15/9/2005 Den Tekniske Messen 2015 Aluminium brukt under ekstreme forhold Håkon Nordhagen, Seniorforsker, SINTEF Materialer og Kjemi Avdeling for Material- og Konstruksjonsmekanikk Bård Nyhus, Seniorforsker, SINTEF Materialer og Kjemi Avdeling for Bruddmekanikk og Sammenføyning Teknologi for et bedre samfunn 1
Oversikt Utfordringer i Arktis - et materialperspektiv Aluminium vs. stål som konstruksjonsmateriale Fordeler og ulemper med bruk av Aluminium Forskningstema ved SINTEF for utvidet bruk av Al ved arktiske forhold Dokumentering oppførsel ved lave temperaturer Forbedre styrken i sveisede forbindelser Teknologi for et bedre samfunn 2
Arktis Stor andel av uutnyttede olje-, gassog mineralressurser finnes her Mindre havis åpner for økt skipstrafikk til og fra Asia Stor biologisk aktivitet Uvisshet om framtidig aktivitet, men man må være forberedt Teknologi for et bedre samfunn 3
Utfordringer i Arktis Kaldt halve året Materialer endrer oppførsel ved lave temperaturer Stål blir sprøtt! Sannsynlighet for brudd I bærende konstruksjoner øker Sårbart Klima I endring Samme sikkerhet som i Nordsjøen kreves i Arktis. Nye standarder må utvikles! Arktis Islaster og håndtering av ising på materialer krever nye løsninger Liten erfaring Is og ising Ulykkeshåndtering en stor utfordring. Økt sikkerhetsfokus Liten infrastruktur Lang transportvei og krav om lav energibruk krever lette, nye og smarte materialløsniner Teknologi for et bedre samfunn 4
Gode egenskaper til Aluminium Lav tetthet (1/3 av stål) God styrke og bruddseighet (sammenlignbart med stål) Lett å forme (ekstrudering) Forringes ikke av lave temperaturer God korrosjonsmotstand (alene) Gjenvinning Teknologi for et bedre samfunn 5
Arktiske temperaturer Teknologi for et bedre samfunn 6
Lave temperaturer Mange materialer blir "sprø "ved lav temperatur Temperaturer ned til -60 o C i Arktis God erfaring ved bruk av Al ved lav temperatur: Kryogeniske tanker Luftfart Romfart Hva vil det si at et materiale blir "sprøtt"? Teknologi for et bedre samfunn 7
Temperaturer i Arktis Teknologi for et bedre samfunn 8
Sprøbrudd hovedutfordringen med stål Bruddseighet (CTOD/bruddseighet) Sprekk i grunnmaterial Arktiske forhold (ned til -60 o C) Duktilt brudd Sprekk i sveis Hvordan avgjøre om man unngår sprøbrudd i en konstruksjon? Hvordan kvalifisere materialet eller konstruksjonen for Arktiske forhold? Sprøtt brudd -80 o C OK! -50 o C OK? -0 o C Ikke OK! Sprekk i sveis +dynamisk last +restspenninger Temperatur Teknologi for et bedre samfunn 9
Ingen duktil-til-sprø overgangstemperatur i Aluminium Bruddseighet (CTOD/bruddseighet) BCC Stål Jern Krom Molybden Tungsten Aluminium Temperatur FCC Titan Kobber Gull Sølv Nikkel Bly. Teknologi for et bedre samfunn 10
Bruddseighet i stål and aluminium Teknologi for et bedre samfunn 11
Utstrakt bruk i dag men potensialet større i Arktis Bilde: Marine Aluminium Teknologi for et bedre samfunn 12
Aluminium er muliggjørende Helikopterdekk Teleskopiske gangbruer Bilder: Marine Aluminium Teknologi for et bedre samfunn 13
Vektbesparende Aluminium Stål Tetthet kg m 3 2,700 7,800 Young-modulus, E N mm 2 70,000 210,000 Skjær-modulus, G N mm 2 27,000 81,000 Poisson ratio, ν 0.33 0.3 Termisk utvidelse, α K 1 23 10 6 12 10 6 Typisk kan 50% vektreduksjon oppnås ved bruk av Aluminium i stedet for stål Mye større frihet ved bruk av profilekstrudering av Al Slipper sveising (kilde til brudd) Teknologi for et bedre samfunn 14
Design Stål vs Aluminium Spenning (MPa) Samme last (11.6 kn/m) og nedbøyning (L/250) Vektbesparelse 40% ved bruk av Al 4 ganger under flyt for Al 2 ganger under flyt i Stål 4.6 ganger under brudd for Al 3.5 ganger under brudd for Stål Spenning (MPa) Stål Alu. Tøyning Teknologi for et bedre samfunn 15
Utfordringer ved bruk av Aluminium Sveising: myke soner i varmepåvirket sone Korrosjon: mindre edelt enn stål Brann: lavt smeltepunkt Utmatning: mer utsatt for "high cycle" utmatning Lav stivhet: utsatt for instabilitet (bukling) Teknologi for et bedre samfunn 16
Utfordringer ved bruk av Aluminium Teknologi for et bedre samfunn 17
Utfordringer med sveising av Aluminium I stål er sveisen sterkere enn grunnmaterialet (BM) Selv med skarp sprekk så går bruddet i BM NB: utfordringer ved lave temperaturer! Sveis i stål Skarp sprekk i sveis Sveisen er i mange legeringer (utherdbare) det svakeste punktet All deformasjon lokaliseres i et tynt band i sveisen. Kan føre til strukturell "sprø" oppførsel Teknologi for et bedre samfunn 18
Load Load Strukturell sprø oppførsel Tap av strukturell integritet før store deler av konstruksjonen er lastet til flyt Brittle fracture Struktur kan absorbere store mengder deformasjon før tap av strukturell integritet Ductile fracture Metallurgisk Lokalisering tøyning Påkrevd! Displacement Displacement Teknologi for et bedre samfunn 19
Myke soner i sveis i Al Teknologi for et bedre samfunn 20
Noen Al-forskningstema ved SINTEF Dokumentasjon av styrke til sveisede Alforbindelser ved Arktiske temperaturer Forbedring av styrke til sveisede Al-forbindelser KPN Arktiske Materialer (2013-2017). 50 % Industri og 50% Norges forskningsråd Teknologi for et bedre samfunn 21
Dokumentasjon av effekt av temperatur og tykkelse på styrken til sveisede Al forbindelser. To legeringer: EN-AW 6082-T6 EN-AW 5083-H321 4 tykkelser Tverrstrekk av sveis Materialoppførsel som funksjon av temperatur Ned til -60 o C Finnes det en effekt på styrke i sveis når man går ned til -60 o C? Teknologi for et bedre samfunn 22
Styrke i sveis ved lav temperatur Teknologi for et bedre samfunn 23
Styrke i sveis ved lav temperatur Styrke sveis/ styrke grunnmaterial Styrken i sveis reduseres ikke når man går fra 0 til -60 o C I motsetning til hva Eurocode 9 sier, så øker styrke i sveiset forbindelse når tykkelsen øker EN-AW 6082 EN-AW 5083 Teknologi for et bedre samfunn 24
Materialoppførsel, dokumentasjon og bruk 15 45 Strukturelle beregninger Materialmodeller Teknologi for et bedre samfunn 25
Unngå svake soner i sveisede Al-forbindelser Teknologi for et bedre samfunn 26
Unngå svake soner i sveisede Al-forbindelser Hvordan lage en sveiset forbindelse som flytter all deformasjon vekk fra sveisen? Teknologi for et bedre samfunn 27