Lämpötilamuutosten vaikutukset metallien liimaliitoksiin

Diplomityön tavoitteena oli tutkia lämpötilan ja sen muutosten vaikutusta kahden metallin tai metallin ja magneetin väliseen liimaliitokseen. Tutkimuksen päätavoitteena oli tutkia magneettien liimaukseen käytetyn akryyliliiman lujuutta lämpösyklitysten jälkeen ja eri käyttölämpötilojen seurauksena. Teoriaosassa on käsitelty erilaisia liimauksen toteutukseen ja liimaliitoksen lujuuteen vaikuttavia tekijöitä. Erilaiset metallien liimaukseen soveltuvat liimatyypit ja niiden tarttumiseen liittyvät tekijät, kuten esikäsittelyt on myös käyty läpi teoriaosassa. Myös liiman- ja liimatyypin valintaa koskevia periaatteita ja tekniikoita on käsitelty. Käytännön osassa on esitelty koejärjestelyt sekä tutkittavat materiaalit ja niille suoritetut esikäsittelyt. Käytännön kokeissa suoritettavissa liimaliitoksissa käytettiin akryyli- ja silikoniliimoja, joille suoritettiin erilaisia vetokokeita. Akryyliliimalla liimatuille liitoksille suoritettiin myös lämpösyklityksiä, joita vertailtiin käsittelemättömiin liitoksiin. Magneettien ja metallien välisten liitosten lujuuden lisäksi liimalta saavutettavia lujuuksia arvioitiin rakenneterästen välisen liimaliitoksen sisältävillä vetosauvoilla. Suoritettujen kokeiden perusteella havaittiin lämpötilan vaikuttavan radikaalisesti liimaliitosten lujuuteen. Magneettien liimaliitoksilla saavutettiin käytännön sovellukseen riittävän suuria leikkauslujuuden arvoja vain huoneenlämpötilassa vedettäessä. Lämpösyklitysten todettiin myös heikentävän liitosta selvästi. Silikoniliiman lujuus oli alle sovelluskohteessa vaikuttavien voimien optimaalisissakin olosuhteissa. Metallien välisten liimaliitosten lujuuden todettiin heikentyvän nopeasti kasvatettaessa vetokokeissa käytettyä lämpötilaa. Liitoksen heikkenemistä havaittiin myös lämpötilaa laskettaessa.

Fatigue Analysis of Welded Cruciform Joints with Cold Laps

Työssä on tutkittu vetojännityskuormituksen alaisena olevien hitsattujen kuormaa kantamattomien X-liitosten hitsin paikallisen geometrian variaation vaikutusta väsymislujuuteen. Muuttujina olivat reunan pyöristyssäde, kylmäjuoksun suuruus ja kylkikulma. Geometristen muuttujien parametrinen riippuvuussuhde on analysoitu usealla elementtimallilla. Väsymistarkastelu on suoritettu käyttämällä lineaaris-elastista murtumismekaniikkaa (LEFM) tasovenymätilassa ja materiaalina terästä. Särönkasvun suunnan ennustamisessaon käytetty maksimipääjännityskriteeriä sekä jännitysintensiteettikertoimet on määritetty J-integraalilla. Särön ydintymisvaihetta ei ole otettu huomioon. Rakenteen on oletettu olevan hitsatussa tilassa ja jännitysheilahdus on kokonaan tehollinen. Särön kasvunopeuden ennustamiseen on käytetty Paris'n lakia. Väsymislujuustulokset on esitetty karakteristisina väsymisluokkina (FAT) ja sovitettu parametriseksi yhtälöksi. Lopuksi väsymisanalyysin ennustamia tuloksia on verrattu saatavilla oleviin väsytystestituloksiin.

