Performance through materials research PerforMat-webinaari 24.3.2022
Suomen Akatemian rahoittaman ja VTT:n, Tampereen yliopiston sekä Oulun yliopiston muodostaman ja VTT:n koordinoiman PerforMat- materiaalitutkimusverkoston järjestämä webinaari maaliskuisen torstain iltapäivänä kokosi ruutujen ääreen noin xx osallistujaa. Englanninkielisessä webinaarissa käsiteltiin materiaalien kestävyyteen ja suorituskykyyn liittyviä kysymyksiä ja tutkimuksen roolia vastausten etsimisessä.
W
ebinaarin avannut VTT:n tutkimusprofessori Elina Huttunen-Saarivirta totesi, että materiaalien prosessoinnin ja sen tuottaman mikrorakenteen ja ominaisuuksien väliseen kolmiyhteyteen on vielä liitettävä neljäs elementti eli suorituskyky halutussa käyttösovelluksessa ja -ympäristössä. Suorituskyky voidaan määritellä materiaalin kyvyksi vastata käyttösovelluksen ja -olosuhteiden vaatimuksiin. Se tuo mukanaan monia uusia tekijöitä kuten materiaalista tehdyn komponentin muodon, pinnat, erilaiset rajapinnat sekä komponentin koko materiaalitilavuuden. Kysymys siitä, miten kaikki nämä tekijät voidaan ottaa huomioon jo tutkimusvaiheessa, on monitahoinen ja tärkeä. Tärkeys korostuu entisestään nykypäivän uusien trendien kuten pyrkimyksen hiilineutraaliin tai -negatiiviseen yhteiskuntaan sekä uusiutuvien energialähteiden käyttöönoton myötä. Materiaalit ovat näihin tarvittavien uusien teknologioiden mahdollistajia, kun niiden suorituskyky saadaan tutkimuksen kautta nostetuksi tarvittavalle tasolle. Koska usein massiivistenkin täyden mittakaavan komponenttien testaaminen on hyvin harvoin mahdollista, joudutaan tutkimuksessa paneutumaan pienempien materiaalivolyymien tarkasteluun. Tällä tutkimuksella tuotetaan dataa, jota voidaan käyttää suurempien komponenttien käyttäytymisen arvioinnissa mallinnuksen ja simuloinnin keinoin. Tähän tematiikkaan liittyvien ky-
symysten tarkastelu muodostaa nyt käsillä olevan webinaarin keskeisen sisällön.
Väsymistutkimuksen uusia näkökulmia Senior Research Fellow Matti Isakov, Tampere Institute of Advanced Study, Tampere University käsitteli esityksensä “Fatigue testing beyond conventional methods- large size scale and impact fatigue” aluksi sitä, miten pienen mittakaavan koesauvoilla tehtyjen väsytyskokeiden tuloksia voidaan käyttää todellisten koneenosien suunnittelussa ja mitoituksessa. Tämä askel laboratoriotestien tulosten soveltamisessa todellisiin koneenosiin on äärimmäisen tärkeä: miten hyvin laboratoriotesteistä saatu data kykenee ennustamaan suorituskykyä todellisissa käyttötilanteissa? Yleisellä tasolla voidaan todeta, että mitä suurempi on väsymiskuormituksen alainen komponentti, sen alhaisempi sen väsymislujuus on. Tämä ns. kokoefekti voidaan jakaa kolmeen osakomponenttiin: tilastollinen, geometrinen ja teknologinen kokoefekti. Näistä ensimmäinen eli tilastollinen kokoefekti liittyy todennäköisyyteen, jolla suuremmassa materiaalitilavuudessa on väsymismurtuman synnyn ja kasvun kannalta kriittinen materiaalivika. Geometrinen kokoefekti puolestaan syntyy siitä, että suuremmassa komponentissa geometristen tekijöiden kuten reikien, terävien kulmien ja kiinnikkeiden synnyttämät jännityskentät ovat voimakkuudeltaan ja vaikutusalaltaan suurempia. Nämä kaksi kokoefektin
komponenttia ovat suhteellisen hyvin tunnettuja ja niiden huomioonottamiseksi on kehitetty työkaluja. Kolmas kokoefektin komponentti liittyy siihen, että komponentin koon kasvaessa myös sen valmistusmenetelmät ja niiden tuottama mikrorakenne sekä siitä johdettavissa olevat ominaisuudet muuttuvat. Tästä syystä pienen mittakaavan koesauvoilla tehtyjen väsytyskokeiden tulokset eivät välttämättä vastaa todellisen komponentin väsymisominaisuuksia ja suuremmilla koekappaleilla tehdyt väsytyskokeet tulevat tarpeellisiksi. Matti Isakov esitteli Tampereen yliopistossa rakennetun suuren mittakaavan väsymiskoelaitteiston, jolla pystytään tutkimaan väsymisen kokoefektin kaikkia kolmea osa-aluetta. Laitteistolla voidaan testata maksimihalkaisijaltaan 32 mm ja koepituudeltaan 100 mm olevia koesauvoja nelipistetaivutuksena toteutetulla kiertotaivutuskuormituksella (kuva 1). Tämän mittakaavan koesauvat pystytään valmistamaan realistisemmin todellisia komponentteja vastaavilla menetelmillä. Koesauvaan kohdistuva jännitysamplitudi on maksimissaan ±1000 N/mm2. Rasitustaajuus on suurimmillaan 48 Hz, joka merkitsee noin 4,15 miljoonaa kuormitussykliä vuorokaudessa. Laite on varustettu automatiikalla, joka pysäyttää testin koesauvan murtuessa, joten testiä voidaan ajaa valvomattomana ympäri vuorokauden. Suuria koekappaleita testattaessa on huomioon otettava myös se, että koesauvojen valmistaminen täysin virheettöminä MATERIA 3/2022
43
>
