Suurlujuusterästen hitsausliitoksen HAZ -vyöhykkeen murtumissitkeys

Suurlujuusterästen käyttö erityisesti auto-, kuljetusväline- ja nostovälineteollisuudessa on lisääntynyt jo pidemmän aikaa. Teräsvalmistajat kehittävätkin jatkuvasti lujempia ja paremmin hitsattavia teräslaatuja markkinoille. Lujempia teräksiä käyttämällä on mahdollista saavuttaa materiaali- ja painosäästöä, jolla on suora vaikutus hyötykuorman lisääntymiseen, polttoainetalouteen, suoritusarvoihin ja jopa valmistuskustannuksiin. Tässä diplomityössä tutkittiin kahdeksan eri suurlujuusteräksen ja kolmen kulutusteräksen HAZ-alueen murtumissitkeyttä kolmella eri lämmöntuonnilla tehdyllä hitsauksella. Suurlu-juusterästen myötölujuustaso vaihteli 650 MPa:n ja 700 MPa:n välillä, ja kulutusteräksillä vastaavasti 800 MPa:n ja 1000 MPa:n välillä. Murtumissitkeyskokeet tehtiin standardoidun CTOD-testausmenetelmän mukaisesti -40 °C lämpötilassa. Kokeissa käytettiin 10 mm x 5 mm SE(B)-kolmipistetaivutussauvoja. Koetuloksia voidaan käyttää apuna arvioitaessa eri teräslaatujen hitsauksellista sopivuutta erityisesti väsyttävän kuormituksen alaiseen rakenteeseen. Kokeiden tuloksena saatiin jokaiselle materiaalille neljä CTOD-arvoa. Kolmella eri lämmöntuonnilla tehtyjen koesauvojen lisäksi mitattiin ilman hitsausta olevista koesauvoista perusaineen murtumissitkeys. Yhteensä CTOD-koe tehtiin 44 koesauvalle ja lisäksi muutamalle harjoitussauvalle. Testattavien kappaleiden suuren määrän takia kokeet voitiin tehdä jokaiselle materiaali- lämmöntuonti- yhdistelmälle ainoastaan yhteen kertaan.

Lasikuitupinnoitteiden ja vinyyliesterihartsien yhteensopivuuden tutkiminen

Diplomityössä on haettu tietoa lasikuitupinnoitteiden ja vinyyliesterihartsien yhteensopivuudesta ja sen testaamisesta. Lujitemuovikomposiitissa hartsi sitoo materiaalit yhteen ja antaa rakenteelle kemiallisen kestävyyden, sitkeyden ja välittää kuormitukset kuitujen kannettaviksi. Vaadittavan lujuuden rakenteelle antaa lasikuitu. Se päällystetään valmistusvaiheessa pinnoiteaineella, sizingilla. Sillä on ratkaiseva merkitys hartsin ja lasikuidun väliin syntyvän rajapinnan muodostumisessa kovettumisprosessin aikana. Käytännössä rajapinnan toimivuutta ja materiaalien yhteensopivuutta tutkitaan makromekaanisilla lujuustesteillä. Menetelmät perustuvat rajapinnan leikkaus¬lujuuden määrittämiseen, mutta myös murtumamekanismeihin perustuvia testi¬menetelmiä käytetään. Mikrotason menetelmät, jotka perustuvat yksittäisen kuidun ja käytetyn hartsin välisen adheesion mittaamiseen ovat yleistyneet, mutta niistä saatujen tulosten ei ole vielä todettu riittävästi korreloivan makro¬mekaanisten lujuustestien kanssa. Työssä tutkittiin kahta eri makromekaanista testimenetelmää. Testeissä havaittiin eroja valittujen lasikuitupinnoitteiden ja vinyyliesterihartsien välillä. Hauras hartsi oli herkempi lasikuitupinnoitteen kemialle. Kun yhteensopivuus vinyyli-esterihartsin ja lasikuitupinnoitteen välillä oli huono, saatiin sekä poikittaisessa vetolujuustestissä että Mode I murtumissitkeystestissä heikko tulos. Pyyhkäisy¬elektronimikroskoopilla suoritettu mikrotason analyysi murtopinnasta vahvisti saatuja tuloksia ja se osoittautui toimivaksi menetelmäksi kuvantamaan ilmiöitä, jotka vaikuttavat yhteensopivuuteen vinyyliesterihartsin ja pinnoitetun lasikuidun välillä.

