INNFØRING I ANVENDT UTMATTING OG GEIRBRUDDMEKANIKKTERJESEN
INNFØRING I ANVENDT UTMATTING OG GEIRBRUDDMEKANIKKTERJESEN
Copyright © 2022 by Vigmostad & Bjørke AS All Rights Reserved 1.utgave 2022 / 1. opplag 2022 ISBN: 978-82-450-3518-6 Grafisk produksjon: John Grieg, Bergen Omslagsdesign ved forlaget Sats ved Spørsmålforfatterenomdenne boken kan rettes til: bareUtenMaterialetwww.fagbokforlaget.noe-post:Tlf.:5068KanalveienFagbokforlaget51Bergen55388800fagbokforlaget@fagbokforlaget.noervernetetteråndsverkloven.uttrykkeligsamtykkeereksemplarfremstillingtillattnårdeterhjemletilovelleravtalemedKopinor.
Ipraksisviserdetsegatmangestudenterogsåfårbehovforkunnskapomdimensjoneringsstandarder.DeterderforgitteninnføringiutmattingsdeleneiDNV-RP-C203 (offshorekonstruksjoner)ogEurokode3(stålkonstruksjoner). Bokenharenrekkeberegningseksemplerforåillustrereteorien.Relevantetabellerog kurverertattmedibokenslikatbehovetfortilleggslitteraturreduseres.
Bokentarutgangspunktiforskjelligetemaerinnenforutmattingogbruddmekanikkmanmå beherskeforåløserelevanteoppgaverinnenforfagfeltet.
5 Forord
Sist,menikkeminstviljegtakkekollegerogstudenterpåhovedkursetsomgjennomårene harkommetmedinnspilltilfagstoffet.Oslo,august2022 GeirTerjesen
DennebokenerskrevetforådekkeendelavhovedfagetimaskindesignvedNMBU.
JegvilretteenstortakktilingeniørToreEnsby,somharlagetdeflestetegningene. VidereviljegtakkeProf.StigBerge,Prof.TomLassenogDr.ing.IngeLotsbergforfaglig inspirasjonogstøttegjennommangeår.
Bokenerlagtoppslikatdenkanbrukespåspesialisertebachelor-kursogpåmasternivå, hvoreninnføringianvendtutmattingogbruddmekanikkerønskelig.Bokenerogsåaktuell forbyggingeniører,blantannetiforbindelsemedbyggingavstålbruerogkranersomkrever grunnleggendekunnskaperiutmatting,ogbrukavEurokode3standardensutmattingsdeler.
Denresterendedelenavhovedfagetbeståravgenerelldimensjoneringsteknikkogerdekket avboken Dimensjoneringsteknikk for ingeniører.
7 INNHOLD Innholdsfortegnelse 7 Symboler 12 1.Grunnleggendeomutmattingavmetaller 1.1Hensikt,genereltoghistorikk 15 1.2Sprekkinitiering,sprekkvekstogbrudd 22 1.3Design-filosofier 31 1.3.1 Beregningsmetoder 32 1.4Definisjonerogutmattingstesting 33 1.5Spenningslevetid-metoden(S-N-metoden) 36 1.5.1 S-N-kurven 36 1.5.2 EstimeringsteknikkerforåkunneberegneS-N-kurven 38 1.5.3 MiddelspenningensinnvirkningpåS-N-kurven 40 1.6Modifiseringsfaktorer 50 1.6.1 Overflatefaktoren 51 1.6.2 Størrelsesfaktoren 52 1.6.3 Lastfaktoren 54 1.6.4 Miljø-ogegenspenningsfaktor 55 1.6.5 Kjervfaktoren 57 1.6.6 Sikkerhetsfaktoren 71 1.7Beregningseksempelforen-aksetspenning 71 1.8Utmattingvedfleraksetspenningstilstand 74 1.8.1 Beregningseksempelforfleraksetspenningstilstand 75 1.9Forbedringavutmattingslevetiden 77 1.9.1 Overbelastning 77 1.9.2 Kaldbearbeiding 77 1.9.3 Termiskemetoder 78 1.10Virkningavoverflatebelegging 79 1.11Referanser 80
