Influence of grain size distribution on strength of welded shipbuilding structural steel
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering |
Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
Authors
Date
2012
Department
Major/Subject
Koneenrakennuksen materiaalitekniikka
Mcode
Kon-67
Degree programme
Language
en
Pages
vi + 47 s. + [20]
Series
Abstract
The grain size distribution of metals has a significant influence on their mechanical properties. Welded joints are a particular case where a large variety of grain size distributions are observed. In this thesis, the influence of grain size distribution on strength of welded shipbuilding structural steel (GL A36/D36) is investigated. Weld samples have been manufactured with arc, laser and laser-hybrid welding using thin plates (<=5 mm). In addition to eight weld metal microstructures, two base materials are included in the test series. The microstructure and mechanical properties are characterized using state of the art methods, such as electron backscatter diffraction (EBSD) and instrumented indentation testing (IIT). Typically, the mean grain size is used as the characteristic measure of a microstructure. This thesis presents an alternative approach for the measurement of grain size that considers the volume of grains. The volume of grains has to be accounted for, since large grains occupy a significantly large fraction in a finite material volume. The hypothesis is tested by weighting grain size measurement data with grain volume. Stereological principles are utilized for the determination of the volume-weighted mean grain size. The used test methods are validated for the characterization of weld metal. Experimental results show that the dependence of strength on grain size distribution is eliminated by using the volume-weighted mean grain size; a linear Hall-Petch relation is maintained for all grain size distributions. The key finding of the thesis is the linear correlation between the mean grain size and the volume-weighted mean grain size, which is valid for all tested specimens regardless of the type of microstructure or shape of grains. By applying the found correlation, the Hall-Petch equation is re-formulated and validated with data from the literature. The presented approach is of general nature and independent of known distribution functions. From a practical point of view, the presented approach enables the measurement of volume-weighted mean grain size to be carried out using existing standard methods.Raekoon hajonnalla on huomattava vaikutus metallisten materiaalien mekaanisiin ominaisuuksiin. Hitsatut liitokset ovat erityiskohde, joissa havaitaan laajaa raekokohajontaa. Tässä työssä tarkastellaan raekoon hajonnan vaikutusta hitsatun laivanrakennusteräksen (GL A36/D36) lujuuteen. Työssä on tarkasteltu kaari-, laser- ja laser-hybridihitsattuja ohuita levyjä (<=5 mm). Koesarjaan kuuluu kahdeksan hitsiaineen lisäksi kaksi perusmateriaalia. Mikrorakenteen ja mekaanisten ominaisuuksien määrittämiseen käytettiin edistyneitä tutkimusmenetelmiä, kuten pyyhkäisyelektronimikroskopiaa ja instrumentoitua kovuusmittausta. Perinteisesti mikrorakennetta kuvataan keskimääräisellä raekoolla. Tässä työssä esitetään vaihtoehtoinen tapa raekoon määrittämiseen, joka huomioi rakeiden tilavuuden vaikutuksen. Rakeiden tilavuus pitää huomioida, koska isojen rakeiden tilavuus rajatussa määrässä materiaalia on merkittävän suuri ja se vaikuttaa siten myös lujuuteen. Tilavuuspainotetun raekoon määrittämisessä käytetään hyödyksi stereologiaa ja hitsiaineille validoituja mittausmenetelmiä. Kokeelliset tulokset osoittavat, että raekoon hajonnan vaikutus lujuuteen katoaa, kun käytetään tilavuuspainotettua keskimääräistä raekokoa; kaikki raekokohajonnat noudattavat samaa lineaarista Hall-Petch -yhtälöä. Työn olennainen tulos on relaation löytäminen keskimääräisen ja tilavuuspainotetun keskimääräisen raekoon välille. Relaatio on sama kaikille tutkituille näytteille mikrorakenteen tyypistä tai rakeiden muodosta riippumatta. Löydettyä relaatiota käyttämällä Hall-Petch -yhtälö on johdettu uuteen muotoon ja sen antamia tuloksia verrataan kirjallisuuteen. Esitetty yhtälö on yleistä tasoa, eikä se ole riippuvainen raekoon hajontaa kuvaavan jakauman muodosta. Työssä esitetty menetelmä mahdollistaa tilavuuspainotetun keskimääräisen raekoon mittaamisen yleisesti käytetyillä menetelmillä.Description
Supervisor
Hänninen, HannuThesis advisor
Remes, HeikkiIlola, Risto
Keywords
grain size, raekoko, distribution, hajonta, volume-weighted, tilavuuspainotettu, Hall-Petch relation, Hall-Petch yhtälö, welding, hitsaus, shipbuilding structural steel, laivanrakennusteräs, hardness, kovuus, stereology, EBSD, instrumented identation testing, stereologia, instrumentoitu kovuusmittaus