Fatigue of thermally cut edges on high strenght steels
Lipiäinen, Kalle (2019)
Diplomityö
Lipiäinen, Kalle
2019
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2019072623198
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2019072623198
Tiivistelmä
Importance of thermally cut edges fatigue have increased along use of advanced materials and improved welding technology. 4R method for fatigue estimation was used in this thesis for thermally cut edges. Residual stresses were measured from specimens before loading. Fatigue testing for CO2 laser, fiber laser and plasma cut edges on S690QL steel and for fiber laser cut S1100 Plus. Fatigue test results were analyzed with FAT classes.
Metallurgy and fracture surface examination was done for all four test series. Fatigue crack initiation site was researched and reasons for fatigue characteristics were researched with SEM and optical profilometer. Elemental analysis for laser cut edges were done with EDS-detector and changes close to cut edge was found when oxygen was present at cutting. Thermal cutting also affected microstructure and hardness differently compared to welding
Previous fatigue estimation methods were compared, and 4R method was developed for thermally cut edges. Parameters for both design phase and existing structure were proposed and tested but further measurements and development is still needed for method verification.
In this thesis correlation between surface profile, residual stress state and local material properties were found. Alongside fracture initiation point and fatigue performance affecting parameter research also method for fatigue performance improvement were developed. Termisesti leikattujen reunojen väsyminen on tullut tärkeämmäksi kehittyneiden materiaalien ja hitsaustekniikan takia. Tässä työssä hyödynnettiin 4R-menetelmää leikattujen reunojen väsymiskestävyyden määrittämiseen. Tutkimuksessa mitattiin jäännösjännityksiä ennen koesauvojen kuormittamista ja tehtiin väsytystestejä CO2 laser, kuitulaser ja plasma leikatuille reunoille S690QL-teräksellä. Kuitulaser leikattuja S1100 Plus teräksisiä koesauvoja väsytettiin vertailukohdaksi. Koetuloksista laskettiin FAT-arvot kaikille tuloksille ja jokaiselle koesarjalle erikseen.
Jokaiselle neljälle koesarjalle tehtiin metallurgia- ja murtopintatarkastelu. Särön ydintymiskohta eri koesauvoille tutkittiin pyyhkäisyelektronimikroskoopilla ja optisella profilometrillä. Laser leikatuille koesauvoille tehtiin alkuaineanalyysi ja löydettiin hapen aiheuttamia muutoksia alkuainekoostumuksessa. Terminen leikkaus vaikutti teräksen mikrorakenteeseen eri tavalla kuin hitsaus.
Olemassa olevia väsymisennusteita vertailtiin leikattujen reunojen väsymistarkastelussa. 4R-menetelmää kehitettiin leikatuille reunoille. 4R-menetelmälle ehdotettiin parametreja sekä suunnitteluvaiheessa että olemassa olevan rakenteen väsymistarkasteluun, mutta itse menetelmä ja siihen liittyvät parametrit vaativat vielä lisätutkimusta.
Tässä tutkimuksessa löydettiin yhteys pinnanlaadun lovivaikutuksen, jäännösjännitystilan ja paikallisten materiaaliominaisuuksien välillä. Leikattujen reunojen väsymiseen vaikuttavien tekijöiden tutkimisen lisäksi tutkittiin leikatun reunan väsymiskestävyyden parantamista.
Metallurgy and fracture surface examination was done for all four test series. Fatigue crack initiation site was researched and reasons for fatigue characteristics were researched with SEM and optical profilometer. Elemental analysis for laser cut edges were done with EDS-detector and changes close to cut edge was found when oxygen was present at cutting. Thermal cutting also affected microstructure and hardness differently compared to welding
Previous fatigue estimation methods were compared, and 4R method was developed for thermally cut edges. Parameters for both design phase and existing structure were proposed and tested but further measurements and development is still needed for method verification.
In this thesis correlation between surface profile, residual stress state and local material properties were found. Alongside fracture initiation point and fatigue performance affecting parameter research also method for fatigue performance improvement were developed.
Jokaiselle neljälle koesarjalle tehtiin metallurgia- ja murtopintatarkastelu. Särön ydintymiskohta eri koesauvoille tutkittiin pyyhkäisyelektronimikroskoopilla ja optisella profilometrillä. Laser leikatuille koesauvoille tehtiin alkuaineanalyysi ja löydettiin hapen aiheuttamia muutoksia alkuainekoostumuksessa. Terminen leikkaus vaikutti teräksen mikrorakenteeseen eri tavalla kuin hitsaus.
Olemassa olevia väsymisennusteita vertailtiin leikattujen reunojen väsymistarkastelussa. 4R-menetelmää kehitettiin leikatuille reunoille. 4R-menetelmälle ehdotettiin parametreja sekä suunnitteluvaiheessa että olemassa olevan rakenteen väsymistarkasteluun, mutta itse menetelmä ja siihen liittyvät parametrit vaativat vielä lisätutkimusta.
Tässä tutkimuksessa löydettiin yhteys pinnanlaadun lovivaikutuksen, jäännösjännitystilan ja paikallisten materiaaliominaisuuksien välillä. Leikattujen reunojen väsymiseen vaikuttavien tekijöiden tutkimisen lisäksi tutkittiin leikatun reunan väsymiskestävyyden parantamista.