Ultralujasta teräksestä valmistetun liitoksen pienahitsin staattinen kestävyys

Ultralujat teräkset ovat teräksiä, joiden lujuus on reilusti suurempi verrattuna perinteisiin rakenneteräksiin. Niiden ominaisuuksia hyödynnetään eniten nosto- ja kuljetusvälinete¬ollisuudessa. Ultralujien terästen käyttö avaa suunnittelijalle uusia mahdollisuuksia suun¬nitella ulottuvampia ja kevyempiä rakenteita, jolloin voidaan saavuttaa säästöjä niin val¬mistus- kuin polttoainekustannuksissakin. Ultralujille teräksille ei kuitenkaan ole ole¬massa niitä vastaavia suunnitteluohjeita tai standardeja. Teräsrakenteiden liitosten suun¬nitteluun mitoitusohjeita antava standardi SFS-EN 1993-1-8 ei huomioi teräksiä, joiden myötölujuus on yli 460 MPa. SFS-EN 1993-1-12 on 1993-1-8:n laajennus, joka on voi¬massa myötölujuuteen 700 MPa asti. Tässä diplomityössä tutkittiin ultralujista teräksistä valmistettujen pienahitsiliitosten käyttäytymistä vetokokeiden ja elementtimenetelmän avulla. Tulosten avulla voitiin mää¬rittää matalalujuuksisten terästen mitoitusohjeiden soveltuvuutta ultralujille teräksille. Kokeissa käytetty teräs oli Ruukin valmistama Optim 960 QC.

Komposiittien käyttö tämän päivän koneenrakennuksessa

Komposiitit ovat yhdistelmämateriaaleja, jotka koostuvat kahdesta tai useammasta eri materiaalista. Komposiitit ovat kiinnostavia tämän päivän koneenrakennukselle niiden korkean vahvuuden ja jäykkyyden suhteesta niiden kevyeeseen painoon nähden. Kuitulujitteisten komposiittien ja laminaattien valmistukseen on monia eri menetelmiä ja ne eroavat toisistaan lähinnä hartsin levittämistapojen sekä kuitujen asettelutapojen perusteella. Komposiittien työstäminen on vaikeaa, mikä johtuu niiden epähomogeenisesta ja anistrooppisesta laadusta ja komposiittien sisältävien lujitteiden korkeasta abrasiivisesta vaikutuksesta. Tavanomaisia työstömenetelmiä, kuten sorvausta, porausta ja jyrsimistä käytetään komposiittien työstämiseen. Kuitujen suuntaus komposiiteissa vaikuttaa paljon niiden työstämiseen. Ultraäänisen tärinän käyttäminen kuitulujitteisia komposiitteja sorvattaessa parantaa työstetyn kappaleen pinnanlaatua. Komposiittimateriaalien kiinnittäminen metalleihin eroaa selvästi muiden materiaalien kiinnittämisestä. Komposiittien yhdistämisen yhteydessä on otettava huomioon monia eri asioita, kiinnitysreikien valmistuksesta käytettäviin kiinnikkeisiin. Komposiittien kierrätys ja hävittäminen on tärkeä osa niiden elinkaarta, eikä niiden kierrätykseen ole tällä hetkellä hyviä ja kustannustehokkaita kierrätysmenetelmiä. Tällä hetkellä kierrättäminen tuleekin kalliimmaksi, kuin käytettyjen komposiittien vieminen kaatopaikalle.

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.