8 2.S-N-kurven 2.1Hensikt 82 2.2Forskjeller,maskindelerogstålkonstruksjoner 82 2.3Utmattingstesting 83 2.4GenereltomS-N-kurvene 83 2.4.1 Regresjonsanalyseogmiddelkurven 84 2.4.2 Designkurven 87 2.4.3 Standardkumulativnormalfordeling 93 2.5Referanser 95 3.Dimensjoneringforbegrensetlevetidmedvariabellast 3.1Hensiktogintroduksjon 96 3.2Miner-Palmgrendelskadehypotese 96 3.2.1 Miner-Palmgrenogutnyttelsesgrad 99 3.3Geometriskspenningsvidde 100 3.4Forskjelligespenningsspektere 102 3.4.1 Reservoar-metoden 103 3.4.2 Rainflow-metoden 104 3.4.3 Kommentarertilmetodene 105 3.5Beregningavutmattingsskade 106 3.6Ulikekumulativelastspektereoglevetid 108 3.7Ekvivalentnormalspenningsvidde,ΔσE 111 3.7.1 Utledningavformelforekvivalentnormalspenningsvidde 113 3.8Innvirkningavantallblokkerforkumulativelastspektere 115 3.9Weibull-fordeltekumulativelastspekter 117 3.9.1 UtledningavskadeformelforWeibull-fordelingen medS-N-kurvemedenhelningutencutoff 120 3.10Dempedesvingningerogutmatting 123 3.11Referanser 125
9 4.Sveisogutmatting 4.1Hensiktogintroduksjon 126 4.2Forbedringavutmattingsegenskapene 129 4.2.1 Spenningsgløding 129 4.2.2 Sveisegeometri 131 4.2.3 Innføringavrestspenninger 134 4.2.4 Konstruksjonsutforming 137 4.3Noennyttigetipsveddesign 137 4.4Ikkedestruktivprøving(NDT) 139 4.4.1 Visuellinspeksjon(VT) 141 4.4.2 Magnetpulverprøving/magnettesting(MT) 141 4.4.3 Penetrantprøving(PT) 142 4.4.4 Radiografi(RT) 143 4.4.5 Ultralydundersøkelse(UT) 144 4.4.6 Virvelstrøm(Eddycurrenttesting) 147 4.5Noenrelevantestandarderogdokumenterved utmattingsberegningeravstålstrukturer 148 4.6Faktorersompåvirkerutmattingsfasthetentil komponentermedogutensveis. 149 4.5Referanser 149 5.UtmattingsberegningermedDNV-RP-C203 5.1HensiktogintroduksjonavDNV-RP-C203 151 5.2Materialerogberegningsmetoder 151 5.3Metodenmednominellspenning(Nominalstress) 152 5.3.1 Klassifiseringavkonstruktivedetaljer(AppendixAiRP-en) 152 5.3.2 Sprekkutvikling 153 5.3.3 S-N-kurverogS-N-data 154 5.3.4 Beregningavspenninger 158 5.3.5 Lokalenominellespenninger 158 5.3.6 Eksentrisitetenisveisteplateforbindelser 159 5.3.7 Hovedspenningsretningensinnvirkning 161 5.3.8 Tykkelseskorrigering 161 5.3.9 Egenspenningerogmiddelspenningensinnvirkning 163
10 5.3.10 Spenningerikil-ogK-sveis 164 5.3.11 BrukavMiner-Palmgren 166 5.3.12 Økningavutmattingslevetiden 167 5.4Andredimensjoneringsmetoder 168 5.4.1 HotspotStress-metoden 168 5.4.2 Effectivenotchstress-metoden 169 5.4.3 Fracturemechanics 169 5.5Tabelleroverklassifiserteforbindelser 170 5.6Eksempler 175 6.UtmattingmedEurokode3 6.1Hensiktogintroduksjon 182 6.2S-N-kurvene 182 6.3Dimensjoneringsmetoder 185 6.4Ekvivalentspenningsvidde,ΔσE,2 191 6.5Miner-Palmgren,DNV-RP-C203versus Eurokode3forS-N-kurvemedenhelning 193 7.Introduksjonavlineærelastiskbruddmekanikk(LEBM)ogsprekkvekst 7.1Hensiktogintroduksjon 194 7.2HistorikkogLEBM 196 7.3Bruddseighetogbruddseighetstesting 198 7.4Eksempler,ustabiltbrudd 206 7.5Sprekkvekst 211 7.6Eksempler,sprekkvekst 219 7.7Tillegg 225 7.7.1 Korreksjonsfaktorer 225 7.7.2 Plantøyningienstrekkstav 234 7.7.3 Plateavlineærelastiskisotroptmateriale utsattfor«Modus1»belastning 236 7.7.4 Omregningstabellforenheter 237 7.8Referanser 238