Multivariable regression analysis and hot-spot stress approach into fatigue life estimations of welded joints

Kolmen eri hitsausliitoksen väsymisikä arvio on analysoitu monimuuttuja regressio analyysin avulla. Regression perustana on laaja S-N tietokanta joka on kerätty kirjallisuudesta. Tarkastellut liitokset ovat tasalevy liitos, krusiformi liitos ja pitkittäisripa levyssä. Muuttujina ovat jännitysvaihtelu, kuormitetun levyn paksuus ja kuormitus tapa. Paksuus effekti on käsitelty uudelleen kaikkia kolmea liitosta ajatellen. Uudelleen käsittelyn avulla on varmistettu paksuus effektin olemassa olo ennen monimuuttuja regressioon siirtymistä. Lineaariset väsymisikä yhtalöt on ajettu kolmelle hitsausliitokselle ottaen huomioon kuormitetun levyn paksuus sekä kuormitus tapa. Väsymisikä yhtalöitä on verrattu ja keskusteltu testitulosten valossa, jotka on kerätty kirjallisuudesta. Neljä tutkimustaon tehty kerättyjen väsymistestien joukosta ja erilaisia väsymisikä arvio metodeja on käytetty väsymisiän arviointiin. Tuloksia on tarkasteltu ja niistä keskusteltu oikeiden testien valossa. Tutkimuksissa on katsottu 2mm ja 6mm symmetristäpitkittäisripaa levyssä, 12.7mm epäsymmetristä pitkittäisripaa, 38mm symmetristä pitkittäisripaa vääntökuormituksessa ja 25mm/38mm kuorman kantavaa krusiformi liitosta vääntökuormituksessa. Mallinnus on tehty niin lähelle testi liitosta kuin mahdollista. Väsymisikä arviointi metodit sisältävät hot-spot metodin jossa hot-spot jännitys on laskettu kahta lineaarista ja epälineaarista ekstrapolointiakäyttäen sekä paksuuden läpi integrointia käyttäen. Lovijännitys ja murtumismekaniikka metodeja on käytetty krusiformi liitosta laskiessa.

An Assessment ofFatigue Strength of Load Carrying Welded Joints with Lack of Penetration

On yleisesti tiedossa, että väsyttävän kuormituksen alaisena olevat hitsatut rakenteet rikkoutuvat juuri hitsausliitoksista. Täyden tunkeuman hitsausliitoksia sisältävien rakenteiden asiantunteva suunnittelu janykyaikaiset valmistusmenetelmät ovat lähes eliminoineet väsymisvauriot hitsatuissa rakenteissa. Väsymislujuuden parantaminen tiukalla täyden tunkeuman vaatimuksella on kuitenkin epätaloudellinen ratkaisu. Täyden tunkeuman hitsausliitoksille asetettavien laatuvaatimuksien on määriteltävä selkeät tarkastusohjeet ja hylkäämisperusteet. Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia geometristen muuttujien vaikutusta kuormaa kantavien hitsausliitosten väsymislujuuteen. Huomio kiinnitettiin pääasiassa suunnittelumuuttujiin, joilla on vaikutusta väsymisvaurioiden syntymiseen hitsauksen juuren puolella. Nykyiset määräykset ja standardit, jotka perustuvat kokeellisiin tuloksiin; antavat melko yleisiä ohjeita hitsausliitosten väsymismitoituksesta. Tämän vuoksi muodostettiin kokonaan uudet parametriset yhtälöt sallitun nimellisen jännityksen kynnysarvon vaihteluvälin, ¿¿th, laskemiseksi, jotta vältettäisiin hitsausliitosten juuren puoleiset väsymisvauriot. Lisäksi, jokaiselle liitostyypille laskettiin hitsin juuren puolen väsymisluokat (FAT), joita verrattiin olemassa olevilla mitoitusohjeilla saavutettuihin tuloksiin. Täydentäviksi referensseiksi suoritettiin useita kolmiulotteisia (3D) analyysejä. Julkaistuja kokeellisiin tuloksiin perustuvia tietoja käytettiin apuna hitsausliitosten väsymiskäyttäytymisen ymmärtämiseksi ja materiaalivakioiden määrittämiseksi. Kuormaa kantavien vajaatunkeumaisten hitsausliitosten väsymislujuus määritettiin käyttämällä elementtimenetelmää. Suurimman pääjännityksen kriteeriä hyödynnettiin murtumiskäyttäytymisen ennakoimiseksi. Valitulle hitsatulle materiaalille ja koeolosuhteille murtumiskäyttäytymistä mallinnettiin särön kasvunopeudella da/dN ja jännitysintensiteettikertoimen vaihteluvälillä, 'K. Paris:n yhtälön numeerinen integrointi suoritettiin FRANC2D/L tietokoneohjelmalla. Saatujen tulosten perusteella voidaan laskea FAT tutkittavassa tapauksessa. ¿¿th laskettiin alkusärön jännitysintensiteettikertoimen vaihteluvälin ja kynnysjännitysintensiteettikertoimen, 'Kth, perusteella. ¿Kth arvoa pienemmällä vaihteluvälillä särö ei kasva. Analyyseissäoletuksena oli hitsattu jälkikäsittelemätön liitos, jossa oli valmis alkusärö hitsin juuressa. Analyysien tulokset ovat hyödyllisiä suunnittelijoille, jotka tekevät päätöksiä koskien geometrisiä parametreja, joilla on vaikutusta hitsausliitosten väsymislujuuteen.

