaisissa teräksissä. Työn kokeelliset tulokset tarjoavat paitsi uutta tietoa vikojen vuorovaikutuksesta todellisissa komponenteissa, myös suosituksia vuorovaikutuskriteerien parantamiseksi. Työssä osoitettiin myös, että vuorovaikuttavien vikojen jännitysintensiteettikertoimen täsmällisessä määrittämisessä tulisi vikojen mittojen suhteen ja vikojen välisen etäisyyden lisäksi huomioida myös vian todellinen geometria.
Julkaisun otsikon käännösVuorovaikuttavien pienten vikojen vaikutus terästen väsymisrajaan
AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
  • Aalto-yliopisto
Valvoja/neuvonantaja
  • Remes, Heikki, Vastuuprofessori
  • Matsunaga, Hisao, Ohjaaja
  • Marquis, Gary, Ohjaaja
Kustantaja
Painoksen ISBN978-952-64-0199-7
Sähköinen ISBN978-952-64-0200-0
TilaJulkaistu - 2020
OKM-julkaisutyyppiG5 Tohtorinväitöskirja (artikkeli)

Tutkimusalat

  • pienet säröt
  • vikojen vuorovaikutus
  • vuorovaikutustekijä
  • väsymisraja
  • pysähtyvät säröt

Sormenjälki Sukella tutkimusaiheisiin 'Vuorovaikuttavien pienten vikojen vaikutus terästen väsymisrajaan'. Ne muodostavat yhdessä ainutlaatuisen sormenjäljen.

Siteeraa tätä