11 8.Merombruddmekanikkogsprekkvekst 8.1Hensiktogintroduksjon 240 8.2BruddpågrunnavLEBMogflytingimaterialet 240 8.3MeromK1,K2 ogK3-modusbelastninger 242 8.4Merombruddseighet 246 8.5Slagseighetversusbruddseighet 247 8.6Meromterskelverdiforsprekkvekstogsprekkvekst 248 8.7EnheteriParisLov 260 8.8Meromkorreksjonsfaktorer 262 8.9SpenningskorrosjonogHISC 270 8.10Crackarrest 274 8.11Referanser 278 9.Elastisk-plastiskbruddmekanikk(EPBM) 9.1Bruddmekanikkvedplanspenning 280 9.2Elastiskplastiskbruddmekanikk(EPBM) 283 9.3GrunnlagforCTOD-metoden 284 9.3.1 DimensjoneringetterCTOD-metoden(Designkurven) 286 9.3.2 CTOD-prøving 288 9.4BS7910:2019 292 9.5Eksempler 292 9.6Referanser 295
12
SymbolverkettilEurokode3eromfattende.Detanbefalesåstudereanbefaltelinkerog referanserikap.5og6foråblibedrekjentmedDNV-symbolerogEurokode3-symbolene.
Symboler Deterenstormengdesymbolersombenyttesvedutmattingsberegninger.Symbolenesom benyttesiforbindelsemeddimensjoneringutenstandard,ernokkjentfordefleste.
Symboleneblirforklartnårdeførstforekommeriteksten.Deflestesymboleneerlikeveltatt medher.Uansettommandimensjonerermedellerutenstandard,oppdagermanatettsymbol kanhaflerebetydningerogatenbestemtstørrelsekanbenevnespåfleremåter.Dettevilman ogsåkunneseavlistenmedsymboler. A tverrsnittsareal,amplitudeforholdellerkonstantiBasquinslikning A0 tverrsnittsarealubelastet B konstantiBasquinslikning,lengdemål C konstantilikningforutmattingsfasthet CE miljøogegenspenningsfaktor CF overflatefaktor CS størrelsesfaktor D diameter,delskade Dd delskadeetterEurokode-standarden E elastisitetsmodul F kraft Fmaks makskraft Fmin minimumkraft Gc energyreleaserate Ii, annetarealmomentavhengigavakse Kf kjervfaktor Kf ’ enannenvariantavkjervfaktor Ki spenningsintensitetsfaktorforinitieringavsprekkvekst KC spenningsintensitetsfaktorforplanspenning Ke eneffektivspenningsintensitetsfaktor K1C bruddseighetsverdiformodus1 K11C bruddseighetsverdiformodus2 K111C bruddseighetsverdiformodus3 K1scc terskelverdiforspenningskorrosjon Kt spenningskonsentrasjonsfaktor(benevnesogsåSCF) L lengdemål M moment Mb bøyemoment Mv torsjonsmoment(vridemoment) Mx, My, Mz momenterom x-,y- og z-akse N antallsykler NC antallsyklertilbrudd Ndesign antallsykleridesignlevetiden(≈97,7%sjansforoverlevelse) Nreg midlereantallsyklertilbrudd(≈50%sjansforoverlevelse) N(total),Ni, Np totaltantallsykler,antallsyklerforåinitiereensprekkogantallsyklerforådriveen sprekkfremtilbrudd. P last(kraft) R spenningsforholdellerradius Ra midlereprofilhøydeforoverflateruheten Re flytegrense
