LUENTO 2 Kertausluento B 2013

1. BK50A2300 Konstruktiomateriaalit ja niiden valintaLuennot / syksy 2013TkT Harri Eskelinen LUENTO 2 Kertausluento B 2013

2. Tämän luennon oppimistavoitteet: • Kerrata materiaaliriippuvaiset valmistettavuuden tunnusluvut • Kerrata korroosion lajit • Kerrata kulumismekanismit

3. Valmistettavuuden tunnusluvut

4. MATERIAALIN LASTUTTAVUUS Lastuttavuutta ei voida ilmoittaa vain yhdellä aineenkoetuskokeesta saatavalla lukuarvolla. Lastuttavuuden arviointi edellyttää useiden eri lukuarvojen vertailua. Materiaalin lastuttavuus on “hyvä”, jos: - Lastuaminen vaatii vähän tehoa (Pmin) - Lastuaminen aiheuttaa pienet lastuamisvoimat (Fmin) - Kappaleen mittatarkkuus on hyvä (ITmin) - Kappaleen pinnanlaatu on hyvä (Ramin) - Voidaan poistaa suuria ainemääriä kerralla (v,a,s max) - Terän kuluminen on vähäistä (tkestomax) - Lastun murto ei tuota ongelmia (lastun kokomin ja muoto)

5. Minimoitaessa terän kulumista on materiaalin kovuus keskeisin kriteeri eli tässä mielessä: runsashiiliset teräkset ovat vaikeasti lastuttavia, vähähiiliset ovat hyvin lastuttavia karkaistut teräkset ovat huonosti lastuttavia, pehmeäksi hehkutetut ovat hyvin lastuttavia Optimoitaessa lastun muotoa on lastun katkeamistaipumus keskeisin kriteeri eli tässä mielessä: vähähiiliset teräkset ovat huonoja, pehmeästä aineesta syntyy hankala ja pitkä lastunmuoto “haurastavilla” aineilla seostetut ovat paremmin lastuttavia (rikin ja magnaanin seostus  magnaanisulfidisulkeumia) mellotuksen jälkeen kalsium-injektiokäsitellyt ja Mn-seostetut teräkset ovat hyvin lastuttavia  nk. M-käsittely) TERÄSTEN LASTUTTAVUUDESTA Materiaalin valinnassa tehdään ominaisuuksien kompromissi:Hiilipitoisuus - seostus - lämpökäsittely - toimitustila

6. Materiaalin (seostuksen ja) toimitustilan merkitys: H14 = puolikova, H18 = kova T4 = luonnollisesti vanhennettu, T6 = keinovanhennettu T8 = liuotushehkutettu, keinovanhennettu ja kylmämuokattu

7. LIITOSTEN MATERIAALIN VALINTA Eräiden materiaalien liittäminen vaatii erillisiä liitososia (esim. keraamiset osat), jolloin on otettava huomioon myös liitososien materiaalinvalinta. Liitoksiin kohdistuvat toiminnalliset vaatimukset on sovitettava yhteen konstruktion muun materiaalin valinnan kanssa: 1 Staattinen lujuus 2 Väsymislujuus 3 Joustavuus tai jäykkyys 4 Tiiviys 5 Kemiallinen kestävyys 6 Lämpökuormien kesto 7 Kokoonpanon helppous 8 Varmuus käytön aikaista avautumista vastaan 9 Irrotettavuus (tarvittaessa) 10 Kustannukset Ensin on tehtävä vaatimuslista itse liitokselle ja sen jälkeen muodostettava vaatimuslista liitososien materiaaleille!

8. MATERIAALIN VALINTA RUUVILIITOKSISSA • 1. Käytetään sopivia aluslaattoja: • pintapaineen pienentäminen • varmistetaan kiinnipysymisen • ehkäistään mahdollisen kaltevan kiinnityspinnan • aiheuttama taipuma ruuvissa • estetään galvaanisen korroosioparin muodostuminen • 2. Valitaan ruuvin materiaali yhteensopivaksi yhteenliitettävien • osien materiaalien kanssa: • ruuvi venyy (“toimii jousena”), liitettävät osat puristuvat kokoon  kimmomoduulien yhteensovittaminen • kitkan merkitys kiinnipysymisessä ja kiristämisessä  • kitkakertoimet eri materiaaliparien kesken • estetään galvaanisen korroosioparin muodostuminen • 3. Otetaan huomioon minimireunaetäisyydet liitettävissä osissa • eli suoritetaan lujuustarkastelu ruuville, mutta myös • perusmateriaalille  murto-, myötö- ja väsymislujuus

