Pinnankarheuden vaikutus koneenosien väsymiskestävyyteen

Abstract

Väsymismurtuma on yksi merkittävimmistä metallisten komponenttien vaurioon johtavista tekijöistä. Koska väsymisvauriot alkavat pääsääntöisesti kappaleen pinnalta, valmistusmenetelmän tuottama pinnanlaatu on keskeisessä asemassa kappaleen käyttöiän määrittämisessä. Teollisuudessa yleisesti käytetty pinnankarheuden keskiarvoparametri Ra voi olla riittämätön määrittämään koneenosien väsymiskestävyyttä.

Tämän kandidaatintyön tavoitteena on tarkastella kirjallisuuskatsauksen avulla pinnankarheuden vaikutusta metallisten koneenosien väsymiskestävyyteen. Työssä tutkitaan pinnankarheuden roolia jännityskeskittymänä sekä arvioidaan keskeisten pinnankarheusparametrien kykyä määrittää eri materiaalien väsymislujuutta. Teoriakappaleessa ymmärrys väsymisestä ja pinnankarheudesta luodaan alan perusteosten ja tieteellisten artikkelien avulla. Teorian jälkeen aineisto perustuu tutkimuspohjaisiin artikkeleihin, joissa keskitytään kokeellisiin tuloksiin ja havaintoihin pinnankarheuden vaikutusmekanismeista.

Pinnankarheuden havaittiin vaikuttavan heikentävästi metallisten materiaalien väsymiskestävyyteen. Pinnankarheutta voidaan mallintaa loveina, jotka toimivat jännityskeskittyminä, ja vaihtelevan jännityksen seurauksena väsymismurtumat ydintyvät juuri näiden lovien pohjalle. Tulokset vahvistivat, että teollisuudessa käytettävä keskiarvoparametri Ra aliarvioi väsymiselle kriittisen pinnankarheusprofiilin kokonaiskorkeutta. Tällöin esimerkiksi suurina jännityskeskittyminä toimivat syvät naarmut jäivät keskiarvon peittoon. Profiilin korkeusjakaumaa kuvaavien pinnankarheusparametrien, kuten huipukkuuden Rku ja vinouden Rsk huomattiin vaikuttavan materiaalin väsymiskestävyyteen.

Työssä arvioitiin pinnankarheusparametrien kykyä määrittää väsymislujuutta eri materiaaleille. Ääriarvoparametrien eli pinnankarheusprofiilin kokonaiskorkeutta mittaavien parametrien huomattiin korreloivan väsymislujuuden kanssa parhaiten teräksellä. Alumiiniseoksilla keskiarvoparametrien huomattiin yllättävästi korreloivan hieman paremmin kuin ääriarvoparametrit. Nykytutkimus on keskittynyt suurelta osin titaanin ja 3D-tulostettujen osien analysointiin. Hybridiparametrien huomattiin korreloivan väsymislujuuden kanssa huomattavasti paremmin kuin pelkästään yksittäisten parametrien. Tämä selittyy sillä, että hybridiparametrit ottavat huomioon pinnankarheuden amplitudin lisäksi myös profiilin huipukkuuden eli terävyyden. Pinnankarheusparametrien vaikutuksesta materiaalien väsymislujuuteen on saatavilla rajallinen määrä tutkimustietoa, joten parametrisuosituksiin tulee suhtautua varauksella. Eri materiaaleihin ja pinnankarheusparametreihin keskittyvän tutkimuksen lisäksi tarvittaisiin systemaattisempaa väsymisdataa, kuten toistotestejä ja kokeita vaihtelevilla kuormituksilla, jotta voitaisiin tehdä luotettavampia johtopäätöksiä.