Savonia-artikkeli: Vauriotutkimus pureutuu väsymismurtumien syihin ja seurauksiin

18.11.2021   ArtikkelitTekniikan alaTKI

Kuvassa iskusauvan hauras murtopinta keskellä.

Akseleihin, pyöriviin lapoihin, juoksupyöriin ynnä muihin vastaaviin pyöriviin koneenosiin kohdistuu usein merkittävä dynaaminen väsyttävä kuormitus käytössä. Yksittäinen kuormituspiikki ei esimerkiksi pyörivällä koneella ylitä materiaalin myötölujuutta normaalissa käytössä, mutta toistuva rasitus voi koitua ongelmaksi, kun jännityssyklejä alkaa kertyä satoja tuhansia tai miljoonia laitteen käyttöiän aikana. Väsyttävässä kuormituksessa olevan liitoksen suunnitteluun vaikuttavat ainakin jännitysten suuruus, taajuus ja jännitysjaksojen lukumäärä.

Väsyttävässä kuormituksessa alkusärö, josta murtuma lähtee etenemään, syntyy usein koneenosan ”epäjatkuvuuskohtiin”. Epäjatkuvuuskohtina toimivat yleensä terävät muodot ja lovet kappaleessa. Tästä syystä esimerkiksi akselien olakkeiden juureen tehdään pyöristyksiä ja väsyttävässä kuormituksessa olevien hitsien reunoja pyöristetään. Esimerkiksi akselien tapauksessa myös pinnankarheudella on merkitystä.

Hitsattujen rakenteiden tapauksessa hitsin geometrialla ja hitsausvirheillä on paljon merkitystä. Lisäksi perusaine ja hitsauksen lämmöntuonti ovat suuressa roolissa. Karkenevat materiaalit ovat alttiimpia väsymismurtumille ja mitä lujempi teräs, sitä suurempi loviherkkyys. Hitsauksen lämmöntuonti saattaa myös aiheuttaa karkenemista perusaineen puolella muutosvyöhykkeellä, mikä osaltaan voi altistaa väsymismurtumille.

Karkeneminen voidaan vahvistaa mikroskooppitutkimuksella tai tekemällä hitsin poikkileikkaukseen kovuusmittauksia. Hitsauksesta koitunut lämmöntuonti kappaleeseen voi myös jättää rakenteeseen jäännösjännityksiä jotka voivat heikentää kappaletta.

Vaurioituneesta koneenosasta tutkitaan yleensä murtuneiden pintojen laatu; niistä pystytään yleensä päättelemään murtumatyyppi. Väsyttävässä kuormituksessa murtuneet pinnat muistuttavat yleensä haurasmurtumaa. Tyypillisesti niistä näkyy myös väsymissärön ydintymispiste, josta voidaan saada johtolankoja murtuman syyhyn.

Sitkeä murtopinta näyttää usein repaleiselta ja siinä näkyy merkkejä materiaalin myötämisestä suuren staattisen kuorman alla, kuten venymiä ja kuroutumia. Hauraassa murtopinnassa sen sijaan ei ole kuroutumaa ja pinta on lohkomainen. Väsyttävässä kuormituksessa tapahtuneesta murtumasta myös usein näkyy elliptinen rintama särön alkupisteestä lähtien.

Väsymismurtumassa murtopinnan juovat osoittavat usein murtuman ydintymispisteen. Tyypillisesti murtuma etenee hitaasti, kunnes rakenteen kantava poikkipinta-ala pienenee niin että loppuosa murtuu nopeasti, joko sitkeästi tai hauraasti – riippuen materiaalista ja jännitysten suuruuksista.

Esimerkkitapaus hankkeesta

Hankkeessa tehtiin vauriotutkimus Kuopion Energia Oy:llä vaurioituneesta puhaltimen osasta. Vaurioituneesta koneenosasta sahattiin irti paloja murtuman kohdalta ja murtuman alkupiste saatiin paikallistettua murtopinnan perusteella pienahitsin läheisyyteen.

Kuvassa oikealla vaurioituneen kappaleen murtopinta. Murtopinnassa näkyy aiemmin mainittu elliptinen ”aaltorintama” joka osoittaa hitsin reunaan. Alla hie koneenosaan hitsatusta pienahitsistä. Pienahitsin hieestä näkyy selkeästi merkittävä liitosvirhe hitsin juuressa.

Liitosvirheet ovat siinä mielessä petollisia, että ne eivät näy päällepäin ja heikentävät hitsausliitoksia silti merkittävästi. Kuvan pienahitsin kantava a-mitta on pienentynyt liitosvirheen takia ainakin 50 prosenttia.

Tässä tapauksessa liitosvirhe on todennäköisesti toiminut väsymissärön ydintymispisteenä, mistä halkeama on saanut alkunsa väsyttävässä kuormituksessa. Alla oikealla kuva hieestä, jossa murtuma näkyy.

Tulevia tapahtumia ja tietoa hankkeesta

Hankkeessa toimenpiteet jatkuvat ja tapahtumiakin on luvassa. Superekosysteemin tapahtumaviikko järjestetään 8-12.11.

Tapahtumaan tulee esiintyjiä useista yrityksistä, sekä Savon ammattiopistosta ja Itä-Suomen yliopistosta. Lisätietoa verkkosivuilta klikkaamalla tästä.

Konsortion muodostaman materiakeskuksen palveluista lisää osoitteessa www.materiakeskus.fi.

”Materiaalianalyysin, käytönaikaisen kunnonseurannan ja tekoälyn hyödyntäminen teollisessa kiertotaloudessa” eli tuttavallisemmin ”MaTek”-hanke on EAKR-rahoitteinen Itä-Suomen yliopiston, Savonia-ammattikorkeakoulun ja Savon ammattiopiston muodostama materiaalitutkimuskonsortio.
Hankkeen tavoitteena on muun muassa kehittää uutta mittaustekniikkaa ja kunnossapidon työkaluja, digitalisaatiota, sekä analysoida materiaaleja ja niiden vaurioita.

Mittausdatan pohjalta pyritään muodostamaan niin sanottua Big Data –kelpoista aineistoa, jolla pystyttäisiin tekoälyn avulla ennakoimaan esimerkiksi vauriotilanteita koneissa ja laitteissa. Savonia-ammattikorkeakoulun konetekniikan osaston materiaalilaboratorio on tehnyt hankkeessa myös vaurioanalyyseja.

Kirjoittaja:

Jussi Asikainen, TKI-asiantuntija