9. Ruuviliitosten vauriomuotoja • 1 Staattisen vetokuorman alainen ruuvi murtuu: • - vetojännitys ylittää murtolujuuden • - ruuvin tai mutterin kierre leikkautuu irti • 2 Ruuvin väsymisraja ylittyy: • ruuveille väsymisraja on n. 10 % materiaalin • myötörajasta • 3 Liitettävät osat vaurioituvat: • - esim. levyosien leikkautuminen liian pienen • reunaetäisyyden takia

10. Ruuviliitosten väsymiskeston parantaminen Seuraavilla keinoilla pyritään tasaamaan ruuvin ensimmäisen kierteen kannettavaksi tulevaa suurta osaa ruuvin aksiaalivoimasta: - Valitaan korkeampi mutteri, jos mahdollista - Valitaan mutterimateriaali, jonka kimmokerroin on pienempi kuin itse ruuvilla (esim. kevytmetalli tai valurauta) - Huolehditaan riittävästä ruuvin esikiristyksestä - Lisäksi vaikuttavat mm. pinnanlaatu, kierreprofiili, ruuvin muu muotoilu ja kierteen valmistustapa (kylmämuovaus edullinen)

11. HITSATTAVUUS • A) Perusaineen hitsattavuus • kemiallinen koostumus • raekoko, mikrorakenne • karkenemistaipumus • lämpölaajeneminen • B) Rakenteellinen hitsattavuus • rakenteellinen muotoilu • voimien vaikutussuunta hitsatuissa liitoksissa • hitsattujen liitosten sijoitus • rakenteen jäykkyyserot • C) Valmistuksellinen hitsattavuus • tarvittava esivalmistelujen määrä, railomuodot • tarvittavat lämpökäsittelyt • lämmöntuonti, hitsausprosessi

12. Hitsausprosessien valinta- ja vertailukriteerien yhdistäminen materiaalin valintaan • Lämmöntuonti • Lämpökäsittelyjen tarve • Lisäaine • Liitosmuodot ja railomuodot • Liitettävät materiaalit ja ainevahvuudet • Hiiliekvivalentin laskeminen (eri laskukaava eri materiaaliryhmille) • Hitsisulan suojaus • Mekanisointi / robotisointi / automatisointimahdollisuus • Esivalmistelujen tarve • Hitsaajan ammattitaidon merkitys • Paloaikasuhde tmv. Hiiliekvivalentti voi olla suuntaa-antava lukuarvo materiaalin hitsattavuudesta, mutta lisäksi on otettava huomioon valmistettavan konstruktion rakenteellinen ja valmistuksellinen hitsattavuus.

13. Hitsausprosessien valinta vs. materiaalin valinta • Esimerkiksi ruostumattomien teräksien hitsaukseen sopivia prosesseja: • Plasmahitsaus • MAG (Argon + happi) • TIG • Esimerkiksi alumiinin, kuparin ja titaanin hitsaukseen sopivia prosesseja: • MIG (Argon) • TIG • Esimerkiksi muovikalvojen liittämiseen sopiva prosessi: • UÄ-hitsaus

14. MATERIAALIN VALINTA LIIMALIITOKSISSA • Liimatyyppi tulee valita siten, että liima sopii: • halutulle lämpötila-alueelle (monien liimojen leikkauslujuus putoaa rajusti lämpötilan kohotessa yli + 75 C) • liimattaville materiaalipareille (syanoakrylaatti-, epoksi-, akryyli ja polyuretaaniliimat yms.) • käyttötarkoitukseen kuivuttuaan (kova - plastinen - elastinen liitos tai esim. liitoksen lämmön- tai sähkönjohtavuus)

15. Veto Leikkaus Repäisy Kuorinta

16. Samaa materiaalia olevat liitettävät osat venyvät samalla tavalla ja liimasaumaa kuormi- tetaan symmetrisesti. Eripariliitos, jossa toinen liitettävä osa venyy enemmän. Tämä johtaa liimasauman epäsymmetriseen kuormittumiseen ja liimalta vaaditaan kimmoisampaa ainetta vastaavia ominaisuuksia Kuormittamaton liimaliitos

17. Materiaalivakio k: • G= liiman liukumoduuli • E= osien kimmomoduuli • a= liimakerroksen paksuus

18. Levyn veto- jännityksen ja liima-sauman maksimi-leikkaus-jännityksen suhde Murtokuorma kasvaa Limitys l kasvaa Suhdeluku X, joka riippuu materiaali- vakiosta k, levyn paksuudesta t ja limityksestä l

