Low-cycle fatigue of S960
Riski, Jani (2017)
Diplomityö
Riski, Jani
2017
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2017121955987
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2017121955987
Tiivistelmä
The purpose of this thesis was to study the behavior of SSAB’s Strenx 960 steel, when the structure is loaded in the LCF regime. The research was performed by testing experimentally welded and cut specimens made of 8 mm plate and subjected to nominal 700 MPa stress range with an applied stress ratio R = 0.1. Test specimens specified based on generally used structural details and they were laser and MAG welded butt joints, MAG welded load and non-load carrying cruciform joints, laser and water cut edges and machined edge. The effect of post-treatment on fatigue strength was investigated by post-processing a half of the welded joints with HiFIT device, which is one of the applications of the high frequency mechanical impact treatments (HFMI-treatment).
The results were analyzed applying nominal, structural and effective notch stress (ENS) method. In addition, specimens in as-welded condition were analyzed by FEA, where stresses were determined by hot spot and ENS method. The computational results were compared to the results of the experiments.
Based on the results, applying recommended fatigue classes for untreated joints, nominal stress approach leads the results on the safe side. However, in hot spot and ENS-methods, uncertainty in dimensioning increases as the results no longer rank among the confidence intervals. However, by post-treating the weld toe, all test results exceed the mean value of the recommended fatigue class. With non-welded specimens, the test results were clearly highest and for them the base material fatigue class FAT 160 was considered to be very conservative. In the FE analysis, the dispersion of results seemed to be high but, as a rule, the results overestimated fatigue capacity. Tämän työn tarkoituksena oli tutkia SSAB:n valmistaman Strenx 960 teräksen käyttäytymistä, kun rakennetta kuormitetaan lähes materiaalin myötörajan suuruisella nimellisellä jännitysvaihtelulla. Tällöin todennäköinen vauriomuoto on low-cycle fatigue (LCF), jossa väsyminen tapahtuu jo vähäisillä kuormitusvaihteluilla. Työ toteutettiin kuormittamalla 8 mm teräslevystä valmistettuja koekappaleita noin 700 MPa jännitysvaihtelulla käyttäen kuormitussuhdetta R = 0.1. Koekappaleiksi työhön valittiin MAG ja laser hitsattu päittäisliitos, MAG hitsattu kuormaa kantava ja kuormaa kantamaton X-liitos, laser- ja vesileikattu reuna sekä koneistettu reuna. Jälkikäsittelyn vaikutusta kestävyyteen tutkittiin jälkikäsittelemällä puolet hitsausliitoksista HiFIT-laitteella, joka edustaa yhtä high frequence mechanical impact treatment (HFMI-treatment) -käsittelyn muodoista.
Kokeiden tuloksia tarkasteltiin tutkimuksessa nimellisen, rakenteellisen sekä tehollisen lovijännityksen (ENS menetelmän) avulla. Lisäksi hitsatussa tilassa koestetuista sauvoista muodostettiin pinnan mittauksen avulla FE mallit, joista määritettiin jännitykset hot spot ja ENS menetelmällä. Analyysistä saatujen jännitysten avulla liitoksille määritettiin laskennalliset kestoiät, joita verrattiin kokeiden tuloksiin.
Tulosten perusteella nimellisen jännityksen mukaan mitoitettuna, hitsatussa tilassa oleville liitoksille suositellut väsymisluokat antavat varmalla puolella olevia tuloksia. Siirryttäessä hot spot menetelmän kautta ENS menetelmään, epävarmuus mitoituksessa kasvaa, sillä tulokset eivät enää sijoittuneet keskelle luottamusväliä. Rajaviivan käsittelyllä tilanne kuitenkin parani, sillä tällöin kaikki koetulokset ylittivät suositeltujen korotettujen FAT-luokkien luottamusvälin keskiviivan. Leikattujen reunojen väsymiskestävyydet olivat selvästi korkeimpia ja niiden kohdalla nykyinen perusaineen väsymisluokka FAT 160 vaikutti hyvin konservatiiviselta. FE-analyysissä tulosten hajonta osoittautui suureksi, mutta kuitenkin pääsääntöisesti tulokset antoivat liian positiivisen kuvan kestoiästä.
The results were analyzed applying nominal, structural and effective notch stress (ENS) method. In addition, specimens in as-welded condition were analyzed by FEA, where stresses were determined by hot spot and ENS method. The computational results were compared to the results of the experiments.
Based on the results, applying recommended fatigue classes for untreated joints, nominal stress approach leads the results on the safe side. However, in hot spot and ENS-methods, uncertainty in dimensioning increases as the results no longer rank among the confidence intervals. However, by post-treating the weld toe, all test results exceed the mean value of the recommended fatigue class. With non-welded specimens, the test results were clearly highest and for them the base material fatigue class FAT 160 was considered to be very conservative. In the FE analysis, the dispersion of results seemed to be high but, as a rule, the results overestimated fatigue capacity.
Kokeiden tuloksia tarkasteltiin tutkimuksessa nimellisen, rakenteellisen sekä tehollisen lovijännityksen (ENS menetelmän) avulla. Lisäksi hitsatussa tilassa koestetuista sauvoista muodostettiin pinnan mittauksen avulla FE mallit, joista määritettiin jännitykset hot spot ja ENS menetelmällä. Analyysistä saatujen jännitysten avulla liitoksille määritettiin laskennalliset kestoiät, joita verrattiin kokeiden tuloksiin.
Tulosten perusteella nimellisen jännityksen mukaan mitoitettuna, hitsatussa tilassa oleville liitoksille suositellut väsymisluokat antavat varmalla puolella olevia tuloksia. Siirryttäessä hot spot menetelmän kautta ENS menetelmään, epävarmuus mitoituksessa kasvaa, sillä tulokset eivät enää sijoittuneet keskelle luottamusväliä. Rajaviivan käsittelyllä tilanne kuitenkin parani, sillä tällöin kaikki koetulokset ylittivät suositeltujen korotettujen FAT-luokkien luottamusvälin keskiviivan. Leikattujen reunojen väsymiskestävyydet olivat selvästi korkeimpia ja niiden kohdalla nykyinen perusaineen väsymisluokka FAT 160 vaikutti hyvin konservatiiviselta. FE-analyysissä tulosten hajonta osoittautui suureksi, mutta kuitenkin pääsääntöisesti tulokset antoivat liian positiivisen kuvan kestoiästä.