Effect of Mechanical and Geometric Mismatching on Fatigue and Damage of Welded Joints

The future of high technology welded constructions will be characterised by higher strength materials and improved weld quality with respect to fatigue resistance. The expected implementation of high quality high strength steel welds will require that more attention be given to the issues of crack initiation and mechanical mismatching. Experiments and finite element analyses were performed within the framework of continuum damage mechanics to investigate the effect of mismatching of welded joints on void nucleation and coalescence during monotonic loading. It was found that the damage of undermatched joints mainly occurred in the sandwich layer and the damageresistance of the joints decreases with the decrease of the sandwich layer width. The damage of over-matched joints mainly occurred in the base metal adjacent to the sandwich layer and the damage resistance of the joints increases with thedecrease of the sandwich layer width. The mechanisms of the initiation of the micro voids/cracks were found to be cracking of the inclusions or the embrittled second phase, and the debonding of the inclusions from the matrix. Experimental fatigue crack growth rate testing showed that the fatigue life of under-matched central crack panel specimens is longer than that of over-matched and even-matched specimens. Further investigation by the elastic-plastic finite element analysis indicated that fatigue crack closure, which originated from the inhomogeneousyielding adjacent to the crack tip, played an important role in the fatigue crack propagation. The applicability of the J integral concept to the mismatched specimens with crack extension under cyclic loading was assessed. The concept of fatigue class used by the International Institute of Welding was introduced in the parametric numerical analysis of several welded joints. The effect of weld geometry and load condition on fatigue strength of ferrite-pearlite steel joints was systematically evaluated based on linear elastic fracture mechanics. Joint types included lap joints, angle joints and butt joints. Various combinations of the tensile and bending loads were considered during the evaluation with the emphasis focused on the existence of both root and toe cracks. For a lap joint with asmall lack-of-penetration, a reasonably large weld leg and smaller flank angle were recommended for engineering practice in order to achieve higher fatigue strength. It was found that the fatigue strength of the angle joint depended strongly on the location and orientation of the preexisting crack-like welding defects, even if the joint was welded with full penetration. It is commonly believed that the double sided butt welds can have significantly higher fatigue strength than that of a single sided welds, but fatigue crack initiation and propagation can originate from the weld root if the welding procedure results in a partial penetration. It is clearly shown that the fatigue strength of the butt joint could be improved remarkably by ensuring full penetration. Nevertheless, increasing the fatigue strength of a butt joint by increasing the size of the weld is an uneconomical alternative.