19. Kestomuoviliimat • Ei lujuutta vaativiin kohteisiin • Nopeaanliittämiseen (syanoakrylaattiliimat) • Osien lukitukseen (akrylaattiliimat) • Kertamuoviliimat • Metallien liittämiseen,lujuuttavaativiin kohteisiin, ei yli +250 C lämpötiloihin • Polyuretaaniliimat kylmiin olosuhteisiin (jopa – 200 C) • Epäorgaaniset liimat • Erittäin korkeisiin lämpötiloihin, +800…+2500 C • Keraamien liittämiseen

20. Terästen lämpökäsiteltävyys Terästen lämpökäsittelyjen suunnittelussa on tunnettava: • - Hiilipitoisuus • - Seosaineiden määrät ja niiden yhteisvaikutus • - Tasapainopiirros ja A1-lämpötila • - Esimerkiksi jatkuvan jäähtymisen käyrä (CCT-curve) • loppurakenteen suunnittelua varten • - Kullakin lämpökäsittelymenetelmällä saavutettavat • ominaisuusmuutokset ja niiden hallinta (käsittely • muita valmistusvaiheita ennen tai niiden jälkeen • - Tuotteen geometrian asettamat reunaehdot • - Perinteinen materiaalinlaadun kysymys: • Tulisiko valita standardikoostumuksen ylä- tai • alarajalla oleva materiaali vai se, jossa vaihtelut ovat • pienimmät...  luotettavuustekninen suunnittelu

21. MUOVATTAVUUDEN ARVIOINTI LUKUARVOJA KÄYTTÄEN - Pienin mahdollinen taivutussäde, joka sallitaan levyn ulkoreunan vielä murtumatta - Yhdellä muovauskerralla aikaansaatava poikkileikkauksen tms. muutos esim. [%] - Tarvittavan valssaus- tai muun muovaavan voiman suuruus - Tarvittavien peräkkäisten muovaavien työvaiheiden lukumäärä - Tarvittava (korotettu) muovauslämpötila (kumpi on kustannustehokkaampi: kylmä- vai kuumamuovaus ?) - Ohuin mahdollinen seinämä venytys- muovauksessa

22. Muokkauslujittuminen • Valssauksessa, taonnassa, vedossa, taivutuksessa jne. muodonmuutoksen seurauksena monirakeisen metallin alunperin tasa-akseliset rakeet venyvät muokkaussuunnassa vaikka tilavuus säilyy vakiona  sitkeys- ja muovattavuus-ominaisuudet muokkaussuunnassa ja sitä vastaan kohtisuorassa suunnassa muodostuvat erilaisiksi • kovuus ja lujuus kasvavat muokkaukselle altistuneessa kohdassa  muokkauslujittuminen

23. MATERIAALIEN VALETTAVUUS Vertailukriteereitä: • Minimi seinämäpaksuus, joka voidaan valaa • Valittu lujuusluokka (saavutettava lujuus ja kovuus suhteessa ainevahvuuteen) • Muotti/malli/tuote – materiaaliyhdistelmä • Suunniteltavat hellitykset ovat materiaali- ja valumenetelmäkohtaisia • Monet alumiiniseokset pyrkivät “takertumaan” teräsmuottien pintaan • Muita työvaiheita ajatellen otettava huomioon myös valettavan materiaalin lastuttavuus ja hitsattavuus

24. Valukappaleen kutistumat • Valumetallien kutistuminen jakautuu kolmeen vaiheeseen: • - sulakutistuma • - kiteytymiskutistuma • - kiinteäkutistuma Kaksi ensin mainittua voidaan hoitaa syöttämällä riittävästi ja oikein valumateriaalia muottitilaan. Kiinteäkutistuma on otettava huomioon muottitilan kokoa suunniteltaessa, jottei kappale jää vajaa-mittaiseksi.

25. Esimerkkejä eri materiaalien kutistuma-arvoista Suomugrafiittiraudat  - 2.8…+ 1.6 % Pallografiittiraudat  - 2.0…+ 1.5 % Valuteräkset (% C n. 0.2)  - 2.2 % Alumiinit  - 6.6 % Messinki  - 5.5 %

26. MATERIAALIEN PINNOITETTAVUUS • Pinnoitteen ja perusaineen ominaisuuksien yhteensovittaminen • jäykkyys, lujuus, lämpölaajeneminen jne., korroosionkesto • Pinnoitteen ominaisuudet • kiinnipysyvyys, pinnoitteen laatu, kestoikä • Halpa perusaine ja toimiva ohut pinnoitekerros  kustannusvaikutus • Oikein suunniteltu pinnoitus tuottaa materiaalinvalintaan “uusia vaihtoehtoisia materiaaleja”