Miehistönkuljetusajoneuvon rungon suunnittelu

Tämän diplomityön tavoitteena oli suunnitella miehistönkuljetusajoneuvon runko. Rungosta suunniteltiin mahdollisimman hyvin energiaa absorboiva. Rakenne toteutettiin kennora-kenteena. Suunnittelussa sovellettiin koneensuunnittelun periaatteiden lisäksi energiaa ab-sorboivien rakenteiden suunnittelun periaatteita. Myös valmistustekniset näkökohdat otet-tiin huomioon. Rakenteessa hyödynnettiin Ruukki Oy:n Ramor 500 suojausterästä sekä OPTIM 500 MC terästä. Lisäksi erilaisten täyteaineiden käyttöä tutkittiin. Suunnittelun työkaluna käytettiin epälineaarista elementtimenetelmää, koska energiaa ab-sorboivien rakenteiden suunnittelussa on otettava huomioon materiaalien epälineaarinen käyttäytyminen. Rakenteen suunnittelu jakaantui viiteen vaiheeseen. Aluksi rakenteeseen kohdistuvat kuormitukset laskettiin elementtimenetelmän avulla. Esisuunnittelussa lasket-tiin plastisuusteorian avulla alustavasti tarvittavat materiaalipaksuudet. Tämän jälkeen ra-kenteen ydingeometria optimoitiin mahdollisimman hyvin energiaa absorboivaksi. Opti-moinnissa hyödynnettiin elementtimenetelmää. Seuraavassa vaiheessa varmistettiin raken-teen globaalit ominaisuudet. Lopuksi rakenteen kestävyyttä tarkasteltiin elementtimene-telmällä. Runko ei mallien mukaan kestänyt siltä vaadittuja kuormitustapauksia. Mallin kaikki ole-tukset pidettiin varmalla puolella. Reunaehdot oletettiin todellisuutta jäykemmiksi. Myös-kään materiaalin venymänopeudesta johtuvaa lujittumista ei otettu huomioon. Koska mii-naräjähdys on monimutkainen tapahtuma, rungon todellinen kestävyys joudutaan ar-viomaan räjähdystesteillä. Elementtimallien perusteella voidaan kuitenkin sanoa, että ener-giaa absorboiva ajoneuvon runko on mahdollista toteuttaa kennorakenteena. Lisäksi voi-daan todeta, että elementtimenetelmää sopii työvälineeksi tämän tyyppisten rakenteiden suunnitteluun.

Modern Metallic Materials for Arctic Environment

This thesis is part of the Arctic Materials Technologies Development –project, which aims to research and develop manufacturing techniques, especially welding, for Arctic areas. The main target of this paper is to clarify what kind of European metallic materials are used, or can be used, in Arctic. These materials include mainly carbon steels but also stainless steels and aluminium and its alloys. Standardized materials, their properties and also some recent developments are being introduced. Based on this thesis it can be said that carbon steels (shipbuilding and pipeline steels) have been developed based on needs of industry and steels exist, which can be used in Arctic areas. Still, these steels cannot be fully benefited, because rules and standards are under development. Also understanding of fracture behavior of new ultra high strength steels is not yet good enough, which means that research methods (destructive and non-destructive methods) need to be developed too. The most of new nickel-free austenitic and austenitic-ferritic stainless steels can be used in cold environment. Ferritic and martensitic stainless steels are being developed for better weldability and these steels are mainly developed in nuclear industry. Aluminium alloys are well suitable for subzero environment and these days high strength aluminium alloys are available also as thick sheets. Nanotechnology makes it possible to manufacture steels, stainless steels and aluminium alloys with even higher strength. Joining techniques needs to be developed and examined properly to achieve economical and safe way to join these modern alloys.

Jännityssuhteen vaikutus ultralujan teräksen hitsausliitoksen väsymislujuuteen

Aiempien ultralujia teräksiä koskevien tutkimusten jatkoksi tässä diplomityössä keskityttiin jännityssuhteen varioinnin tuomien ilmiöiden esille tuomiseen koesauvojen väsytyskoestuk-sessa. Pohjana diplomityölle ovat mm. Timo Björkin tutkimustulokset ULTRASTEEL-hankkeesta sekä Tuomas Skrikon kandidaatintyöhönsä koostamat väsytyskoetulokset. Testattujen 12 koesauvan väsytyskoetulosten perusteella jännityssuhteen kasvattaminen alen-taa hitsattujen ultralujien teräsrakenteiden FAT-luokitusta. FAT-luokkien ja jännityssuhteen välillä on havaittu säännönmukaisuutta ja huomattavaa FAT-luokituksen lasku on jännitys-suhteen 0.35 jälkeen. Jälkikäsiteltyjen koesauvojen FAT-luokat ovat jälkikäsittelemättömiä parempia. Myös käsit-telemättömillä sauvoilla päästään mekanisoidussa MAG-hitsauksessa keskimääräisen kone-pajalaadun FAT = 100 MPa yläpuolelle.