Lujasta rakenneteräksestä tehdyn rakenteen vikasietoisuuden määritys

Tässä työssä tutkittiin Ruukin valmistamista lujista Optim 700 MC Plus sekä Optim 700 QL teräksistä tehtyjen hitsattujen palkkirakenteiden vikasietoisuutta sekä murtumiskäyttäytymistä laboratoriossa suoritettujen täyden mittakaavan kokeiden avulla. Koerakenteet suunniteltiin siten, että rakenteen kylmämuovauksen sekä hitsauksen vaikutukset yhdessä rakenteen geometrian vaikutuksen kanssa heikentävät rakenteen murtumissitkeyttä rakenteeseen tehdyn teräväkärkisen alkusärön tasossa. Suunnitellussa koesarjassa varioidaan testauslämpötilan lisäksi hitsauksen lämmöntuontia sekä koerakenteeseen tehtävän alkusärön kokoa. Tässä työssä tavoitteena oli yleisesti esittää menettely hitsatun säröllisen teräsrakenteen kestävyyden arviointia varten. Optim 700 MC Plus teräksestä tehdyn koerakenteen käyttäytymistä tutkittiin laskennallisesti murtumismekaniikan avulla. Laadittujen FEM - mallien avulla laskettiin rakenteen murtumisparametrien arvot kummallekin tutkittavalle teräkselle. Optim 700 MC Plus materiaalista valmistetuille koerakenteen säröalueen rakennedetaljia vastaavalle koekappaleille suoritettiin murtumissitkeyskokeita. Murtumissitkeyskokeista saatujen tulosten avulla pystyttiin kuvaamaan täyden mittakaavan koerakenteessa olevan särön murtumiskäyttäytymistä mitoitusmenetelmissä. Koerakenteelle laskettiin tässä työssä kriittisen särökoon ja sitä vastaavan kuorman arvot perustuen rakenteen oletettuun hauraaseen, epästabiiliin sitkeään sekä plastiseen murtumiskäyttäytymiseen. Tässä työssä testattiin molemmista tutkittavista materiaaleista valmistetut täyden mittakaavan koerakenteet -40 °C lämpötilassa. Molemmat testatut rakenteet käyttäytyvät mitattujen siirtymätulosten perusteella melko hauraasti. Optim 700 MC Plus materiaalille saatujen laskentatulosten voidaan todeta testatun koekappaleen perusteella soveltuvan hauraasti käyttäytyvän rakenteen mitoitukseen.

Lujien hitsattavien terästen käyttäytyminen -60 °C:ssa

Opinnäytetyö on osa Arctic Materials Technologies Development -projektia, jonka tavoitteena on kehittää perusteita arktisten alueiden sovelluksiin suunnittelun ja valmistuksen kannalta. Arktisella alueella sijaitsee useita potentiaalisia öljy- ja maakaasuesiintymiä, joiden hyödyn-täminen tulee vuosi vuodelta kannattavammaksi ilmaston lämpenemisestä johtuvan merijään heikkenemisen vuoksi. Alin suunnittelulämpötila arktisilla alueilla on -60 °C, mikä aiheuttaa haasteita sekä materiaalinvalinnalle että hitsaukselle. Ferriittisillä teräksillä esiintyy lämpötilasta riippuvaa sitkeyden vaihtelua, jota kutsutaan transi-tiokäyttäytymiseksi. Lämpötilan laskiessa teräksen iskusitkeys sekä murtumissitkeys laske-vat. Arktisissa sovelluskohteissa käytetään yleisesti niukkaseosteisia, mikroseostettuja hie-noraeteräksiä, joille on ominaista erinomaiset sitkeys-, lujuus- sekä hitsattavuusominaisuudet vaativissakin olosuhteissa. Lujat termomekaanisesti valssatut ja nuorrutetut hienoraeteräkset kattavat myötölujuusluokat 355…700 MPa. Tutkimuksissa on saatu vaihtelevia tuloksia ma-teriaalien isku- ja murtumissitkeydestä -60 °C:ssa. Erityisesti sitkeysominaisuudet hitsiaineen ja muutosvyöhykkeen alueiden välillä ovat vaihtelevia. Pienemmällä lämmöntuonnilla ja seostetuilla lisäaineilla saavutetaan kuitenkin pääsääntöisesti parempia sitkeysarvoja. Asiku-laarinen ferriitti sekä alabainiitti ovat toivottavia mikrorakenteita liitoksessa, niiden pienen raekoon johdosta.