27. Korroosiolajit

28. 1 Yleinen syöpyminen • Metallin koko pinta syöpyy tasaisella nopeudella • Suojaamattomien metallipintojen tyypillinen korroosiomuoto ilmasto-olosuhteissa • Mitattavissa helposti painohäviön tai seinämän ohenemisen avulla

29. 2 Paikallinen syöpyminen • 2.1 Pistesyöpyminen • voi saada alkunsa pinnan urista (pinnankarheus), pintakalvon virheistä, liuoksen eräistä anioneista (Cl -, Br -) • tyypillinen metalleissa, joiden korroosionkestävyys perustuu suojaavaan passiivikerrokseen (alumiini, ruostumaton teräs) • tyypillinen esimerkki on ruostumattoman teräksen pistesyöpyminen merivedessä

30. 2.2 Kuumakorroosio • Paikallisen syöpymisen korroosiomuoto, jonka aiheuttaa polttolaitosten rikki-, natrium- tai vanadiinipitoiset polttotuotteet • Metallin päälle muodostuva sula natriumsulfaatti hajottaa metallia suojaavan oksidikerroksen ja aiheuttaa pistesyöpymistä korkean lämpötilan rauta-, nikkeli- ja kobolttivaltaisissa seoksissa • Korroosioriski kasvaa moninkertaiseksi yli + 500°C jälkeen, mutta esim. rikkitrioksidi aiheuttaa korroosiota jo alle +200 °C:ssa

31. 2.3 Rakokorroosio (piilokorroosio) • Paikallisen syöpymisen korroosiomuoto, joka tapahtuu raoissa, joihin liuos pääsee tunkeutumaan, mutta joissa se ei pääse vaihtumaan samalla nopeudella kuin muilla metallipinnan alueilla • Raon koko n. 0.025…0.1 mm, esim. niitti-, ruuvi- ja hitsausliitoksissa • Tiivisteliitokset, joissa tiivistemateriaali on liuosta absorboivaa • Metallin pinnalla on likaa tms. (hiekkaa) • Tyypillinen metalleissa, joiden korroosionkestävyys perustuu suojaavaan passiivikerrokseen (ruostumaton teräs, alumiini)

33. 3 Galvaaninen korroosio Periaatteessa… • Esiintyy silloin, kun samassa elektrolyytissä kaksi eri metallia ovat sähköisessä kontaktissa toisiinsa. Alhaisemman elektrodipotentiaalin omaava (epäjalompi) metalli muodostuu anodiksi ja syöpyy. • Mitä kauempana elektrodipotentiaalisarjassa metallit toisistaan sijaitsevat, sitä todennäköisempää on galvaanisen korroosioparin syntyminen. Mutta muista myös, että… • Galvaaninen pari voi syntyä myös siten, että metalli on kosketuksessa jalomman ei-metallisen sähköäjohtavan materiaalin kanssa (esim. grafiitti) • Galvaaninen jalousjärjestys riippuu myös lämpötilasta (esim. Fe vs. Zn +60°C).

34. Kannatin ja putki ruostumatonta Terästä  Katodi Ruuvi hiiliterästä  Anodi (syöpyy)

36. Galvaanisen parin muodostuminen ja galvaaninen korroosio betonirakenteessa.

37. Sovellusesimerkki • Galvaanisen ja rakokorroosion yhteisvaikutus

38. 4 Pintaan kohdistuvan mekaanisen rasituksen kiihdyttämä syöpyminen • 4.1 Eroosiokorroosio • Kun liuoksen liikenopeus kasvaa riittävän suureksi, se pystyy irrottamaan metallin pintaa korroosiolta suojaavia pintakerroksia • korroosionopeus riippuu virtausnopeudesta • erityisen haitallinen on pyörteinen virtaus (putkiston haarat, mutkat, suuaukot) • virtauksen mukana kulkevat kiinteät partikkelit lisäävät kuluttavaa vaikutusta ja johtavat myös mekaanisen kulumiseen

39. Väärin: Liian syvälle työnnetty haaraputki aiheuttaa eroosiokorroosiota

40. 4.2 Kavitaatiokorroosio(Pitting, kuoppakorroosio) • Pintaan kohdistuvaa mekaanisen rasituksen kiihdyttämää syöpymistä on nk. kavitaatio, jossa nestevirtaukseen syntyneet kaasukuplat luhistuvat, jolloin nesteeseen syntyy voimakkaita paineaaltoja, jotka voivat rikkoa metallin pintaa suojaavan passivaatiokalvon (tai muun suojakerroksen) • Esiintyy mm. hydraulilaitteissa, laivojen potkureissa, pumppujen siipipyörissä ja putkistoissa • Jos passiivikalvo rikkoutuu iskumaisen kuormituksen takia, käytetään joskus myös termiä iskukorroosio

