Ultralujat teräkset kestävien koneiden suunnittelussa
Keränen, Lassi (2025-01-24)
© University of Oulu, 2025. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited. © Oulun yliopisto, 2025. Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.
https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
https://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-202412187445
Kuvaus
Tiivistelmä
In this dissertation, the properties of ultrahigh-strength steels S700 and S960 were investigated from a design perspective. The purpose of the research is to facilitate the utilization of ultrahigh-strength steels, for example, in agricultural, transportation, construction and industrial machinery. The high strength, hardness and ductility of ultrahigh-strength steels improve capacity and cost-efficiency. Because less ultrahigh-strength steel is needed, machines can be made lighter, reducing emissions starting from the production of the ultrahigh-strength steel. Welding is the most common method for joining machine components. However, the heat induced by welding can reduce the properties of ultrahigh-strength steel almost to the level of regular steel. In this case, knowledge of the properties of ultrahigh-strength steels and the potential changes caused by further processing becomes more critical for safe and efficient design.
The dissertation investigates the properties of ultrahigh-strength steels in both unwelded and welded conditions in temperature range from −80 °C to +1000 °C. The properties were determined using microscopy, tensile tests, and residual stress measurements. Additionally, the specific characteristics of ultrahigh-strength steels were examined through case studies using well-known design methods.
The results showed that higher welding heat input causes lower strength and higher residual stress in ultrahigh-strength steel. Higher welding heat input also increases grain size in the heat-affected zone, which is reflected in reduced ductility. Together these changes affect the behaviour of ultrahigh-strength structures under both static and variable loading. Based on the test results, new analytical models for assessing strength and toughness properties, grain size in the heat-affected zone, and residual stresses from welding as a function of operating temperature and welding heat input were developed. These models make it easier for mechanical engineers to evaluate the properties needed in the design of ultrahigh-strength machine structures.
Väitöstyössä tutkittiin ultralujien S700- ja S960-terästen ominaisuuksia suunnittelutehtävien näkökulmasta. Tutkimuksen tavoitteena on helpottaa ultralujien terästen hyödyntämistä esimerkiksi maatalouden, kuljetus- ja rakennusalan sekä teollisuuden koneiden rakentamisessa. Ultralujien terästen korkea lujuus, kovuus ja sitkeys parantavat koneen kapasiteettia ja kustannustehokkuutta päästöjä vähentäen. Koska ultralujaa terästä tarvitaan vähemmän, koneista voidaan valmistaa kevyempiä ja teräksen aiheuttamat päästöt vähenevät jo teräksen tuotannosta alkaen. Hitsaus on yleisin menetelmä koneenosien liittämiseksi. Hitsauksessa ultralujaan teräkseen tuotu lämpö voi kuitenkin heikentää ultralujan teräksen ominaisuuksia lähes perinteisen rakenneteräksen tasolle. Tällöin ultralujien terästen ominaisuuksien ja jatkojalostuksen aiheuttamien mahdollisten muutosten tunteminen korostuu turvallisen ja tehokkaan suunnittelun kannalta.
Väitöskirjassa on tutkittu ultralujien terästen ominaisuuksia hitsaamattomana ja hitsattuna eri lämpötiloissa aina −80 °C:n ja +1000 °C:n välillä. Ominaisuudet määritettiin mikroskopian, vetokokeiden ja jäännösjännitysmittausten avulla. Lisäksi tapaustutkimuksissa selvitettiin ultralujien terästen erityispiirteitä tunnettujen suunnittelumenetelmien avulla.
Tulokset osoittavat, että hitsauslämmöntuonnin kasvaessa ultralujien terästen lujuus pienenee ja jäännösjännitykset kasvavat. Suurempi lämmöntuonti kasvattaa hitsauksen lämpövyöhykkeen raekokoa, mikä heikentää sitkeyttä. Muutokset yhdessä vaikuttavat ultralujan rakenteen käyttäytymiseen sekä staattisessa että vaihtelevassa kuormituksessa. Koetulosten perusteella kehitettiin uusia malleja lujuus- ja sitkeysominaisuuksien, raekoon sekä hitsausjäännösjännitysten arvioimiseksi koneenosan käyttölämpötilan ja hitsauslämmöntuonnin perusteella. Näiden mallien avulla koneensuunnittelijoiden on yhä helpompi arvioida ultralujien konerakenteiden suunnittelussa tarvittavia ominaisuuksia.
Original papers
-
Keränen, L. (2017). Kyntöauran rakenteiden kehittäminen mitatun kuormitusaineiston perusteella. Rakenteiden Mekaniikka, 50(4), 405–419. https://doi.org/10.23998/rm.64418 https://doi.org/10.23998/rm.64418
-
Keränen, L., & Niskanen, J. (2020). Hitsiliitoksen geometrian vaikutus väsymismitoituksessa. Rakenteiden Mekaniikka, 53(3), 281–303. https://doi.org/10.23998/rm.83365 https://doi.org/10.23998/rm.83365
-
Keränen, L., Kangaspuoskari, M., & Niskanen, J. (2021). Ultrahigh-strength steels at elevated temperatures. Journal of Constructional Steel Research, 183, 106739. https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2021.106739 https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2021.106739
-
Keränen, L., Nousiainen, O., Javaheri, V., Kaijalainen, A., Pokka, A.-P., Keskitalo, M., Niskanen, J., & Kurvinen, E. (2022). Mechanical properties of welded ultrahigh-strength S960 steel at low and elevated temperatures. Journal of Constructional Steel Research, 198, 107517. https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2022.107517 https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2022.107517
-
Keränen, L., Pylvänäinen, M., Kaijalainen, A., Jokiaho, T., Tulonen, J., Hyvärinen, A., Vippola, M., & Kurvinen, E. (2024). Residual stresses of MAG-welded ultrahigh-strength steel rectangular hollow sections. Engineering Structures, 305, 117719. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2024.117719 https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2024.117719
Osajulkaisut
-
Keränen, L. (2017). Kyntöauran rakenteiden kehittäminen mitatun kuormitusaineiston perusteella. Rakenteiden Mekaniikka, 50(4), 405–419. https://doi.org/10.23998/rm.64418 https://doi.org/10.23998/rm.64418
-
Keränen, L., & Niskanen, J. (2020). Hitsiliitoksen geometrian vaikutus väsymismitoituksessa. Rakenteiden Mekaniikka, 53(3), 281–303. https://doi.org/10.23998/rm.83365 https://doi.org/10.23998/rm.83365
-
Keränen, L., Kangaspuoskari, M., & Niskanen, J. (2021). Ultrahigh-strength steels at elevated temperatures. Journal of Constructional Steel Research, 183, 106739. https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2021.106739 https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2021.106739
-
Keränen, L., Nousiainen, O., Javaheri, V., Kaijalainen, A., Pokka, A.-P., Keskitalo, M., Niskanen, J., & Kurvinen, E. (2022). Mechanical properties of welded ultrahigh-strength S960 steel at low and elevated temperatures. Journal of Constructional Steel Research, 198, 107517. https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2022.107517 https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2022.107517
-
Keränen, L., Pylvänäinen, M., Kaijalainen, A., Jokiaho, T., Tulonen, J., Hyvärinen, A., Vippola, M., & Kurvinen, E. (2024). Residual stresses of MAG-welded ultrahigh-strength steel rectangular hollow sections. Engineering Structures, 305, 117719. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2024.117719 https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2024.117719
Kokoelmat
- Avoin saatavuus [38865]