Assessment of meshing techniques for fatigue analysis of load carrying welded joints using the effective notch approach

The effective notch stress approach for the fatigue strength assessment of welded structures as included in the Fatigue Design Recommendation of the IIW requires the numerical analysis of the elastic notch stress in the weld toe and weld root which is fictitiously rounded with a radius of 1mm. The goal of this thesis work was to consider alternate meshing strategies when using the effective notch stress approach to assess the fatigue strength of load carrying partial penetration fillet-welded cruciform joints. In order to establish guidelines for modeling the joint and evaluating the results, various two-dimensional (2D) finite element analyses were carried out by systematically varying the thickness of the plates, the weld throat thickness, the degree of bending, and the shape and location of the modeled effective notch. To extend the scope of this work, studies were also carried out on the influence of

A Practical Micro Mechanical Model Based Local Approach Methodology for the Analysis of Ductile Fracture of Welded T-Joints

This thesis concentrates on developing a practical local approach methodology based on micro mechanical models for the analysis of ductile fracture of welded joints. Two major problems involved in the local approach, namely the dilational constitutive relation reflecting the softening behaviour of material, and the failure criterion associated with the constitutive equation, have been studied in detail. Firstly, considerable efforts were made on the numerical integration and computer implementation for the non trivial dilational Gurson Tvergaard model. Considering the weaknesses of the widely used Euler forward integration algorithms, a family of generalized mid point algorithms is proposed for the Gurson Tvergaard model. Correspondingly, based on the decomposition of stresses into hydrostatic and deviatoric parts, an explicit seven parameter expression for the consistent tangent moduli of the algorithms is presented. This explicit formula avoids any matrix inversion during numerical iteration and thus greatly facilitates the computer implementation of the algorithms and increase the efficiency of the code. The accuracy of the proposed algorithms and other conventional algorithms has been assessed in a systematic manner in order to highlight the best algorithm for this study. The accurate and efficient performance of present finite element implementation of the proposed algorithms has been demonstrated by various numerical examples. It has been found that the true mid point algorithm (a = 0.5) is the most accurate one when the deviatoric strain increment is radial to the yield surface and it is very important to use the consistent tangent moduli in the Newton iteration procedure. Secondly, an assessment of the consistency of current local failure criteria for ductile fracture, the critical void growth criterion, the constant critical void volume fraction criterion and Thomason's plastic limit load failure criterion, has been made. Significant differences in the predictions of ductility by the three criteria were found. By assuming the void grows spherically and using the void volume fraction from the Gurson Tvergaard model to calculate the current void matrix geometry, Thomason's failure criterion has been modified and a new failure criterion for the Gurson Tvergaard model is presented. Comparison with Koplik and Needleman's finite element results shows that the new failure criterion is fairly accurate indeed. A novel feature of the new failure criterion is that a mechanism for void coalescence is incorporated into the constitutive model. Hence the material failure is a natural result of the development of macroscopic plastic flow and the microscopic internal necking mechanism. By the new failure criterion, the critical void volume fraction is not a material constant and the initial void volume fraction and/or void nucleation parameters essentially control the material failure. This feature is very desirable and makes the numerical calibration of void nucleation parameters(s) possible and physically sound. Thirdly, a local approach methodology based on the above two major contributions has been built up in ABAQUS via the user material subroutine UMAT and applied to welded T joints. By using the void nucleation parameters calibrated from simple smooth and notched specimens, it was found that the fracture behaviour of the welded T joints can be well predicted using present methodology. This application has shown how the damage parameters of both base material and heat affected zone (HAZ) material can be obtained in a step by step manner and how useful and capable the local approach methodology is in the analysis of fracture behaviour and crack development as well as structural integrity assessment of practical problems where non homogeneous materials are involved. Finally, a procedure for the possible engineering application of the present methodology is suggested and discussed.