42. 4.3 Hiertymiskorroosio(Fretting-korroosio) • Kyseinen, pintaan kohdistuva mekaanisen rasituksen kiihdyttämä syöpyminen, tapahtuu kahden toisiaan vastaan puristetun pinnan välissä silloin, kun pinnat värähdellessään pääsevät liikkumaan hieman toisiinsa nähden • Esim. puristussovitteet, ruuvi-, niitti-, kitka- ja kiilaliitokset (esim. löystymisen seurauksena) • Esim. laakerit, lehtijouset, vaijerien kosketuskohdat • pinnan profiilihuiput murenevat  abrasiivi • pinnan oksidikerros murenee  abrasiivi • pinnasta irtoaa metallihiukkasia  abrasiivi

43. Esimerkiksi kutistusliitoksissa jo 1/10 000 mm siirtymä saa aikaan fretting-ilmiön • Fretting-ilmiö vaurioittaa kutistusliitosten pintoja ja laakerien tukipintoja • Väsymiskestävyys voi laskea jopa 30-50%, murtuma ei tapahdu liitetyn koneenosan kohdalta, vaan hieman sisempää • Pintaan esim. lämpökäsittelyllä tuotettu puristusjännitys vähentää fretting-ilmiötä

45. 5 Raerajakorroosio • Metalliseosten jähmettymisen, lämpökäsittelyn, hitsauksen tai korkean käyttölämpötilan yhteydessä raerajoille voi muodostua korroosionkestävyyttä heikentäviä yhdisteitä, jolloin metalliseos syöpyy voimakkaasti raerajoja pitkin • Raerajakorroosiota voivat aiheuttaa raerajoille suotautuvat epäpuhtaudet tai tietyn seosaineen rikastuminen tai köyhtyminen matriisista raerajojen läheisyydessä (esim. alumiinissa epäpuhtautena esiintyvä rauta voi suotautua raerajoille) • Ruostumattomilla teräksillä tapahtuu herkistymisilmiö, jossa lämpökäsittelyn tai hitsauksen yhteydessä raerajoille muodostuu kromikarbidia ja sen viereen jää kromiköyhä alue, johon ei muodostukaan suojaavaa passivaatio-kerrosta

46. 6 Valikoiva syöpyminen • Metalliseoksen jokin seosaine tai mikrorakenneosa liukenee muita nopeammin • messingin sinkinkato • alumiinipronssin alumiininkato hapoissa • piipronsseissa piinkato • suomugrafiittirautojen grafitoituminen (rauta syöpyy jättäen jäljelle grafiittisuomu-rungon)

47. 7 Jännitystilan ja korroosion yhteisvaikutus • 7.1 Jännityskorroosio • metalliin muodostuu murtumia korrosiivisten olosuhteiden ja pinnassa vaikuttavan (joko ulkoisesta kuormituksesta tai sisäisistä jännityksistä johtuvan) vetojännityksen yhteisvaikutuksesta • happi ja lämpötilan nousu lisäävät jännityskorroosio-herkkyyttä • Esimerkkejä: • syvävedettyjen tai kylmämuokattujen messinkituotteiden vauriot typpiyhdisteissä (esim. ammoniakki) • kylmämuokatut teräkset emäksisissä olosuhteissa • austeniittisten ruostumattomien terästen jännityskorroosio hapettavissa kloridiliuoksissa • seostettujen terästen vetyhauraus (teräkseen syntynyt vety esim. hitsauksesta johtuen)

49. 7.2 Korroosioväsyminen • Korrosiivisessa ympäristössä oleva rakenne joutuu lisäksi värähtelyjen, vaihtokuormituksen tai termisten vaihteluiden alaiseksi • Ilman korroosion vaikutusta mitatuissa S-N käyrissä voidaan havaita selvä väsymisraja, jota pienemmät jännitysamplitudit eivät aiheuta murtumaa, mutta korrosiivisissa olosuhteissa väsymisrajaa ei esiinny, vaan hyvinkin pienet jännitysvaihtelut johtavat murtumaan kuorman-vaihtokertojen lisääntyessä • esim. putkistot, säiliöt, venttiilit, pumput, akselit