13 Rm Strekkfasthet,bruddspenning Rp0,2 flytegrenseformaterialerutenflyteplatå S lengdemål T tykkelse V skjærkraft,volum W tverrsnittsmodul(motstandsmoment)ellerlengdemål a lengdemål b breddemål d diameter f korreksjonsfaktor fs sikkerhetsfaktormotutmattingsbrudd fm reduksjonsfaktor fy flytespenning,flytegrense h Weibullparameter k avlastningsfaktor,antallprøvestaver,tykkelseseksponent kf spenningskonsentrasjonsfaktor ks størrelsesfaktor m eksponentilikningforutmattingslevetid,konstantiParislov n eksponentistørrelsesfaktoren,antallsyklerendelblirutsattfor n0 totaltantallsykler q kjervfølsomhetsfaktor,Weibullskalleringsparameter r radius s standardavvik t tykkelse,tid,dybdeavkjervradius tref referansetykkelse tf flenstykkelse t0 referansetykkelse tw stegtykkelse x, y, z koordinater z lengdemål α parameterbruktvedregresjonsanalyse,skalleringsfaktor β parameterbruktvedregresjonsanalyse,forhold γFf lastfaktor γMf materialfaktor γtot produktetavγ-faktorer Γ gammafunksjonen ΔK utmattendespenningsintensitet ΔKo, ΔKth terskelverdiforspenningsintensitetvedsprekkvekst Δσ spenningsvidde ΔσD spenningsviddensutmattingsgrense ΔσE ekvivalentspenningsvidde ΔσE,2 ekvivalentspenningsviddeetterEurokode-standarden ΔσF forsterketspenningsvidde ΔσFLM spenningsviddeetterlastmodellmedEurokodestandarden ΔσL spenningsviddenscut-off,ved108sykler Δσ1 hovedspenningsvidde ΔσꞱ normalspenningsvidde Δσ11 parallellspenningsvidde Δσw spenningsviddeisveisensa-målsplan Δτ skjærspenningsvidde ΔτE,2 ekvivalentskjærspenningsviddeetterEurokode-standarden Δτ11 parallellskjærspenningsvidde ΔτꞱ normalskjærspenningsvidde δ logaritmiskdekrement,avstand,ellertøyningvedsprekkspissen
14 δc tøyningvedsprekkspissenvedustabiltbruddellerpop-in δi tøyningvedsprekkspissenvedinitieringavduktilsprekkvekst δm tøyningvedsprekkspissenvedmakslast δu tøyningvedsprekkspissenvedustabiltbruddellerpop-in ε relativforlengelse(tøyning),usikkerhetellerfeilleddienstatistiskfordeling εx, εy, εx tøyningirespektiveretninger εys flytetøyning ζ dempningsforhold η kjervfølsomhetsfaktor,utnyttelsesgrad η’ enannenvariantavkjervfølsomhetsfaktoren λ skadefaktor σ normalspenning σa amplitudespenning σb bøyespenning σD utmattingsgrense σe, σjf ekvivalentellerjevnførendespenning(betyrdetsamme) σf sannspenningvedbrudd σm middelspenning σmaks maksimalspenning σmin minstespenning σN utmattingsfasthet σ0 bruttospenning σtill tillattspenning σx,σy, σz normalspenningi x- , y- og z-retning σ1, σ2, σ3 første,andreogtredjehovedspenning τ skjærspenning Φ dimensjonsløsfunksjon φ vinkel ωe egenfrekvens
Dentotalelevetideniantallsykler(N(total))tilenutmattingspåkjentkomponentkanskrives: N(total) =Ni +Np Ni:Antallsyklerforåinitiereensprekk Np:Antallsyklerforådriveensprekkfremtilbrudd
FleredokumenterteundersøkelseriEuropaogUSAharvistatmellom80og95%avalle bruddimaskinkomponenterundernormaldrifterutmattingsbrudd.Norgeharhellerikkeblitt spartfordekatastrofalefølgeneslikebruddkanmedføre.