Puomiankkurin uudelleensuunnittelu ja valmistus

Tämän diplomityön tavoitteena on ollut suunnitella uusi öljyntorjunnassa käytettävä puomiankkuri. Nykyisin käytössä olevat ankkurit ovat painavia, paljon tilaa vieviä, jäykkiä rakenteeltaan ja hankalia käyttää. Työn tavoitteena on ollut suunnitella rakenne, jossa muotoilun avulla pyritään korvaamaan ankkurin painoa ja saavuttaa hyvä tunkeutuminen eri pohjalaaduissa. Ankkurin suunnitteluun kuuluu merkittävänä osana materiaalinvalintaprosessi, jonka perusteella materiaaliksi valittiin kulutusteräs. Kulutusteräksen korkea lujuus ja hyvä kulumiskestävyys mahdollistavat ohuemman materiaalin käytön rakenteessa, jonka seurauksena rakenteen painoa saatiin vähennettyä merkittävästi. Ankkurin rakenteen suunnittelussa käytettiin hyväksi nykyisiä ankkurin rakenteita, joiden pohjalta hahmoteltiin eri variaatioita ankkureista. Suunnittelutyössä käytettiin hyväksi tyypillisiä ankkurirakenteita hyvien puolien kannalta, joita pyrittiin toteuttamaan uudessa ankkuri- rakenteessa. Ankkurin suunnittelu toteutettiin järjestelmällisen suunnittelun avulla, jossa ensin laadittiin ankkurille vaatimuslista. Tämän jälkeen laadittiin ankkurille toimintorakenne ja jakaminen osatoimintoihin. Ankkurin rakenteista toteutettiin kaksi eri versiota: sisävesillä ja merialueilla käytettävät ankkurit, joille laadittiin mitoitus. Työssä suunnitellun terävän tunkeutumisosan ja optimaalisen tunkeutumiskulman avulla ankkureiden painoa saatiin huomattavasti alhaisemmaksi, jonka seurauksena ankkurille saatiin kevyempi rakenne ja materiaalikustannukset pienenivät merkittävästi. Uusien ankkurien rakenne on pienemmän koon ja painon ansiosta käyttäjäystävällisempi.

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.

Puomiankkurin uudelleensuunnittelu ja valmistus

Tämän diplomityön tavoitteena on ollut suunnitella uusi öljyntorjunnassa käytettävä puomiankkuri. Nykyisin käytössä olevat ankkurit ovat painavia, paljon tilaa vieviä, jäykkiä rakenteeltaan ja hankalia käyttää. Työn tavoitteena on ollut suunnitella rakenne, jossa muotoilun avulla pyritään korvaamaan ankkurin painoa ja saavuttaa hyvä tunkeutuminen eri pohjalaaduissa. Ankkurin suunnitteluun kuuluu merkittävänä osana materiaalinvalintaprosessi, jonka perusteella materiaaliksi valittiin kulutusteräs. Kulutusteräksen korkea lujuus ja hyvä kulumiskestävyys mahdollistavat ohuemman materiaalin käytön rakenteessa, jonka seurauksena rakenteen painoa saatiin vähennettyä merkittävästi. Ankkurin rakenteen suunnittelussa käytettiin hyväksi nykyisiä ankkurin rakenteita, joiden pohjalta hahmoteltiin eri variaatioita ankkureista. Suunnittelutyössä käytettiin hyväksi tyypillisiä ankkurirakenteita hyvien puolien kannalta, joita pyrittiin toteuttamaan uudessa ankkuri- rakenteessa. Ankkurin suunnittelu toteutettiin järjestelmällisen suunnittelun avulla, jossa ensin laadittiin ankkurille vaatimuslista. Tämän jälkeen laadittiin ankkurille toimintorakenne ja jakaminen osatoimintoihin. Ankkurin rakenteista toteutettiin kaksi eri versiota: sisävesillä ja merialueilla käytettävät ankkurit, joille laadittiin mitoitus. Työssä suunnitellun terävän tunkeutumisosan ja optimaalisen tunkeutumiskulman avulla ankkureiden painoa saatiin huomattavasti alhaisemmaksi, jonka seurauksena ankkurille saatiin kevyempi rakenne ja materiaalikustannukset pienenivät merkittävästi. Uusien ankkurien rakenne on pienemmän koon ja painon ansiosta käyttäjäystävällisempi.

