En legende i materialteknikkens verden spurte en gang: Hvorfor har materialer styrke i det hele tatt? Kunne de hatt mye mer? Hvorfor har de ikke det? Og hvorfor brekker ting? Dette angår i høyeste grad de som lager biler – og fly.

Bildet øverst: Dagens biler skal i krasjtest krølle seg sammen på kontrollert vis og fange opp kreftene – stål er bra på dette; men Dacia klarte dette dårlig og fikk kritikk. (Foto: EuroNCAP)

Av Stein Bekkevold

Legenden var J. E. Gordon* – professor i materialteknikk ved universitetet i Reading ved London. Han var gjesteforeleser ved Stanford-universitetet i California våren 1992, noe denne skribent fikk overvære – på besøk i Silicon Valley for Teknisk Ukeblad. Den aldrende professor (79 år) tuslet høy og mager inn på auditoriets gulv, kastet av seg tweedjakken og begynte å hoppe opp og ned mens han ropte opp til oss: Hvorfor faller jeg ikke gjennom?Han var professoralt eksentrisk for å fange vår oppmerksomhet – og klarte det.

Gordon svarte selv: – Fordi plankene – Herren velsigne dem – straks skaffer en motkraft som nøyaktig tilsvarer min masse! Hadde treverkets motkraft vært større hadde jeg jo begynt å sveve… Han lot oss le litt.

– Vi skal straks se på miraklene som gjør dette mulig, men først: Hvorfor går ting i stykker? Hvorfor har materialer styrke i det hele tatt? Hvorfor er noen sterkere enn andre? Hvorfor er stål seigt og glass sprøtt? Hva mener vi egentlig med “styrke” og “seighet” og “sprøhet”? Og: Er materialer så sterke som vi burde forvente?  Svaret er et kraftig NEI, så her fant vi tidlig et enormt forbedringspotensial.

Pause. Vi glante, alle 250.

Materialbrudd skyldes ofte overflatefeil og overbelastning – alt burde være mye sterkere enn det er. Dette forskes det fortsatt på. (Foto: NASA)

Ny tenkning

Den lærde fra Glasgow fortsatte:

– Vi spurte oss, helt i starten av 1940, vi som jobbet natt og dag ved Royal Air Force Establishment for å gi UK bedre kampfly enn de nyeste tyske: Hvor langt kan vi lynraskt forbedre dagens materialer? Kan vi lage nye som vil være mye sterkere? Og lettere? Hvis ja, hvordan ville de være? Hvis vi virkelig kunne finne noe bedre, hvordan og hvor bør vi bruke sakene?

Vi lyttet.

– Jeg skal vise hvordan vi nå forstår styrke – det vi kaller fasthet, hvordan metaller og tre og keramikk og glass og bein henger sammen – og hvordan, og hvorfor, de gjør det de gjør i maskiner og verktøy og skip og fly og bygninger og broer.

Ny tenkning, ny viten var nødvendig – fordi det vi skaper alltid har vært begrenset av materialenes svakhet. Snarere enn å akseptere dette som noe definitivt, gitt oss av Forsynet – som noen tidligere gjorde – ville vi vite hvorfor de oppførte seg slik, og hvordan de kunne forbedres.

Snart så vi muligheten for radikalt bedre saker, ulikt alt som hadde eksistert før, dette åpnet helt nye muligheter for de stakkars ingeniørene som i lynfart måtte bygge vårt forsvar mot nazistene.

Stresstesting kommer fra flyindustrien, som ikke kan bygge noe på måfå. Her bøysjekkes vingene. (Foto: Airbus)

Overflateenergien

Nå gikk han over til å repetere at alt er atomer, og at de holdes sammen av mer eller mindre sterke krefter.

– Vi analyserte kreftene på atomnivå og fant ut at nesten alle materialer er håpløst svake!Stål klarer en ti-del av hva det burde ha klart før det gir opp med et brak. Aluminium kan du rive over med fingrene om det er tynt (folie)! Glassfiber brekker – det detonerer! – av påkjenninger. Og alt skyldes mikrofeil!

Han hadde oss i sin hule hånd. 250 studenter pluss han fra TU stirret på den snodige herren som trollbandt oss. Han vandret rundt på parketten, hendene på ryggen. Stanset, kikket opp på oss og fortsatte: – Fysisk sett er det enkelt: Alt holdes sammen av sin overflate. Har objektet ingen overflate, er det en gass. Har det overflate er det en væske eller et fast stoff. Punktum.

For å finne ut hvor sterkt stoffet kan være, måtte vi derfor finne overflateenergien, den som holder alt på plass. Og den fant vi ved å få dingsen til å sprekke. Når noe (krystallinsk) sprekker, skjer det jo fordi en påført belastning (last) får atomsjiktene til å slippe taket.

Gordons første bok ble en bestselger, det ble de andre to også. (Foto: Penguin)

Nesten kollisjonssikre

Gordon sa at dette var den geniale ideen hos forsker A A Griffith, som hadde utviklet teorien. Den matematiske analysen viste at neste alle faste stoffers styrke styres av overflate-energien G – som er stoffets (målte) elastisitetsmodul E delt på atomsjikt-avstanden x.

Gordon sa videre at når de satte tallene for stål inn i likningen, fant de at det skulle tålt 30 000 MPa (mega pascal). I din bil klarer stålet 400 MPa – avhengig av legering. Pianostreng kan klare 3000 MPa. Og det er likevel bare en tidel av teoretisk fasthet. Som best. Hvor ble det av resten?

Også det fant Griffith ut: Han studerte glass – som er krystallinsk akkurat som metall – for glass kunne han smelte og trekke ekstremt tynne tråder av. Hans forsøk viste at jo tynnere tråden var desto sterkere var den; han kom opp i eventyrlige tall og nådde snart en fasthet som var hundrevis av ganger høyere enn for vindusglass, som er nøyaktig samme materiale.

Forklaring: I ekstremt tynn tråd er det ikke plass til overflatefeil som gir sprekker og brudd! Nå sto skotten og glante opp på oss, og vi nikket, alle som en.

Guruen fortsatte: – Alt dette har ført til at vi i dag har mye bedre forståelse for sprekkvekst og skader, noe som gir oss bedre materialer, og bedre konstruksjoner. Så nå har vi nesten helt kollisjonssikre biler, så lenge vi kjører i lovlig fart ….

Og mye kommer altså av den omfattende forskningen ved RAE – i de 25 intense årene fra 1922 til 1947. Resultatene skyldes genier som Alan A. Griffith, Ben Lockspeiser og altså James E. Gordon. Rett skal være rett.

*Professor James Edward Gordon (UK, 1913–1998) jobbet med material-vitenskap og bio-mekanikk, og skrev tre bøker. De er oversatt til mange språk og er mye brukt på skoler og universiteter. Under 2. verdenskrig utviklet Gordon kompositter, trefly (Mosquito), plast og nye materialtyper. Han studerte styrke og oppførsel til fibre av glass, karbon, bor og andre materialer. Noen av hans oppdagelser brukes fortsatt i fly og raketter/missiler/romfart.

 Les også: Metall, plast og litt glass – b ilens atomer og molekyler