Litthistorikkomutmatting Viskalnåsepånoenutmattingsbruddsomharforårsaketulykker.
1.1Hensikt,genereltoghistorikk Hensiktenmeddettekapitteleterå: kjennetilhistorikkenomutmattingsbrudd,designfilosofierogfåoversiktover beregningsmetoder forståhvilkefaktorerdetersompåvirkerutmattingslevetiden kunnedimensjoneremot«uendeliglevetid»medHaigh-ogSmith-diagram
15 1. GRUNNLEGGENDEOMUTMATTINGAVMETALLER
Hovedfokusetidennebokenerutmattingavstålkonstruksjoner.Desammeprinsippenekan ogsåbenyttesogsåforandremetaller.Erfaringviseratdeflesteandrematerialerogsåvil kunneutvikleutmattingsbrudd.
Generelt Utmattingerdannelseogvekstavsprekkerunderdynamiskbelastning.Utmattingsbrudd inntreffervanligvisetteretstortantallbelastningsvekslingerogvedspenningersomerlangt lavereennmaterialetsfasthetsverdier[1.1]. Figur fasthetsverdier.kontraUtmattingsbelastning1.1materialets
Figur 1.2
Materiale:Høyfastkjervfølsomtmateriale(Rm =1000MPa)
Hastighetenblesattnedfra210km/ttil160km/t.Alleakslingerogboggierblebyttetut,og ikkeførjuni2003kunnetogeneigjenkjøreforfullmaskin.
August Wöhler (1819–1914) Figur 1.3
Tog År1860Tyskland.DentyskeingeniørenAugustWhölerbeskrevproblemetmedutmattingav akslertiljernbanevogner.Hanpåpekteatakslerundertoalettenevarspesieltutsatt.
Foto: Wikimedia Commons [1.28] Foto: Nancynator/FreeImages [1.29] Signaturtoget(År2000,Nelaugstasjon)
Hovedårsakertilbruddet(DNVfailureinvestigation) Følgendefaktorerbidrotilutmattingsbruddet.
Etsignaturtogfårakselbruddpågrunnavutmatting.Korrosjonsgroperoppstoietneddreid sporiakselen(figurb).Etgummibånd(figurc)forhindretdreneringavsporet.
a)Signaturtog på Nelaug stasjonb)Sprekk i akselspor. c)Gummibånd. Foto: Bane NOR Eiendom [1.30] Figur 1.4
Belastningshistorikk:Høyebelastningervedkjøringikurve Tilstedeværelseavdefekter:Korrosjonsgroper Akselensgeometri:Sprekkiområdetmedhøyspenningskonsentrasjon.
16
Figur 1.5 Foto: Even Strømman 2010 HavarikommisjonenmenteårsakentiltogulykkenvedSkotterudvarutmattingsbruddidet enehjulsettet.Toget,tilhørtedetsvensketogselskapetSJogvarpåveitilStockholm.Detvar 280passasjereromborddadetsporetav.Totaltble36passasjererskadet.
17 TogulykkenpåSkotterud1/10-2010
Libertyskip(andreverdenskrig) Av2751Libertyskip,brakk145ito,og1500fikkalvorligeskader.Bruddeneoppstoofteved lavbelastning,noenbrakkmensdelåihavn.Medinnføringavhelsveistekonstruksjoner dukketdetoppennytypeulykker.Årsakenvarsprekkvekstogsprøbruddpågrunnav materialfeil,storespenningskonsentrasjonersamtlavtemperaturogbruddseighet.