Development of porous glass-fiber reinforced composite for bone implants. Evaluation of antimicrobial effect and implant fixation

Cranial bone reconstructions are necessary for correcting large skull bone defects due to trauma, tumors, infections and craniotomies. Traditional synthetic implant materials include solid or mesh titanium, various plastics and ceramics. Recently, biostable glass-fiber reinforced composites (FRC), which are based on bifunctional methacrylate resin, were introduced as novel implant solution. FRCs were originally developed and clinically used in dental applications. As a result of further in vitro and in vivo testing, these composites were also approved for clinical use in cranial surgery. To date, reconstructions of large bone defects were performed in 35 patients. This thesis is dedicated to the development of a novel FRC-based implant for cranial reconstructions. The proposed multi-component implant consists of three main parts: (i) porous FRC structure; (ii) bioactive glass granules embedded between FRC layers and (iii) a silver-polysaccharide nanocomposite coating. The porosity of the FRC structure should allow bone ingrowth. Bioactive glass as an osteopromotive material is expected to stimulate the formation of new bone. The polysaccharide coating is expected to prevent bacterial colonization of the implant. The FRC implants developed in this study are based on the porous network of randomly-oriented E-glass fibers bound together by non-resorbable photopolymerizable methacrylate resin. These structures had a total porosity of 10–70 volume %, of which > 70% were open pores. The pore sizes > 100 μm were in the biologically-relevant range (50-400 μm), which is essential for vascularization and bone ingrowth. Bone ingrowth into these structures was simulated by imbedding of porous FRC specimens in gypsum. Results of push-out tests indicated the increase in the shear strength and fracture toughness of the interface with the increase in the total porosity of FRC specimens. The osteopromotive effect of bioactive glass is based on its dissolution in the physiological environment. Here, calcium and phosphate ions, released from the glass, precipitated on the glass surface and its proximity (the FRC) and formed bone-like apatite. The biomineralization of the FRC structure, due to the bioactive glass reactions, was studied in Simulated Body Fluid (SBF) in static and dynamic conditions. An antimicrobial, non-cytotoxic polysaccharide coating, containing silver nanoparticles, was obtained through strong electrostatic interactions with the surface of FRC. In in vitro conditions the lactose-modified chitosan (chitlac) coating showed no signs of degradation within seven days of exposure to lysozyme or one day to hydrogen peroxide (H2O2). The antimicrobial efficacy of the coating was tested against Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa. The contact-active coating had an excellent short time antimicrobial effect. The coating neither affected the initial adhesion of microorganisms to the implant surface nor the biofilm formation after 24 h and 72 h of incubation. Silver ions released to the aqueous environment led to a reduction of bacterial growth in the culture medium.

Brittleness of Paper

Brittleness is a well-known material characteristic but brittleness of paper is vaguely covered. The objective of this thesis was to characterize the phenomenon and causes around brittleness of paper and to clarify if it is a measurable property. Brittleness of paper was approached from the perspectives of paper physics and paper mills. Brittleness is a property of dry paper and it causes problems at the finishing stages of paper machine. According to paper physics, brittle materials fail in the elastic regime, while ductile materials can locally accumulate a plastic deformation prior to the fracture and they are often able to withstand higher stresses. Brittleness of paper is vastly affected by the surrounding conditions: paper as a hygroscopic material tries to get to the equilibrium. It is also affected by the quality of the pulp used. Measurement techniques can be divided into two categories: based on the viscoelastic behavior of paper and on the exposure to the mechanical stress of sort. The experimental part of the thesis was based on the trials with brittle and non-brittle mill-made LWC papers. It is divided into three parts: strength testing of the brittle and non-brittle papers, analysis of the conditions that may contribute the brittleness and the experimental methods to evaluate brittle behavior. The strength measurements confirmed the influence of the moisture content, but only tensile energy absorption and the fracture toughness measurements provided modest differences between the brittle and non-brittle papers. Versatile analysis of the possible contributing factors resulted into speculation, while the brittle papers contained higher amount of starch, triglycerides and steryl esters. The experimental research proved that the formation, the sensory impression and the variation of local strains may contain the crucial information of paper brittleness.

