Ultralujat teräkset kestävien koneiden suunnittelussa

Väitöskirjassa on tutkittu ultralujien terästen hyödyntämistä erilaisissa koneissa keskittyen siihen, miten hitsaus vaikuttaa koneiden lopullisiin ominaisuuksiin. Laaja-alainen tutkimus yhdistää terästutkimuksen ja koneensuunnittelun osa-alueita, tuoden tärkeää lisäarvoa käytännön suunnittelutyöhön ultralujien terästen hyödyntämiseksi. Koneteollisuus on Suomelle merkittävä teollisuudenala, joka yhdessä metalliteollisuuden kanssa kattaa kolmanneksen Suomen viennistä. Suomessa valmistetaan tyypillisesti erittäin korkealaatuisia investointikoneita, joilta vaaditaan korkeaa tuottavuutta ja hyötysuhdetta.

Tutkimuksen tavoitteena oli helpottaa uusien ultralujien rakenneterästen käyttöä. Nykyaikainen yhteiskunta perustuu vahvasti erilaisiin koneisiin, joiden halutaan olevan tuottavuudeltaan ja hyötysuhteeltaan korkeita. Samalla teollisuuden ja liikenteen aiheuttamien päästöjen määrää halutaan pienentää. Ultralujien terästen avulla koneista ja laitteista voidaan valmistaa entistä kestävämpiä, keveämpiä, turvallisempia, kilpailukykyisempiä ja ympäristöystävällisempiä, mikä vähentää myös päästöjä jo terästuotannosta alkaen.

Ultralujien terästen käyttöä hidastaa kuitenkin aiempaa tarkemman suunnittelun tarve aina konseptisuunnittelusta materiaalinvalintaan, lujuuslaskentaan ja konepajavalmistukseen saakka. Monet koneet valmistetaan hitsaamalla, missä materiaaliin tuodaan paljon lämpöä. Koska ultralujien terästen lujuus perustuu usein lämpökäsittelyihin, hitsauksen aiheuttama kuumennus muuttaa teräksen ominaisuuksia, kuten sitkeyttä ja lujuutta, sekä aiheuttaa jäännösjännityksiä. Näitä muutoksia ei vielä täysin tunneta, ja ne vaikuttavat hitsatun koneenosan kestävyyteen merkittävästi.

Tutkimuksessa testattiin ultralujia teräksiä eri käyttölämpötiloissa -80 °C ja +1000 °C välillä sekä hitsaamattomana että hitsattuna. Myös hitsauksen vaikutukset ultralujan teräksen jäännösjännitystilaan selvitettiin mittauksilla. Lisäksi tapaustutkimusten avulla osoitettiin ultralujien terästen mahdollisuuksia erilaisissa koneissa.

Väitöstutkimus tarjoaa uusia menetelmiä suunnittelijoille ultralujien terästen hyödyntämiseksi entistä tehokkaammin. Kehitettyjen mallien avulla voidaan arvioida koneenosan lopullisia materiaaliominaisuuksia, lujuutta, sitkeyttä ja hitsauksen vaikutuksia eri käyttölämpötiloissa. Menetelmiä hyödyntämällä koneiden suunnittelua ja valmistusta voidaan optimoida tehokkaammin, johtaen parempaan suorituskykyyn, turvallisuuteen ja ympäristöystävällisyyteen. Tulokset ovat merkittäviä myös teollisuudelle, sillä ne tarjoavat keinoja vastata yhä kasvaviin suorituskyky- ja ympäristövaatimuksiin.