Rigid Rod Polymer Fillers in Acrylic Denture and Dental Adhesive Resin Systems

Polymeric materials have been used in dental applications for decades. Adhesion of polymeric materials to each other and to the tooth substrate is essential to their successful use. The aim of this series of studies was two-folded. First, to improve adhesion of poly(paraphenylene) based rigid rod polymer (RRP) to other dental polymers, and secondly, to evaluate the usability of a new dentin primer system based on RRP fillers. Poly(paraphenylene) based RRP would be a tempting material for dental applications because of its good mechanical properties. To be used in dental applications, reliable adhesion between RRP and other dental polymers is required. In this series of studies, the adhesion of RRP to denture base polymer and the mechanical properties of RRP-denture base polymer-material combination were evaluated. Also adhesion of BisGMA-TEGDMA-resin to RRP was determined. Different surface treatments were tested to improve the adhesion of BisGMA-TEGDMA-resin to RRP. Results were based on three-point bending testing, Vickers surface hardness test and scanning electron microscope analysis (SEM), which showed that no reliable adhesion between RRP and denture base polymer was formed. Addition of RRP filler to denture base polymer increased surface hardness and flexural modulus but flexural strength decreased. Results from the shear bond strength test and SEM revealed that adhesion between resin and RRP was possible to improve by surface treatment with dichloromethane (DCM) based primer and a new kind of adhesive surface can be designed. The current dentin bonding agents have good immediate bond strength, but in long term the bond strength may decrease due to the detrimental effect of water and perhaps by matrix metalloproteinases. This leads to problems in longevity of restorations. Current bonding agents use organic monomers. In this series of studies, RRP filled dentin primer was tested in order to decrease the water sorption of the monomer system of the primers. The properties of new dentin primer system were evaluated in vitro by comparing it to commercial etch and rinse adhesive system. The results from the contact angle measurements and SEM showed that experimental primer with RRP reinforcement provided similar resin infiltration to dentin collagen and formed the resin-dentin interface as the control primer. Microtensile bond strength test and SEM revealed that in short term water storing, RRP increased bond strength and primer with BMEP-monomer (bis[2-(methacryloyloxy)-ethyl]phosphate) and high solvent concentration provided comparable bonding properties to the commercial control primers. In long term water storing, the high solvent-monomer concentration of the experimental primers decreased bond strength. However, in low solvent-monomer concentration groups, the long-term water storing did not decrease the bond strength despite the existence of hydrophilic monomers which were used in the system. These studies demonstrated that new dentin primer system reached the mechanical properties of current traditional etch and rinse adhesive system in short time water storing. Improved properties can be achieved by further modifications of the monomer system. Studies of the adhesion of RRP to other polymers suggest that adhesion between RRP and other dental polymers is possible to obtain by certain surface treatments.

Influence of Heat Treatment on Strength Properties of Finger-jointed Components

The purpose for the thesis was to study the thermo treatment of finger-jointed wood. The thesis concentrated on examining the tensile and bending strength of finger-jointed and thermo treated wood. The aim was to find out how different treatment temperature levels and adhesives influence the strength of wood that has been finger-jointed before heat treatment. Secondary objectives were to examine the influence of the treatment time at one temperature, determine differences in the strength between the joints in heartwood and sapwood, examine the visual appearance of the finger joints after the treatment and establish possibilities to reach a characteristic strength level corresponding to C14. Only minor differences in strength properties were measured between the finger-jointed wood treatments II and III. A greater difference was shown between these two treatment temperatures I, which lead to reduced strength. The average strength of joints glued with adhesive 2 was higher after treatments II and III compared to those glued with the adhesive 1. At the treatment temperature I, the adhesive 1 strength properties were at the same level compared to the adhesive 2 or better. There were not any significant differences.

Tuulivoimalan staattoripakan puristusrakenteen kehittäminen

Diplomityössä tutkittiin voidaanko tuulivoimalan generaattorin staattoripakan puristamisessa hyödyntää komposiittista rakenneratkaisua. Tyypillisesti generaattorissa staattorin teräslevyt puristetaan erilaisilla teräsrakenteilla toisiaan vasten. Tavoitteena oli selvittää, voidaanko puristavan komposiittirakenteen osana hyödyntää liimaliitosta tai laminoitua liitosta. Tarkoitus oli etsiä rakenteeseen soveltuva liima ja liimaliitoksen arvot tai laminoitu rakenne ja sille soveltuvat materiaalit ja suoritustapa. Työssä on perehdytty erilaisiin tuulivoimalatyyppeihin, sekä niissä käytettäviin kesto- ja vierasmagnetoituihin generaattorityyppeihin. Tämän lisäksi on tarkasteltu niissä käytettävien staattorien valmistusvaihtoehtoja ja syitä miksi niissä olevat teräslevyt on puristettava toisiaan vasten. Samalla on luotu katsaus nykyisin käytössä oleviin rakenteisiin, joilla puristus voidaan toteuttaa. Liimauksesta on käsitelty perusteoriaa, sekä seikkoja jotka vaikuttavat liimaliitoksen kestoon. Työssä tutkittavaan liitokseen soveltuvien liimojen ominaisuuksia on käsitelty. Myös laminoituun liitokseen jo aiemmin kovettuneeseen komposiittiin on perehdytty. Tutkittavaan rakenteeseen soveltuvia hartsi- ja lasikuitutyyppejä on esitelty. Komposiittien mekaaniseen liittämiseen on lyhyesti perehdytty. Työssä suoritettiin useita vetokokeita, joilla selvitettiin puristusrakenteen tutkimista varten valmistettujen koekappaleiden suurin vetokuormankesto. Vetokokeiden perusteella voitiin valita soveltuvin rakenne staattorin puristamiseksi.