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.

Surgically-treated Hip Fracture in older People. With Special Emphasis on Mortality Analysis

Hip fractures are associated with significant morbidity and mortality. Cervical and trochanteric fractures have a different morphometry, surgical treatment, and outcome. Polypharmacy, common in older people, is associated with increased mortality. The risk factors for mortality can be identified based on cause-of-death analysis. In this population-based study, 461 older, surgically in 1999-2000 treated hip fracture patients were enrolled. Incidence, morphometry, medication, mortality, and cause-of-death were analysed. Hip fractures were most commonly sustained by women, occurred mostly indoors, and often in institutions. One in four patients had sustained a previous fracture. Routine clinical radiographs revealed no differences in the hip geometry between hip fracture types. Age-adjusted mortality was higher in men than in women during the follow-up. Chronic lung disease and male sex were predictors of mortality after cervical fracture. In men, potent anticholinergics were associated with excess age-adjusted mortality. Men were more likely to die from circulatory disease and dementia after hip fracture than women. Mortality after hip fracture was 3-fold higher than that of the general population, including every cause-of-death class. Fracture prevention in institutions and homes, indoor safety measures, and treatment of chronic lung diseases should be encouraged. Hip morphometry analyses require more accurate measures than that provided by routine radiographs. Careful use of potent anticholinergics may reduce mortality. Compared to the general population, excess mortality after hip fracture was evident up to 9 years after hip fracture. Cause-of-death analysis indicates that all major comorbidities require optimal treatment after hip fracture surgery.

Bone Health, Osteoporosis and Fracture Risk in Neurofibromatosis 1 - An Emphasis on Osteoclasts

Neurofibromatosis 1 (NF1) is an autosomal dominant hereditary syndrome, affecting skin, neural tissues and skeleton. Hallmarks of NF1 include benign cutaneous neurofibroma tumors, pigmentation lesions on the skin and in the iris, learning disabilities and predisposition to selected malignancies. Low bone mineral density (BMD) and osteopenia/osteoporosis are common in NF1. Osteoporosis is a systemic disorder characterized by low bone mineral density and increased fracture risk. Treatment of osteoporosis aims to prevent falls and decrease fracture risk. Osteoporosis is diagnosed in adults by measuring BMD and evaluating clinical risk factors of the patient. Bone turnover is a process of old bone resorbed by osteoclasts and new bone formed by osteoblasts. Multinuclear osteoclasts are derived from osteoclast progenitors, which can be isolated from peripheral blood. Osteoclast progenitors were isolated from 17 NF1 patients and healthy controls, and cultured in vitro to osteoclasts. NF1 osteoclasts are hyperactive, displaying increased differentiation and resorption capacity, abnormal morphology and tolerance to serum deprivation compared to control osteoclasts. These findings expanded the study to evaluate the effects of bisphosphonates, drugs designed to treat osteoporosis, in osteoclasts derived from blood samples of 20 NF1 and control persons. The number of control osteoclasts was expectedly reduced after bisphosphonate treatment. However, NF1 osteoclasts tolerated the apoptotic effect of alendronate, zoledronic acid and clodronate in vitro compared to controls. NF1-related osteoporosis was found in ~20 % of the patients, and selected laboratory parameters were measured. Patients with NF1 have increased levels of serum CTX and PINP, reflecting increased bone turnover in vivo. BMD decreases progressively in NF1 as evaluated in 19 NF1 patients 12 years after their initial BMD measurement. Patients with NF1-related osteopenia often progress to osteoporosis. This was found in patients aged 37-76.