Figur 1.6: Libertyskip Foto: Everett Collection / Shutterstock [1.31] Foto: Al Rosenfield, Wikimedia Commons [1.32]
18 Alexander–Kiellandulykken Imars1980veltetboligplattformenAlexanderL.Kiellandmed212mannpåEkofiskfelteti Nordsjøen.123mannomkomiulykken.Hovedårsakentilulykkenvarenutmattingssprekk somstartetistagD-6,hvordetvarlagethullogsveistinnetrørsomholderforenhydrofon. Dettokca.20minutterfradeførsteulydeneiunderstellettilplattformenveltet. Figur 1.7 Figur 1.8
Figur 1.9 (mål i mm) Figur 1.10 NårkilsveisensomforbinderhydrofonrørettilstagD6erutensprekk,erspenningskonsentrasjonsfaktoren(Kt)vedsveisenca.1,6.Sefigur1.11a.Nårhydrofonrøretløsnerfra stagD6,erspenningskonsentrasjonsfaktorenca.3,0,altsånestendoblet.
Hydrofonholderenvarfestetmedkilsveistilstag(rør)D6,sefigur1.9.Materialetiholderen haddefåttenutrivningssprekk(lamellærutrivning).Mangansulfiderivalsedeplateropptrer somtynnebånd,somavbrytersammenhengenimatriksen.Nårplaten(hydrofonholderen) utsettesforstrekkpåkjenningitykkelsesretningenrivesdetspalteriden.Detvaretslikt utrivningsbruddsomstartetenutmattingssprekkistagD6.Figur1.10viserhvordan sprekkvekstenutvikletsegfrahydrofonholderenfremtilendeligutmattingsbrudd.
19
Hovedårsakenetilulykkenvar: Mangelpåreservekapasitet,plattformenburdeværtdesignetslikatdentålteatet stagfikkbrudd. DetvarforhøyespenningeristagD6.Plattformenvarikkedimensjonertmot utmatting. - Fordårligmaterialeihydrofonholderensommedførteutrivningsbrudd. Fordårligkvalitet/innbrenningforsveisensomfestethydrofonholderentilstagD6.
Figur 1.11 a) Funksjonell sveis, Kt ≈ 1,6.b)Utrivningsbrudd ved sveis, Kt ≈ 3,0.
20 Fly Problemetmedutmattingssprekkeriflyblespillefilmi1951.DepopulæreskuspillerneJames StewartogMarleneDietrichfikkhovedrolleneifilmen No highway in the sky.JamesStewart spillerfly-ingeniørensomharforståttatenflytypebaretåleretbegrensetantallflyturerfør detutviklersegutmattingssprekkersommedføreratflyenestyrter.MarleneDietrichspiller flyvertinne.Manusetvarinspirertavflysomstyrtetpådentiden,utenatmankunneforstå hvorfor.Defirkantedevinduenevistesegåkunneværeinitieringsstederforutmattingssprekker.