Ultimate capacity of stainless steel rectangular hollow section X- joints at low temperatures

Growing demand for stainless steel construction materials has increased the popularity of substitutive materials for austenitic stainless steels. The lean duplex grades have taken their place in building of structures exposed to corrosive environments. Since the duplex grades are relatively new materials, the current codes and norms do not fully cover the newest duplex grades. The joints tested in this thesis were designed and studied according to Eurocode 3, even though all the materials are not yet accepted to the standards. The main objective in this thesis was to determine the differences of the used materials in behaviour under loading at low temperatures. Tests in which the deformation and strength properties of the joints were determined were done at the temperature of -46°C, which is the requirement of temperature for structures designed according to Norsok standards. Results show that replacing the austenitic grade with the lean duplex grade is acceptable.

Effect of heat input on the mechanical properties of welded joints in high strength steels

Experiments were carried out to determine the properties of the welded joints in 8mm thick high-strength steels produced by quenching and tempering and thermomechanical rolling with accelerated cooling (tensile strength 821–835 MPa). The dependence of the strength, elongation, hardness, impact energy and crack opening displacement on the heat input in the range 1.0–0.7 kJ mm21 was determined. The results show that the dependence of the strength of the welded joints decreases and that of the elongation increases. The heat input has only a slight effect on the impact energy and crack opening displacement in the heat-affected zone.

Effect of loading type on the fatigue strength of symmetric and asymmetric welded joints made of ultra high strength steel

In this study, finite element analyses and experimental tests are carried out in order to investigate the effect of loading type and symmetry on the fatigue strength of three different non-load carrying welded joints. The current codes and recommendations do not give explicit instructions how to consider degree of bending in loading and the effect of symmetry in the fatigue assessment of welded joints. The fatigue assessment is done by using effective notch stress method and linear elastic fracture mechanics. Transverse attachment and cover plate joints are analyzed by using 2D plane strain element models in FEMAP/NxNastran and Franc2D software and longitudinal gusset case is analyzed by using solid element models in Abaqus and Abaqus/XFEM software. By means of the evaluated effective notch stress range and stress intensity factor range, the nominal fatigue strength is assessed. Experimental tests consist of the fatigue tests of transverse attachment joints with total amount of 12 specimens. In the tests, the effect of both loading type and symmetry on the fatigue strength is studied. Finite element analyses showed that the fatigue strength of asymmetric joint is higher in tensile loading and the fatigue strength of symmetric joint is higher in bending loading in terms of nominal and hot spot stress methods. Linear elastic fracture mechanics indicated that bending reduces stress intensity factors when the crack size is relatively large since the normal stress decreases at the crack tip due to the stress gradient. Under tensile loading, experimental tests corresponded with finite element analyzes. Still, the fatigue tested joints subjected to bending showed the bending increased the fatigue strength of non-load carrying welded joints and the fatigue test results did not fully agree with the fatigue assessment. According to the results, it can be concluded that in tensile loading, the symmetry of joint distinctly affects on the fatigue strength. The fatigue life assessment of bending loaded joints is challenging since it depends on whether the crack initiation or propagation is predominant.