The effect of stress concentration on the ultimate capacity of welded joints made of ultra-high strength steel
Peltoniemi, Teemu (2016)
Diplomityö
Peltoniemi, Teemu
2016
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2016121631599
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2016121631599
Tiivistelmä
In this thesis, ductile and brittle fracture capacities of welded joints made of ultra-high strength steel S960 are examined. The effect of improved design on the ultimate capacity is also studied. Nowadays the main emphasis of studies related to ultra-high strength steel is on fatigue, but also the ultimate static capacity and the softening effect caused by welding are important areas of interest.
The examined joint types in this thesis are butt weld joint, transverse attachment, and arrow plate joint. The joints are studied by utilizing FE-analysis, and also experimental tests. In ductile fracture assessment, finite element software Abaqus is used, and the joints are analyzed by using 3D solid elements. The geometries of the joints were varied, and for each model, the maximum deformation and load capacities were defined. In brittle fracture assessment, Abaqus/XFEM software was used in order to define stress intensity factors at the weld toe.
Ductile fracture assessment showed, that the joint geometry and the width of the heat affected zone are the most influential parameters on the ultimate capacity and the fracture mode of the joint. If the joint geometry is sufficiently rigid, that is, high local notch effect and high deformation constraint, the failure occurs only at the base material, thus, the deformation and load capacity is better than in situation, where the fracture occurs at heat affected zone. When the width of the heat affected zone exceeds the specific limit, even rigid joint geometry cannot force the fracture to from heat affected zone to the base material, hence, the ultimate load and deformation capacities decrease. Brittle fracture assessment indicates that stress intensity factors at weld toe can be obtained by means of notch stress concentration factors. And the brittle fracture tendency of the joint can be estimated based on the stress intensity factors. Tässä diplomityössä tarkastellaan suurlujuusteräksestä S960 tehtyjen hitsausliitoksien sitkeä- ja haurasmurtuma-alttiutta ja miten suunnittelulla voidaan parantaa liitoksien kestävyyttä. Nykyään suuri osa suurlujuusteräksen tutkimuksesta käsittelee väsymistä, mutta sen ohella myös liitoksien staattinen kestävyys ja hitsauksen aiheuttama perusaineen pehmeneminen ovat tärkeitä tutkimuskohteita.
Työssä tutkitut liitostyypit ovat päittäisliitos, poikittainen ripa, sekä nuolilevyliitos. Liitoksia tutkittiin hyödyntämällä FE-analyysiä, sekä kokeellisia tutkimuksia. Sitkeän murtuman tarkastelussa käytettiin Abaqus-elementtimenetelmäohjelmistoa, ja liitokset analysoitiin 3D-solidielementeillä. Liitoksien geometriaa varioitiin ja eri variaatioden muodonmuutos- sekä kuormituskapasiteetti määritettiin. Haurasmurtuman tarkastelussa hyödynnettiin Abaqus/XFEM-ohjelmistoa, jonka avulla määritettiin hitsin rajaviivalla olevan säröjen jännitys-intensiteettikertoimia.
Sitkeän murtuman tarkastelu osoitti, että liitosgeometria yhdessä hitsin lämpövyöhykkeen leveyden kanssa vaikuttavat suuresti liitoksen kestävyyteen ja vauriomuotoon. Mikäli liitosgeometria on riittävän jäykkä, toisin sanoen paikallinen lovivaikutus ja muodonmuutoksen estokyky ovat merkittäviä, ja vaurio tapahtuu vain perusaineessa, jolloin liitoksella on parempi voima- ja muodonmuutoskapasiteetti kuin tilanteessa, jossa liitos murtuu lämpövyöhykkeeltä. Lämpövyöhykkeen leveyden kasvaessa tietyn rajan yli, edes jäykkä liitosgeometria ei voi siirtää vauriota lämpövyöhykkeeltä perusaineeseen, ja liitoksen äärikestävyys heikkenee. Haurasmurtumakestävyyttä tarkastellessa havaittiin, että tehollisen lovijännityksen avulla voidaan määrittää jännitysintensiteettikerroin hitsin rajaviivalla, minkä avulla voidaan arvioida, onko materiaalin sitkeys riittävää, ja onko mahdollinen murtuma sitkeä vai hauras.
The examined joint types in this thesis are butt weld joint, transverse attachment, and arrow plate joint. The joints are studied by utilizing FE-analysis, and also experimental tests. In ductile fracture assessment, finite element software Abaqus is used, and the joints are analyzed by using 3D solid elements. The geometries of the joints were varied, and for each model, the maximum deformation and load capacities were defined. In brittle fracture assessment, Abaqus/XFEM software was used in order to define stress intensity factors at the weld toe.
Ductile fracture assessment showed, that the joint geometry and the width of the heat affected zone are the most influential parameters on the ultimate capacity and the fracture mode of the joint. If the joint geometry is sufficiently rigid, that is, high local notch effect and high deformation constraint, the failure occurs only at the base material, thus, the deformation and load capacity is better than in situation, where the fracture occurs at heat affected zone. When the width of the heat affected zone exceeds the specific limit, even rigid joint geometry cannot force the fracture to from heat affected zone to the base material, hence, the ultimate load and deformation capacities decrease. Brittle fracture assessment indicates that stress intensity factors at weld toe can be obtained by means of notch stress concentration factors. And the brittle fracture tendency of the joint can be estimated based on the stress intensity factors.
Työssä tutkitut liitostyypit ovat päittäisliitos, poikittainen ripa, sekä nuolilevyliitos. Liitoksia tutkittiin hyödyntämällä FE-analyysiä, sekä kokeellisia tutkimuksia. Sitkeän murtuman tarkastelussa käytettiin Abaqus-elementtimenetelmäohjelmistoa, ja liitokset analysoitiin 3D-solidielementeillä. Liitoksien geometriaa varioitiin ja eri variaatioden muodonmuutos- sekä kuormituskapasiteetti määritettiin. Haurasmurtuman tarkastelussa hyödynnettiin Abaqus/XFEM-ohjelmistoa, jonka avulla määritettiin hitsin rajaviivalla olevan säröjen jännitys-intensiteettikertoimia.
Sitkeän murtuman tarkastelu osoitti, että liitosgeometria yhdessä hitsin lämpövyöhykkeen leveyden kanssa vaikuttavat suuresti liitoksen kestävyyteen ja vauriomuotoon. Mikäli liitosgeometria on riittävän jäykkä, toisin sanoen paikallinen lovivaikutus ja muodonmuutoksen estokyky ovat merkittäviä, ja vaurio tapahtuu vain perusaineessa, jolloin liitoksella on parempi voima- ja muodonmuutoskapasiteetti kuin tilanteessa, jossa liitos murtuu lämpövyöhykkeeltä. Lämpövyöhykkeen leveyden kasvaessa tietyn rajan yli, edes jäykkä liitosgeometria ei voi siirtää vauriota lämpövyöhykkeeltä perusaineeseen, ja liitoksen äärikestävyys heikkenee. Haurasmurtumakestävyyttä tarkastellessa havaittiin, että tehollisen lovijännityksen avulla voidaan määrittää jännitysintensiteettikerroin hitsin rajaviivalla, minkä avulla voidaan arvioida, onko materiaalin sitkeys riittävää, ja onko mahdollinen murtuma sitkeä vai hauras.