Figur 1.12 DeHavillandComet DeHavillandComet1varverdensførstejetdrevnepassasjerfly.Treflyforulykket. Utmattingssprekkerutvikletsegfradefirkantedevinduene. Enskisseavsprekkutviklingenerillustrertifigur1.13. Figur 1.13
Flyulykken:JapanAirlines747SR,flightJAL123,12.august1985
FlyettokavfraHeneda,Tokyomed524personerombordogskulletilOsaka.Eneksplosiv dekompresjonidetbakrepartietpåflyetgjordeatendelavhalepartietoghydraulikkenble revetav.FlyetstyrtetifjelletMountOsutaka,firepersoneroverlevde.Flyethaddetidligere hattenskadeihalepartiet.Reparasjonenbleutførtmedennagleradistedetforto,somdet skullehavært.Enbruddmekaniskanalyseavreparasjonenvisteatflyetskulleholde ca.11000flightsmeddennereparasjonen,dettevarflight–nummer12319. Figur 1.14 Figur 1.15 Figur1.14viserenskisseavflyetutenstyrefinne.Figur1.15viserennagleskjøtmedto nagleradersomtålerutmattingsbelastningen.Høyredelavfigur1.15viserutmattingssprekkervedhullenenårenfeilaktigreparasjonblirutført,somikketålerutmattingsbelastningen. Alohaairlinesulykken(Flight243) Den28.april1988laenboing737utpåen ordinærruteflygningmellomtoavøyenepå Hawaii.Etteråhanåddmarsjhøydebleplutselig seksmeteravtaketogveggeneflerretbort. Enflyvertinneblesugdutavflyet,deandre overlevdeetterenvellykketnødlanding. Flyskrogetrevnetsomfølgeavsprekkdannelse. UlykkenpåHawaiierenavmangeulykker Figur1.16 hvorutmattingerårsaken. Foto: NTSB/Wikimedia Creative Commons [1.33]
21
22 1.2Sprekkinitiering,sprekkvekstogbrudd Utmattingkandefineressomdenforandringsomforegårietmaterialenårdetutsettesforen periodiskvarierendespenningavtilstrekkeligstørrelse.Etteretstørreellermindreantall svingningervilforandringenresultereisprekkerogofteitotaltbrudd.Spenningensom forårsakerutmatting,liggerundermaterialetsstrekkfasthet,ogsåofteunderflytegrensen. Imotsetningtiletstatiskbruddskjeretutmattingsbruddutenforutgåendevarseliformav plastisktøyningogkontraksjon.Bruddetinitieresvanligvisfraenstørreellermindrefeili overflatenogbrersegherfraikonsentriskesirklersomvistpåfigur1.17,ogloddrettpå retningentilstørstehovedspenning.Sprekkenreduserertverrsnittetikomponentenetterhvert somdenvokser,ogførellersenereoppståretrestbrudd.
Figur 1.17 Utvikling av utmattingsbrudd.
Utviklingenavetutmattingsbruddkandelesoppitrestadier,nemlig: 1. Sprekkinitiering 2. Sprekkvekst 3. Brudd(benevnesogsårestbrudd) Polerteprøvestaverutennoentilsynelatendefeilioverflatenvilogsåfåutmattingsbrudd dersomspenningenerstornokogsvingningeneermangenok.Metallenebestårsomkjentav krystaller(korn),somigjenbeståravenhetscelleravatomer.Denkrystallografiskeakse variereriretningfrakrystalltilkrystall.Istadium1skjerbådeinitieringogvekstav mikrosprekkerunderpåvirkningavskjærspenning.Denstørsteaktivitetenforegårikrystaller medglideplan(atomplan)somliggeriretningavstørsteskjærspenningskomponent,altsåi retning45 veden-aksetstrekkidelen.
ΔσΔσΔσΔσ
Figur 1.19 Fase 1 og 2 sprekkvekst.
23
Vedsykliskatomplanglidningdannesdet forhøyningerogfordypninger(ekstrusjonerog instrusjoner)pågrunnavlåsingavglideplan. Påengelskkallesdelåsteglideplanene Figur 1.18
Ekstrusjonene ersynligesomsvartesmåstrekerpåoverflatennårdenbetraktesiet mikroskop.Mellomdesvartestrekene(ekstrusjonene)liggerinstrusjonenesom sprekkformedefordypninger.Manprøvdetidligåavbryteutmattingsforsøkforåstudere virkningenvedåpolereekstrusjonene/instrusjonenebort.Resultatetblelengrelevetidog dermedenindikasjonpåatteorienkunneværeriktig[1.2].
Initieringenavmikrosprekkenskjeraltsåvanligvispåmaterialoverflaten.Årsakentildetteer atoverflatekornkanletteredeformeresennindrekornpågrunnavmindreavstivende
Eninstrusjonfungerersometinitieringsstedforensprekk.Sprekkenvokserviderelangs glideplanene,utgjennomkorngrensene.Dersomdetliggerglideplaninoenlundesamme retninginabokornene,fortsettervekstender,mensprekkenviletteråhavokstgjennomnoen kornbegynneåvirkesomenspenningskonsentrasjon,ogvildavoksenormaltpå strekkspenningen.Meddetteharsprekkvekstenskiftetovertilfase2.Sefigur1.19.
