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
Materialer endrer oppførsel ved
lave temperaturer
Utfordringer i Arktis
Kaldt halve
året
Klima I
endring
Sårbart
Samme sikkerhet som i
Nordsjøen kreves i Arktis.
Nye standarder må
utvikles!
Stål blir sprøtt!
Sannsynlighet for brudd I
bærende konstruksjoner øker
Islaster og håndtering av
ising på materialer krever
nye løsninger
Arktis
Liten erfaring
Ulykkeshåndtering en stor
utfordring. Økt sikkerhetsfokus
Is og ising
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 -60oC 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)
Arktiske forhold (ned til -60oC)
• Hvordan avgjøre om
man unngår sprøbrudd
i en konstruksjon?
• Hvordan kvalifisere
materialet eller
konstruksjonen for
Arktiske forhold?
Duktilt brudd
Sprekk i
grunnmaterial
Sprekk i sveis
Sprekk i sveis
+dynamisk last
+restspenninger
Sprøtt brudd
-80oC -50oC
OK! OK?
-0oC
Ikke OK!
Temperatur
Teknologi for et bedre samfunn
9
Ingen duktil-til-sprø overgangstemperatur i Aluminium
Bruddseighet
(CTOD/bruddseighet)
BCC
Jern
Krom
Molybden
Tungsten
Stål
FCC
Aluminium
Titan
Kobber
Gull
Sølv
Nikkel
Bly
….
Temperatur
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
0.33
0.3
23 × 10−6
12 × 10−6
Poisson ratio, ν
Termisk utvidelse, α
K−1
• 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
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.
Spenning (MPa)
•
•
•
•
•
•
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
Sveis i stål
Skarp sprekk i sveis
• I stål er sveisen sterkere enn
grunnmaterialet (BM)
• Selv med skarp sprekk så går
bruddet i BM
• NB: utfordringer ved lave
temperaturer!
• 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
Strukturell sprø oppførsel
Struktur kan absorbere store
mengder deformasjon før tap av
strukturell integritet
Tap av strukturell integritet før
store deler av konstruksjonen er
lastet til flyt
Ductile fracture
Load
Load
Brittle fracture
Påkrevd!
Metallurgisk
Lokalisering tøyning
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 -60oC
• Finnes det en effekt på
styrke i sveis når man går
ned til -60oC?
Teknologi for et bedre samfunn
22
Styrke i sveis ved lav temperatur
Teknologi for et bedre samfunn
23
Styrke i sveis ved lav temperatur
• Styrken i sveis reduseres ikke
når man går fra 0 til -60oC
• I motsetning til hva Eurocode 9
sier, så øker styrke i sveiset
forbindelse når tykkelsen øker
Styrke sveis/
styrke grunnmaterial
EN-AW 6082
EN-AW 5083
Teknologi for et bedre samfunn
24
Materialoppførsel, dokumentasjon og bruk
15
Strukturelle beregninger
45
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