Valuterästen väsymislujuuden määritys porraskokeella
Adolfsson, Mira (2022)
2022
Materiaalitekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Materials Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. Only for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2022-11-16
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202211168413
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202211168413
Tiivistelmä
Tämän diplomityön tilaajana oli Metso Outotec Oy ja työn tavoitteena oli määrittää kahden murskaimissa käytetyn valuteräksen väsymislujuus ja sen keskihajonta sekä karakterisoida murtumien ydintäjät. Tarkoituksena oli myös tutkia alumiininitridin jakautumista ydintäjissä, määrittää mikrosuotaumien koostumus ja löytää virhekoosta riippuva korrelaatio syklimäärän ja jännitysintensiteettikertoimen vaihteluvälin välille.
Väsymislujuutta testattiin porraskoemenetelmällä kiertotaivutuslaitteistolla ja aksiaalisella veto-puristuslaitteistolla. Tutkittavat valuteräkset olivat G20Mn5 ja G10MnMoV6-3. Molemmista ajettiin kaksi sarjaa kiertotaivutuslaitteistolla ja G20Mn5-teräksestä myös yksi pienempi sarja aksiaalisella veto-puristustestilaitteella. Testituloksiin sovitettiin normaalijakauma sekä Dixonin & Moodin että Rabbin menetelmillä ja laskettiin jokaiselle sarjalle väsymislujuuden otoskeskiarvo ja otoskeskihajonta. Ydintäjät karakterisoitiin stereomikroskoopilla ja pyyhkäisyelektronimikroskoopilla (SEM) ja niiden pinta-alojen avulla laskettiin jännitysintensiteettikertoimen vaihteluvälin arvot. Alumiininitridin jakautumista ydintäjässä ja suotaumien koostumusta tutkittiin energiadispersiivisellä röntgenspektroskoopilla (EDS). Kymmenestä G20Mn5-näytteestä mitattiin myös pinnankarheus profilometrillä ja kymmenestä G10MnMoV6-3-näytteestä jäännösjännityksiä röntgendiffraktometrillä (XRD). G20Mn5-teräksen kaikki mitatut sauvat täyttivät ISO 1143 standardin vaatimukset Ra-arvosta. G10MnMoV6-3-teräksestä mitatut jäännösjännitykset olivat kaikissa sauvoissa puristavia.
Kummallekin teräkselle saatiin laskettua väsymislujuuden otoskeskiarvo ja otoskeskihajonta. Väsymismurtumien ydintäjänä kaikissa sarjoissa oli kutistumishuokoisuus. G10MnMoV6-3-teräksen ensimmäisestä sarjasta löytyi mangaanisulfidisuotaumia kutistumishuokoisuuden lomasta ja sen läheltä. G20Mn5-teräksen toisesta kiertotaivutustestisarjasta taas löytyi alumiininitridikalvoja pääosin jäännösmurtumavyöhykkeeltä. Sarjan samasta materiaalista ajetuissa aksiaalisissa veto-puristustesteissä alumiininitridikalvoja oli jäännösmurtumavyöhykkeen lisäksi myös ydintäjissä ja väsymisvyöhykkeellä. Tämä saattaa indikoida, että AlN-kalvojen vaikutus väsymismurtumaan on riippuvainen keskijännityksestä. Alumiininitridin levinneisyyttä tutkittaessa huomattiin, että se näyttäisi kerääntyvän dendriitteihin, vaikka sen pitäisi kirjallisuuden mukaan kerääntyä aikaisempien austeniittikiteiden raerajoille.
Jännitysintensiteettikertoimen vaihteluvälin ja syklimäärän välille löytyi korrelaatio molempien teräksien pintavirheille. G20Mn5-teräksen kiertotaivutustestisarjojen pintavirheet jaettiin √area-kokonsa perusteella yli tai yhtä suuriin kuin 0,54 mm ja alle 0,53 mm. G10MnMoV6-3-teräksen pintavirheet jaettiin yli tai yhtä suuriin kuin 0,32 mm ja alle 0,31 mm. G20Mn5-teräksen aksiaalisen veto-puristustestisarjan vain alle 0,95 mm pintavirheille löydettiin korrelaatio.
Väsymislujuutta testattiin porraskoemenetelmällä kiertotaivutuslaitteistolla ja aksiaalisella veto-puristuslaitteistolla. Tutkittavat valuteräkset olivat G20Mn5 ja G10MnMoV6-3. Molemmista ajettiin kaksi sarjaa kiertotaivutuslaitteistolla ja G20Mn5-teräksestä myös yksi pienempi sarja aksiaalisella veto-puristustestilaitteella. Testituloksiin sovitettiin normaalijakauma sekä Dixonin & Moodin että Rabbin menetelmillä ja laskettiin jokaiselle sarjalle väsymislujuuden otoskeskiarvo ja otoskeskihajonta. Ydintäjät karakterisoitiin stereomikroskoopilla ja pyyhkäisyelektronimikroskoopilla (SEM) ja niiden pinta-alojen avulla laskettiin jännitysintensiteettikertoimen vaihteluvälin arvot. Alumiininitridin jakautumista ydintäjässä ja suotaumien koostumusta tutkittiin energiadispersiivisellä röntgenspektroskoopilla (EDS). Kymmenestä G20Mn5-näytteestä mitattiin myös pinnankarheus profilometrillä ja kymmenestä G10MnMoV6-3-näytteestä jäännösjännityksiä röntgendiffraktometrillä (XRD). G20Mn5-teräksen kaikki mitatut sauvat täyttivät ISO 1143 standardin vaatimukset Ra-arvosta. G10MnMoV6-3-teräksestä mitatut jäännösjännitykset olivat kaikissa sauvoissa puristavia.
Kummallekin teräkselle saatiin laskettua väsymislujuuden otoskeskiarvo ja otoskeskihajonta. Väsymismurtumien ydintäjänä kaikissa sarjoissa oli kutistumishuokoisuus. G10MnMoV6-3-teräksen ensimmäisestä sarjasta löytyi mangaanisulfidisuotaumia kutistumishuokoisuuden lomasta ja sen läheltä. G20Mn5-teräksen toisesta kiertotaivutustestisarjasta taas löytyi alumiininitridikalvoja pääosin jäännösmurtumavyöhykkeeltä. Sarjan samasta materiaalista ajetuissa aksiaalisissa veto-puristustesteissä alumiininitridikalvoja oli jäännösmurtumavyöhykkeen lisäksi myös ydintäjissä ja väsymisvyöhykkeellä. Tämä saattaa indikoida, että AlN-kalvojen vaikutus väsymismurtumaan on riippuvainen keskijännityksestä. Alumiininitridin levinneisyyttä tutkittaessa huomattiin, että se näyttäisi kerääntyvän dendriitteihin, vaikka sen pitäisi kirjallisuuden mukaan kerääntyä aikaisempien austeniittikiteiden raerajoille.
Jännitysintensiteettikertoimen vaihteluvälin ja syklimäärän välille löytyi korrelaatio molempien teräksien pintavirheille. G20Mn5-teräksen kiertotaivutustestisarjojen pintavirheet jaettiin √area-kokonsa perusteella yli tai yhtä suuriin kuin 0,54 mm ja alle 0,53 mm. G10MnMoV6-3-teräksen pintavirheet jaettiin yli tai yhtä suuriin kuin 0,32 mm ja alle 0,31 mm. G20Mn5-teräksen aksiaalisen veto-puristustestisarjan vain alle 0,95 mm pintavirheille löydettiin korrelaatio.