Väitös

Kuormitusolosuhteet vaikuttavat materiaalien lujuuteen ja mekaaniseen käyttäytymiseen

Materiaalien lujuusominaisuudet ja mekaaninen käyttäytyminen riippuvat kuormitusolosuhteista, kuten lämpötilasta ja kuormitus- tai muodonmuutosnopeudesta. Erityisesti muodonmuutosnopeuden vaikutus on tulossa yhä merkittävämmäksi erilaisten mekaanisten tapahtumien ja teollisten prosessien jatkuvasti nopeutuessa.

Toisaalta erilaisten ilmiöiden ja prosessien numeerinen mallintaminen vaatii entistä tarkempia materiaalien käyttäytymistä kuvaavia malleja, joiden kehittäminen ja validointi puolestaan perustuvat kokeelliseen tutkimustyöhön todellisuutta vastaavissa olosuhteissa.

Materiaalien testaaminen veto- tai puristuskokeilla on nykyisin normaali käytäntö sekä materiaalien valmistuksessa että niiden käyttöön liittyvässä laadunvalvonnassa. Tämä tapahtuu yleensä varsin matalilla kuormitusnopeuksilla ja useimmiten huoneenlämpötilassa.

Sekä tuotteiden valmistusprosesseissa että niiden käyttötilanteissa syntyy kuitenkin usein sellaisia tilanteita, joissa materiaaliin kohdistuu sekä suuria muodonmuutosnopeuksia että huoneenlämpötilasta merkittävästikin poikkeavia lämpötiloja. Tällöin myös materiaalitestaus tulisi suorittaa näitä tilanteita vastaavissa olosuhteissa. Tässä työssä on käytetty ja edelleen kehitetty ns. Hopkinson Split Bar -tekniikkaa, jonka avulla voidaan saavuttaa hyvinkin korkeita muodonmuutosnopeuksia erittäin laajalla lämpötila-alueella.

DI Jari Rämö esittää väitöstutkimuksessaan useita esimerkkitapauksia, joissa muodonmuutosnopeudella ja/tai lämpötilalla on suuri merkitys materiaalien käyttäytymiseen ja valmistus- tai käyttöprosessin tapahtumiin. Esimerkiksi kylmätyssäyksellä voidaan valmistaa pultteja siten, että muotissa olevaa metallilangan päätä isketään kohtuullisen suurella nopeudella, jolloin siitä muotoutuu pultin kanta. Kannan muokkautuessa voimakkaasti pultin varsi tai osuus, johon tulee myöhemmin kierre, ei muokkaudu lainkaan. Tästä seuraa, että työkappaleessa esiintyy samanaikaisesti hyvin erilaisia myötönopeuksia ja myötymiä (muodonmuutoksia) paikasta riippuen. Tyssäystapahtuman aikana nämä arvot lisäksi muuttuvat jatkuvasti. Myös työkappaleen lämpötila nousee yleensä useita kymmeniä asteita, koska nopeasti tapahtuvan muokkauksen aikana muokkaustyön synnyttämä lämpö ei ehdi poistua työkappaleesta vaan nostaa hetkellisesti sen lämpötilaa.

- Materiaalien lujuusominaisuuksien kokeellinen määrittäminen kaikilla mahdollisilla myötymä-, myötönopeus- ja lämpötilayhdistelmillä ei ole käytännössä järkevää tai edes mahdollista käytettävissä olevilla menetelmillä, Rämö toteaa.

- Jos mittauksia on kuitenkin tehty riittävästi ja sopivasti valituilla arvoilla, tulosten pohjalta on mahdollista kehittää sellaisia matemaattisia malleja, joiden antamat arvot vastaavat mitattuja arvoja sekä antavat riittävällä tarkkuudella materiaalin ominaisuudet myös mitattujen arvojen väliltä ja oikein tehtynä myös jokin verran mitatun alueen ulkopuolelta.

- Kun tällainen materiaalimalli yhdistetään esim. FE-laskentaohjelmaan, voidaan monimutkaisiakin muodonmuutosprosesseja simuloida suhteellisen hyvällä tarkkuudella, Rämö sanoo.

Diplomi-insinööri Jari Rämön materiaalitekniikan alaan kuuluva väitöskirja Experimental Studies and Numerical Modeling of Strain Rate and Temperature Dependent Material Behavior in Dynamic Processes tarkastetaan tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnassa perjantaina 22.11.2019 klo 12:00 alkaen Konetalon salissa K1703, Korkeakoulunkatu 6. Vastaväittäjinä toimivat professori Ezio Cadoni ja Ph.D. Hervé Couque. Kustoksena toimii professori Veli-Tapani Kuokkala tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnasta.

Väitöskirjaan voi tutustua osoitteessa http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-1337-1