1 / 56

LUENTO 1 Kertausluento A 2013

BK50A2300 Konstruktiomateriaalit ja niiden valinta Luennot / syksy 2013 TkT Harri Eskelinen. LUENTO 1 Kertausluento A 2013. Tämän luennon oppimistavoite:

chapa
Télécharger la présentation

LUENTO 1 Kertausluento A 2013

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript


  1. BK50A2300 Konstruktiomateriaalit ja niiden valintaLuennot / syksy 2013TkT Harri Eskelinen LUENTO 1 Kertausluento A 2013

  2. 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

  3. Kertaus materiaalien mekaanisista ominaisuuksista

  4. 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

  5. Tuotteen toimintovaatimukset on täytettävä

  6. Esimerkki 1: Tutkittava koneenosa

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

  8. Esimerkki 2:

  9. 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/

  10. 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

  11. 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

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

  13. 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

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

  15. Materiaalin väsyminen

  16. 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

  17. Lämpötilan vaikutus väsymislujuuteen

  18. 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

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

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

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

  22. 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)

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

  24. 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

  25. 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]

  26. Liukumoduuli

  27. Iskusitkeys Iskusitkeys voidaan kokeellisesti määrittää standardisoidun aineenkoetuskokeen perusteella

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

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

  30. 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

  31. 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

  32. Kertauksena eräitä näkökohtia materiaalien valinnasta niiden lujuuden perusteella

  33. 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.

  34. Eräiden materiaalien vetolujuus…

  35. 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).

  36. 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

  37. 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!

  38. 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

  39. 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)

  40. 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).

  41. (Martensite Stainless Steels) (CP Steel)

  42. 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 %

  43. Valurautojen lujuusominaisuuksista…

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

More Related