Materiaalit väsyvät kuten urheilijat

Mekaanisella väsymisellä tarkoitetaan rakenteen tai rakenneosan vähittäistä vaurioitumista toistuvan vaihtuvan kuormitusrasituksen alaisena. Rakennustekniikassa väsymisilmiöiden huomioiminen on tulossa yhä tärkeämmäksi rakenteiden hoikistumisen seurauksena käytettäessä yhä lujempia materiaalilaatuja.

(kuva: Laserpinnoitetun sauvan väsymiskuormituskoe. Kuva Jarmo Poutala)

Rakenteiden mekaniikan tutkimusryhmässä on tutkittu väsymisilmiöitä useiden vuosien ajan niin kokeellisesti kuin teoreettisin ja laskennallisin menetelmin. Väsymisilmiöiden analysointimenetelmät ovat usein perustuneet varsin vanhanaikaisiin periaatteisiin. Erityisesti epäsäännöllisen kuormitusspektrin ja moniaksiaalisen jännitystilan analysointi on perustunut redusointeihin yksiulotteisen jännityshistorian käsittelyyn heuristisiin analogioiden avulla.  Tutkimusryhmässämme on kehitetty uudenlaista evoluutioyhtälöpohjaista väsymisanalysointimenetelmää, joka poistaa monet klassisen analysointimenetelmän puutteet ja epämääräisyydet ja käsittelee väsymisilmiötä prosessina eikä tilasuureiden määrittelemänä vauriotapahtumana.

Perinteisesti väsymisanalysointimenetelmät on jaettu kahteen pääryhmään, joka perustuu siihen, kuinka paljon epäelastisia venymiä kuormitusprosessissa syntyy. Nämä ovat myötöväsyminen, engl. low cycle fatigue (LCF), jolloin rakenteeseen syntyy merkittäviä plastisia muodonmuutoksia ja väsymisikä on alhainen, ja jännitysväsyminen, engl. high cycle fatigue (HCF), jolloin käyttäytyminen on pääosin elastista ja vaurioituminen on hyvin rajoittunutta materiaalivirheiden, sulkeumien ja pienhuokosten ympäristössä.

Myötöväsymis- ja jännitysväsymisaluetta voitaisiin verrata erilaisiin juoksumatkoihin. Lyhyillä matkoilla energiantuotto tapahtuu pääasiassa anaerobisesti ja väsymisen aiheuttaa maitohapon liiallinen kertyminen lihaksiin.  Tätä vastaa myötöväsymisalue, jossa plastisten muodonmuutosten kasautuminen johtaa murtumaan. Pidemmillä juoksumatkoilla energia tuotetaan aerobisesti ja väsyminen on huomattavasti monimutkaisempi prosessi, johon vaikuttavat lihasten entsyymiaktiivisuus, maitohapon poistomekanismien teho jne.  Näin on myös jännitysväsymisen kanssa, sen mikromekaaniset syyt ovat moninaiset ja juontavat juurensa materiaalin mikrorakenteesta. Juoksussa transitio anaerobisen ja aerobisen energiatuoton välillä tapahtuu noin kahden minuutin suoritusajalla, vastaten noin 800 metrin juoksua, tällöin energiaa tuotetaan kummillakin mekanismeilla yhtä paljon. Säännöllisessä syklisessä kuormituksessa myötö- ja jännitysväsymisen muutosalue on noin tuhannen ja kymmenentuhannen kuormitusjakson välillä.

Evoluutioyhtälöpohjainen väsymisanalysointimenetelmä mahdollistaa väsymisalueiden yhtenäisen käsittelyn.  Myös erilaiset spesifit ongelmat, kuten jännityskeskittymien huomioonotto voidaan tehdä konsistentisti ilman taulukoituja korjauskertoimia.  Myös laajentaminen stokastisten prosessien suuntaan on luontevaa, sillä malli perustuu differentiaaliyhtälöihin.  Anisotropian huomioiminen onnistuu helposti, toisin kuin paljon käytetyissä kriittisen tason malleissa. Evoluutioyhtälöpohjaisia väsymismalleja on sovellettu menestyksellisesti metalleihin ja polymeereihin. Laajentaminen hauraiden aineiden, kuten betonin, käsittelyyn on mahdollista.

www.tut.fi