”persistentslipbands”ogforkortesPSB. Figur1.18viserekstrusjoneroginstrusjonerpåen metalloverflateutsattforvekslendebelastning.
24 virkningfranabokorn.Dettegjøratkornioverflatenrepresenterersvakepunkterimetallstrukturen.Viharalleredesettatsprekkerkanutviklesfrainstrusjoner(PSB)påoverflaten. DannelseavPSBmotvirkesavkorngrenser.Korngrenserergunstigefordidevirkersom barrierermotsprekkinitiering.Økestemperaturen,kanmaterialetlikevelsprekkeoppi korngrenseneoginitiereenutmattingssprekk.Ensprekkioverflatenkanogsåfremkomme ettervalsing,herdingellersmiing.Egenspenninger,feilellerforurensningerimetallstrukturen,inneslutningeroghydrogenfangetimetallstrukturenkanogsåinitiere utmattingssprekker.Ellerseroverflatensårbaroverforangrepbådeavfysiskogkjemisk natur.Enhverformforoverflateirregularitet,entendeneriformavrissforårsaketaven mekaniskprosesssomslitasjeelleriformavgropersomresultatavf.eks.frettingeller korrosjon,viltjenesominitieringsstederforutmattingssprekker.Andrevanligesprekkinitieringsstederervedkjerver(hvorenfårenspenningsøkning)somiskruegjenger,kilespor, hulkiler,sveiser,tverrsnittsoverganger,maskinertehullellerspor,igjengepartierogi overgangenmellomboltoghode.Figur1.20visernoenvanligesprekkinitieringssteder. Figur1.21viserspenningskonsentrasjonervednoenforskjelligeutformingeravkjerver.
Sveiserot Figur 1.20 Figur 1.21 Tabell1.1viserenrekkeutbedringsmulighetersomredusererspenningskonsentrasjoneneved forskjelligetyperkjerver[1.3].
Han har over tretti års erfaring med å undervise maskinfag fra forsvaret, aluminiumindustrien, bilbransjen, høgskoler og universiteter. Terjesen har undervist tekniker-, ingeniør- og sivilingeniørstudenter i dimensjoneringsteknikk, og han har publisert flere fagartikler.
Innføring i anvendt utmatting og bruddmekanikk er skrevet for å dekke en del av hovedfaget i maskindesign ved NMBU. Boken tar utgangspunkt i forskjellige tema innenfor utmatting og bruddmekanikk som gir ingeniøren relevant Utmattingsbrudddimensjoneringskunnskap.erdenmestforekommende
form for brudd vi har i dynamisk påkjente maskinkonstruksjoner. Kunnskap om forebygging av denne bruddtypen og estimering av utmattingslevetid er derfor av stor viktighet. I praksis viser det seg at mange studenter også får behov for kunnskap om dimensjoneringsstandarder. Det er derfor gitt en innføring i utmattingsdelene i DNV-RP-C203 (offshorekonstruksjoner) og Eurokode 3 (stålkonstruksjoner). Boken har en rekke beregningseksempler for å illustrere teorien. Noen relevante tabeller og kurver er tatt med i boken, slik at behovet for tilleggslitteratur reduseres. Boken er lagt opp slik at den kan brukes på spesialiserte bachelorkurs og på masternivå, hvor en innføring i anvendt utmatting og bruddmekanikk er ønskelig. Boken er også aktuell for byggingeniører, blant annet i forbindelse med bygging av stålbruer og kraner som krever bruk av Eurokode 3-standardens utmattingsdeler. Geir Terjesen er førsteamanuensis ved Institutt for maskinteknikk og teknologiledelse ved Norges miljø- og biovitenskapelige universitet (NMBU).
ISBN 978-82-450-3518-6
