3/2011
[
]
36
lehdissä, ja lopulliset tulokset julkaistaan
tämän vuoden aikana. Väsymisominaisuuk-
sien osalta työ on aloitettu ja ensimmäiset
kokeelliset tulokset on julkaistu. Tutkimuk-
sen on tarkoitus olla valmiina vuoden 2013
loppuun mennessä.
Hybridiliitoksia käytetään laajalti auto- ja
lentoteollisuudessa, joissa rakenteen ke-
veys ja kestävyys ovat tärkeimmät tekijät
suunnittelussa. Erikoislujista teräksistä val-
mistetuissa ohutlevyissä käytetään liimaa
lisäämään rakenteen maksimikuormaa kit-
kaan perustuvissa luistamattomissa pulttilii-
toksissa. Tässä yhteydessä ollaan kuitenkin
kiinnostuneita massiivisemmista liitoksista,
joissa pulttien kiristämisen seurauksena
liimapinta on voimakkaan puristuksen alai-
sena. Osa liimasta puristuu ulos kontakti-
pinnalta, ja jäljelle jäävä liima täyttää me-
tallin pinnankarheuden väliin jäävät alueet
niin, että metallin pinnankarheuden huiput
ovat osittaisessa kosketuksessa. Tämä on
havainnollistettu kuvassa 1. Kuvassa 2 on
mikroskooppikuva liimatusta pinnasta 100
MPa puristuksen alaisena kolmella eri pin-
nankarheudella.
Tutkimuksen ensimmäisessä vaiheessa
määritellään hybridiliitoksen murtumisessa
vallitsevat ilmiöt. Tätä varten Aalto-yliopis-
tossa on suunniteltu testijärjestely, jossa lii-
toksen kontaktipinnalla vallitseva jännitystila
on mahdollisimman yksiselitteinen. Pintaan
kohdistetaan vakiona pysyvä puristusjänni-
tys, ja murtuminen aiheutetaan leikkaus-
jännityksen avulla. Tässä koejärjestelyssä
puristusjännitystä ei aiheuteta pulttien avul-
la, vaan koekappaleet puristetaan yhteen
aksiaalisesti. Näin saadaan aikaan tasainen
puristus koko kontaktipinnan alueelle. Kon-
taktipinta on melko kapea, joten pinnalla val-
litseva leikkausjännityskenttä on tasainen.
Pinnalla vallitsee siis hyvin tasainen yhdis-
tetty puristus- ja leikkausjännitystila, jolloin
pinnan murtumiseen vaikuttavien muuttujien
lukumäärä voidaan minimoida. Kuvassa 3
on testeissä käytetty napkin ring –tyyppinen
koekappale, sekä piirustus testilaitteesta.
Kaksi koekappaletta liimataan toisiinsa si-
ten, että vain kappaleen renkaan muotoinen
pinta reunalla koskettaa toisen kappaleen
samanlaista pintaa.
Tutkimuksen toinen vaihe oli kehittää edel-
lä kuvattujen kokeiden tulosten perusteella
analyyttinen malli liitoksen murtumiselle.
Staattisen kuormituksen aiheuttama liiman
koheesiomurtuminen on mallinnettu Cohe-
sive Zone Modeling (CZM) –tekniikan avulla.
Liitoksen murtuminen ratkaistiin elementti-
menetelmällä käyttämällä ABAQUS-ohjelman
sisäänrakennettuja CZM-elementtejä. Vauri-
on etenemistä kuvaava yhtälö ja tarvittavat
materiaaliparametrit johdettiin edellä kuvat-
tujen kokeiden tuloksista. Lisäksi metallin
pinnankarheuden kosketuksen aiheuttama
kitka otettiin huomioon määrittelemällä kap-
Kuva 2. Mikroskooppikuvat kontaktipinnoista 100 MPa puristuksen alaisena. Vastaavat pin-
takäsittelyt ovat (a) hienohionta, (b) karkeahionta ja (c) hiekkapuhallus.
paleiden välille kitkallinen kontakti. (Oinonen
& Marquis, Engng Fract Mech 2011).
Seuraavassa vaiheessa testataan mallin
toimivuutta todellisen kaltaisilla liitoksilla.
Tätä varten suunniteltiin koejärjestely, jossa
massiivista liimattua ja pultattua limiliitosta
kuormitetaan vedossa. Koekappaleet on esi-
tetty kuvassa 4. Tässä liitoksessa pinnalla
vallitseva puristusjännitys aiheutuu pulttien
kiristyksestä, ja ei siten ole vakio koko kon-
taktipinnalla. Lisäksi leikkausjännitys jakau-
tuu epätasaisesti eri pulttien välille. Kehitetty
Kuva 3. Ylhäällä: Murtumismallin kehittämiseen käytetty ns. napkin ring koekappale, jossa
liimattu kontaktipinta on vain kappaleen reunalla oleva 2 mm leveä alue. Alhaalla vasem-
malla piirros koelaitteistosta, jossa kaksi toisiinsa liimattua koekappaletta (1) on aksiaali-
sen puristuksen alaisena ja liimapinta murretaan väännön avulla. Alhaalla oikealla yksityis-
kohtainen piirros koekappaleesta ja siihen kohdistuvat kuormitukset.
vauriomalli ottaa kuitenkin automaattisesti
huomioon jännityskentän vaihtelut. Kaksi
erityyppistä täyden mittakaavan koekappa-
letta suunniteltiin: toisessa on kaksi pulttia
rinnan, toisessa kolme pulttia peräkkäin.
Koekappaleen toinen pää kiinnitettiin tiukasti
isommilla pulteilla, ja toinen pää instrumen-
toiduilla pulteilla, joiden on tarkoitus luistaa
vetokuormituksen seurauksena. Kappaleiden
siirtymää mittaamaan kiinnitettiin siirtymäan-
turi kuvan 4 osoittamaan paikkaan. Koe- ja
simulointitulokset tullaan julkaisemaan heti
niiden valmistuttua. Alustavat tulokset kui-