Optimization of strength and toughness on the effect of the weldable high strength steels (hss) used in offshore structures

Optimization of high strength and toughness combination on the effect of weldability is very vital to be considered in offshore oil and gas industries. Having a balanced and improved high strength and toughness is very much recommended in offshore structures for an effective production and viable exploration of hydrocarbons. This thesis aims to investigate the possibilities to improve the toughness of high strength steel. High carbon contents induce hardness and needs to be reduced for increasing toughness. The rare combination of high strength with high toughness possibilities was examined by determining the following toughening mechanism of: Heat treatment and optimal microstructure, Thermomechanical processing, Effect of welding parameters on toughness and weldability of steel. The implementation of weldability of steels to attain high toughness for high strength in offshore structures is mostly in shipbuilding, offshore platforms, and pipelines for high operating pressures. As a result, the toughening mechanisms suggested have benefits to the aims of the effect of high strength to high toughness of steel for efficiency, production and cost reduction.

Arktisissa olosuhteissa käytettäville materiaaleille ja hitsatuille rakenteille asetetut vaatimukset

Diplomityössä tarkastellaan kohdeyrityksen hitsatuille teräsrakenteille asetettuja vaatimuksia Norjan ja Venäjän arktisilla alueilla. Teknisten vaatimusten lisäksi tutkitaan terästen kylmäkäyttäytymistä ja hitsaustuotannolle kohdistettuja vaatimuksia. Tutkimuksen lopussa käsitellään Venäjän ja Norjan markkinoiden erityispiirteitä ja keinoja markkinoille pääsemiseksi. Tutkimuksen perusteella havaitaan, että kohdeyritys voi suunnitella ja valmistaa sekä Norjan että Venäjän vaatimusten mukaisia rakenteita ilman suuria muutoksia rakenteisiin tai hitsaustuotantoon. Materiaalien ja valmistuksen laadun sekä niiden valvonnan merkitys korostuu arktisissa hankkeissa. Yrityksellä on käytössään standardit EN 1090, ISO 9001, ISO 3834 ja ISO 14122, jotka edesauttavat yrityksen kansainvälistymistä. Hitsattujen rakenteiden haurasmurtumariski kasvaa kylmissä olosuhteissa. Haurasmurtuman ydintymistä edesauttavat tekijät täytyy tunnistaa ja niitä on vältettävä suunnittelussa ja valmistuksessa. Lujempien ja sitkeämpien terästen käyttäminen kylmissä olosuhteissa on perusteltua, mutta ne asettavat omat haasteensa hitsaukselle.

Determinants of Bone Strength and Predictors of Hip Fracture among Finnish Adults. Results from the Health 2000 Survey and the Mini-Finland Health Survey

The objective of this thesis was to identify the determinants of bone strength and predictors of hip fracture in representative samples of Finnish adults. A secondary objective was to construct a simple multifactorial model for hip fracture prediction over a 10-year follow-up period. The study was based on the Health 2000 Survey conducted during 2000 to 2001 (men and women aged 30 years or over, n=6 035) and the Mini-Finland Health Survey conducted during 1978 to 1980 (women aged 45 years or over, n=2 039). Study subjects participated in health interviews and comprehensive health examination. In the Health 2000 Survey, bone strength was assessed by means of calcaneal quantitative ultrasound (QUS). The follow-up information about hip fractures was drawn from the National Hospital Discharge Register. In this study, age, weight, height, serum 25-hydroxyvitamin D (S-25(OH)D), physical activity, smoking and alcohol consumption as well as menopause and eventual HRT in women were found to be associated with calcaneal broadband ultrasound attenuation (BUA) and speed of sound (SOS). Parity was associated with a decreased risk of hip fracture in postmenopausal women. Age, height, weight or waist circumference, quantitative ultrasound index (QUI), S-25(OH)D and fall-related factors, such as maximal walking speed, Parkinson’s disease, and the number of prescribed CNS active medication were significant independent predictors of hip fracture. At the population level, the incremental value of QUS appeared to be minor in hip fracture prediction when the fall-related risk factors were taken into account. A simple multifactorial model for hip fracture prediction presented in this study was based on readily available factors (age, gender, height, waist circumference, and fallrelated factors). Prospective studies are needed to test this model in patient-based study populations.