Ultralujien terästen pienahitsien staattinen lujuus

Kandidaatintyön tarkoituksena oli selvittää hitsausliitosten mitoitusohjeita ultralujille teräksille. Työhön kuului laboratoriotestauksia, joiden avulla tarkasteltiin laskujen soveltuvuutta ultralujille teräksille. Laskuissa verrattiin erityisesti kimmoteorian ja plastisuusteorian toimivuutta. Työn tuloksena tuotettiin mitoitusohjeet otsapienahitseille, eli mitoitusvoimaan nähden poikittaisille hitseille. Myös kylkipienahitseille, eli mitoitusvoimaan nähden yhdensuuntaisille hitseille saatiin alustavia tuloksia.

Eri MAG-hitsausprosessien ja -parametrien vaikutus suurlujuusteräksestä valmistetun otsapienahitsin äärikestävyyteen, muodonmuutoskykyyn ja vauriomuotoon

Työssä tutkittiin Ruukki Oyj:n suorasammutetusta S960QC-teräksestä valmistetun kuormaakantavan levyjen ristiliitoksen pienahitsien lujuutta, muodonmuutoskykyä ja vaurioitumismekanismia laajaan kokeelliseen aineistoon perustuen. Tärkeimpänä muuttujana koematriisissa olivat eri MAG-hitsausprosessit. Perinteisen kuumakaarihitsauksen vertailukohteena oli Kemppi Oy:n uusi adaptiivinen valokaaren pituutta säätävä WiseFusion-hitsaustoiminto kuuma- ja pulssikaarihitsauksessa. Näiden kolmen hitsausprosessin rinnalla varioitiin erisuuruisia a-mittoja, eri hitsauslisäaineita ja hitsin erikylkisyyttä. Lisäksi juuritunkeuman estämisen vaikutusta hitsien käyttäytymiseen tutkittiin täydentävällä koesarjalla, jossa tunkeuman muodostuminen estettiin levyjen väliin asetetulla volframilevyllä. Työn perimmäisenä tavoitteena oli selvittää syy aiemmassa tutkimuksessa havaitulle pienahitsien vaurioitumiselle leikkautumalla sularajaa pitkin. Sularajan suhteellista pituutta saadaan kasvatettua estämällä hitsin juuritunkeuma ja absoluuttista pituutta saadaan lisää kateettipoikkeaman avulla. Lisäksi tutkimuksessa oli tarkoitus tuoda esille suurlujuusteräksisen liitoksen eri mitoituslähtökohdat (mm. lämmöntuonnin kontrollointi). Tämän vuoksi hitsausparametrit mitattiin jännitteen ja virran hetkellisiin arvoihin perustuen, jolloin kuuma- ja pulssikaarihitsauksen laskennalliset hitsaustehot ovat vertailukelpoisia. Koehitseistä valmistettiin hieet hitsien tarkan geometrian määrittämiseksi ja liitoksen mekaaniset ominaisuudet tutkittiin vetokokeella. Tulosten perusteella sularajavaurio aktivoituu pulssikaarella hitsatuissa koekappaleissa. Tämä aiheutunee pulssi- ja kuumakaarihitsauksen sularajan mikrorakenteiden eroavaisuudesta. Sularajavaurio näyttää huonontavan hitsien muodonmuutoskykyä, mutta jatkokokeita tuloksen verifioimiseksi on tehtävä. S960QC-teräkselle ominaisen pehmenneen vyöhykkeen vaurio ei aktivoitunut, vaikka Ruukin antamat jäähtymisaikasuositukset ylitettiin reilusti.

