Determination of fracture behavior of UHSS steels at low temperatures

Abstract

Structural life and failure probability assessment has become increasingly common practice in modern structural engineering, when attempting to optimize the overall costs and service reliability of engineered structures. For same reasons, the use of ultrahigh strength steels (UHSS) has also become more common in structural engineering. Lack of research, as well as relevant design and fabrication guidelines have however limited the applications of UHSS steels as structural engineering materials. In this thesis, aspects of fracture mechanical testing were examined for purposes of productizing the fracture toughness testing method considered. The theoretical background of fracture mechanics and the most essential testing standards were reviewed and fracture toughness of two ultrahigh-strength, quenched and tempered martensitic steels at low temperature were determined. Selected fracture toughness parameters were the crack-tip opening displacement and the ductile-to-brittle transition reference temperature. Fracture surface examinations were carried out with scanning electron microscope imaging. The studied tool steel was found to behave structurally brittle while the studied stainless steel behaved structurally ductile in the fracture toughness tests. Based on the standards and theory addressed in this work, working instructions for fracture toughness testing as well as spreadsheets for parameter calculations, and for determination of uncertainties of testing for one of the parameters, were prepared for productization of the test method.

Rakenteiden käyttöiän sekä vioittumistodennäköisyyksien arvioinnit ovat käytäntönä entistä yleistyneempiä optimoitaessa rakenteiden kokonaiskustannuksia sekä huoltovarmuutta nykyaikaisessa rakennesuunnittelussa. Samoista syistä myös ultralujien terästen (UHSS) käyttö on yleistynyt rakennesuunnittelussa. Tutkimuksen sekä asiaankuuluvien suunnittelu- ja valmistusohjeiden puute on kuitenkin rajoittanut UHSS-terästen soveltamista materiaaleina rakennesuunnittelussa. Tässä diplomityössä perehdyttiin murtumismekaaniseen testaukseen murtumissitkeysmittausmenetelmän tuotteistamista varten. Työssä tarkasteltiin murtumismekaniikan teoreettista taustaa ja tärkeimpiä testausstandardeja, sekä määritettiin murtositkeys kahdelle ultralujalle, nuorrutetulle martensiittiselle teräkselle matalassa lämpötilassa. Valitut murtumissitkeysparametrit olivat särön kärjen avauma sekä sitkeä-hauras-siirtymän referenssilämpötila. Murtopintatutkimukset suoritettiin pyyhkäisyelektronimikroskoopilla. Työssä tutkitun työkaluteräksen havaittiin käyttäytyvän murtumissitkeys kokeissa hauraasti, tutkitun ruostumattoman teräksen puolestaan sitkeästi. Työssä tarkasteltujen standardien sekä teorian pohjalta laadittiin testausmenetelmän tuotteistamista varten työohje murtositkeystestauksen suorittamiselle sekä laskentataulukot murtumisparametrien laskentaa ja erään parametrin mittaepävarmuuden määrittämistä varten.