Race for Failure : Rendering fatigue as a competition between defects

Abstract

Metallin väsyminen on ihmiskuntaa pitkään piinannut ongelma. Väsymisen vuoksi koneet ja rakenteet pettävät ennenaikaisesti, mikä johtaa merkittäviin taloudellisiin ja ympäristöllisiin haittoihin. Väsymisen teoriaa on kehitetty jo yli 150 vuotta, tavoitteena ennaltaehkäistä tapaturmia. Nykyaikainen, paljolti lyhyen särön murtumismekaniikkaan pohjautuva, väsymisen teoria määrällistää valmistusketjusta juontuvat viat sekä niiden väsymiseen altistavan vaikutuksen. Tässä väitöskirjassa tätä teoreettista viitekehystä pyritään edistämään eritoten tapahtumien todennäköisyyksien määrällistämisen näkökulmasta.

Työn päämäärä on tuottaa käyttökelpoisia ja laaja-alaisesti päteviä menetelmiä väsymisen ennustamiseksi. Tätä päämäärää tavoitellaan ensisijaisesti parantamalla havaintoja tuottavan prosessin ymmärrystä koeaineistoja analysoimalla. Toissijaisesti tämän ymmärryksen pohjalta on määrä johtaa malleja, jotka pohjautuvat stokastisiin prosesseihin pyrkien jäljittelemään taustalla olevaa fysiikkaa. Yksi päätavoitteista on tarkastella uudelleen kriittisesti vikapohjaisen väsymisen perusteita: särön ydintymistä ja pysähtymistä. Sen lisäksi on määrä saavuttaa laaja-alaisempi ymmärrys vaurioon johtaneista vioista sekä niiden syy-seuraussuhteiden tulkinnasta – huomioiden vikojen keskinäinen kilpailu. Lisäksi tavoitteena on näiden konseptien soveltaminen pallografiittivaluraudan väsymisen analysointiin.

Tutkimuksessa käytettiin Bayesilaista päättelyä epävarmuuden määrällistämiseen sekä stokastisten prosessien analysointia mallien johtamiseen. Tähän väitöskirjaan kuuluvat tutkimusartikkelit sisältävät myös runsaasti kokeellista aineistoa useille koneenrakennusmateriaaleille. Valittu, todennäköisyyteen pohjautuva, lähestymistapa on tehokas mutta tutkimusalalla vähän käytetty.

Eräs päälöydöksistä on väsymisen kuvaaminen onnistuneesti vikojen välisenä kilpailuna, jossa se vika, joka omaa kokonaisuudessaan nopeimman särön ydintyminen ja kasvun, voittaa. Väitöskirjaan kuuluvat artikkelit voidaankin katsoa tätä kilpailua eri näkökulmista tarkastelevina tutkimuksina. Särön ydintyminen on edellytys vialle kilpailuun osallistumiseen mutta särön pysähtyessä kyseisen vian kilpailu keskeytyy. Kilpailun voittaja löydetään kappaleiden murtopinnalta – se vika, josta kasvoi johtava särö. Yleisesti havaittiin, että murtopinnalta löytyneiden vikojen jakauma ei ole yhtäpitävä suurimpien vikojen jakauman kanssa. Lisäksi havaittiin, että terävä vaikkakin pieni vika voi olla vaarallisempi kuin suurempi tylppä vastaava. Työssä osoitettiin kuinka hyödyntää kaikkea tätä tietoa vikakokojakauman päättelyssä väsytyskoenäytteiden murtopinnoilta. Särön ydintymisen ja pysähtymisen erittely osoittautui oleelliseksi eheän kokonaiskuvan muodostumisen kannalta.

Tämä väitöskirja toisaalta tuottaa laajemman yhteensopivuuden vikapohjaisen väsymisteorian sisällä, mutta toisaalta tarjoaa myös keinon silloittaa viitekehystä aikaisemmin tutkittuun loviväsymiseen sekä materiaalitieteisiin. Ensinnäkin loviväsymisen konseptien osoitettiin pätevän myös vikojen kohdalla niiden särön ydintymisvastuksen arvioimiseen ja toiseksi, mikrorakenteellisten esteiden voitiin osoittaa ratkaisevan eräitä poikkeamia vikapohjaisen väsymisen teoreettisessa viitekehyksessä. Lopuksi, tutkimuksen voidaan nähdä luovan vankan perustan murtumismekaanisten loviväsymismenetelmien käyttöönottamiseksi vikojen läsnäollessa – myös sovellusten tasolla.

Fatigue of metallic materials is a long-standing issue. It causes machines and structures to fail prematurely, resulting in economic and environmental losses. To prevent fatigue failures, the theory of fatigue has been developed over 150 years. Modern fatigue theory quantifies the defects arising from the manufacturing chain and acknowledges their effect on fatigue properties – founded largely on fracture mechanics of short fatigue cracks. In this thesis, this theoretical framework is advanced, especially from a probabilistic point of view.

The aim is to provide robust and transferable methods by first improving the understanding of the underlying physics via analysis of the experimental results and, second, by deriving models capable of emulating it based on stochastic processes. One of the main objectives is to revisit critically the fundamentals of defect-based fatigue: crack initiation and non-propagation. Another objective is then to provide a more complete understanding of the fracture surface observations by considering the competition of defects. The last objective is to apply these concepts in the analysis of the fatigue behavior of nodular cast iron.

To accomplish these objectives, Bayesian inference was employed to capture uncertainty, and analysis of stochastic processes was used to derive the models. The articles comprising the thesis also present plenty of experimental results for various engineering materials. The chosen probabilistic approach, although effective, is not commonly used in the field.

The main finding is that fatigue can be rendered as a competition of defects, where the fastest combined crack initiation and growth wins. The articles comprising the thesis can be viewed to study different aspects of this competition. Crack initiation is the pre-requisite for a defect to participate in the competition, and crack non- propagation disqualifies the competitor. The winner of the competition is found from the fracture surface – the defect from which the leading crack grew. Generally, it was noted that the distribution of the most critical defect sizes does not coincide with that of the largest. Additionally, it was found that a sharp, although small, defect can be more severe than a larger blunt one. It was shown how to use all this information to more effectively infer the defect size distributions from fatigue test fracture surfaces. The distinction between crack initiation and non-propagation was seen as pivotal in bringing forth a greater understanding of defect-initiated fatigue as a whole.

This thesis, on the one hand, provides higher compliance within the defect-based fatigue framework and, on the other hand, offers a way to bridge the framework to previously studied notch fatigue and the field of material science. Firstly, concepts of notch fatigue were found to be useful for the analysis of crack initiation for defects. Secondly, the microstructural barriers were successfully employed in resolving some of the anomalies within the theoretical framework. Furthermore, the research lays the foundation for adopting fracture mechanics-based notch fatigue analysis in the presence of defects on an operative level.