Feasibility studies of the weldability of structural steels used in the offshore environment

The rising demand for oil and gas has made it very necessary for the oil and gas industries to explore the offshore. There is a huge resources which is available in the offshore. The search for oil and gas is faced with greater challenges because of the nature of the marine environment as it poses difficult and harsh conditions for the construction of offshore structures. The major problem of the construction of offshore structure is the ability to produce a sound weld that gives the whole structure the structural integrity needed to withstand the harsh environmental conditions. This research work presents the performance of typical offshore steels with improved weldability. The ability of reducing the carbon content of thermo-mechanically rolled steels down to 0.08% makes it possible to achieve good weldability, toughness and strength for high strength steels used in offshore applications. Importantly, the ideal welding procedure should be strictly followed as recommended. The fabrication process is as important as the welding procedure in achieving a sound weld which is free of weld defects such as hydrogen induced cracking, lamellar tearing and solidification cracking. This research work also considers the corrosion as it affects offshore structure and necessary measures to mitigate the problem caused by corrosion.

Modeling of residual stresses and distortion due to welding in fillet welds

Welding has a growing role in modern world manufacturing. Welding joints are extensively used from pipes to aerospace industries. Prediction of welding residual stresses and distortions is necessary for accurate evaluation of fillet welds in relation to design and safety conditions. Residual stresses may be beneficial or detrimental, depending whether they are tensile or compressive and the loading. They directly affect the fatigue life of the weld by impacting crack growth rate. Beside theoretical background of residual stresses this study calculates residual stresses and deformations due to localized heating by welding process and subsequent rapid cooling in fillet welds. Validated methods are required for this purpose due to complexity of process, localized heating, temperature dependence of material properties and heat source. In this research both empirical and simulation methods were used for the analysis of welded joints. Finite element simulation has become a popular tool of prediction of welding residual stresses and distortion. Three different cases with and without preload have been modeled during this study. Thermal heat load set is used by calculating heat flux from the given heat input energy. First the linear and then nonlinear material behavior model is modeled for calculation of residual stresses. Experimental work is done to calculate the stresses empirically. The results from both the methods are compared to check their reliability. Residual stresses can have a significant effect on fatigue performance of the welded joints made of high strength steel. Both initial residual stress state and subsequent residual stress relaxation need to be considered for accurate description of fatigue behavior. Tensile residual stresses are detrimental and will reduce the fatigue life and compressive residual stresses will increase it. The residual stresses follow the yield strength of base or filler material and the components made of high strength steel are typically thin, where the role of distortion is emphasizing.

Capacity of an I-beam made of S960 QC based on Eurocode 3

The capacity of beams is a very important factor in the study of durability of structures and structural members. The capacity of a high-strength steel I-beam made of S960 QC was investigated in this study. The investigation included assessment of the service limits and ultimate limits of the steel beam. The thesis was done according to European standards for steel structures, Eurocode 3. An analytical method was used to determine the throat thickness, deformation, elastic and plastic moment capacities as well as the fatigue life of the beam. The results of the analytical method were compared with those obtained by Finite Element Analysis (FEA). Elastic moment capacity obtained by the analytical method was 172 kNm. FEA and the analytical method predicted the maximum lateral-torsional buckling (LTB) capacity in the range of 90-93 kNm and the probability of failure as a result of LTB is estimated to be 50%. The lateral buckling capacity meant that the I-beam can carry a safe load of 300 kN instead of the initial load of 600 kN. The beam is liable to fail shortly after exceeding the elastic moment capacity. Based on results in of the different approaches, it was noted that FEA predicted higher deformation values on the load-deformation curve than the analytical results. However, both FEA and the analytical methods predicted identical results for nominal stress range and moment capacities. Fatigue life was estimated to be in the range of 53000-64000 cycles for bending stress range using crack propagation equation and strength-life approach. As Eurocode 3 is limited to steel grades up to S690, results for S960 must be verified with experimental data and appropriate design rules.

Modelling of mechanical properties of CRFC composites under flexure loading

Carbon Fibre Reinforced Carbon (CFRC) Composites are increasing their applications due to their high strength and Young’s Modulus at high temperatures in inert atmosphere. Although much work has been done on processing and structure and properties relationship, few studies have addressed the modelling of mechanical properties. This work is divided in two parts. In the first part, a modelling of mechanical properties was carried out for two bi-directional composites using a model based on the Bernoulli-Euler theory for symmetric laminated beams. In the second part, acoustic emission (AE) was used as an auxiliary technique for monitoring the failure process of the composites. Differences in fracture behaviour are reflected in patterns of AE.