Noen ganger vil – særlig i en gammel bil – høyt påkjent metall sprekke og gå i biter. Hvorfor sprekker det? Metall er jo sterkt? Jo, men aldri sterkere enn mikrodefektene.
Bildet øverst: Ikke alle vrak ligger her fordi de er utslitt, men på grunn av metallisk utmatting og kollaps, særlig i motorfester, aksler og hjuloppheng. (Foto: Ford UK)
Av Stein Bekkevold
Ting sprekker fordi energien der tillater det: Så lenge delen har en uskadd overflate som tåler påkjenningene (lastene) som går i den, er alt ok. Og sprekken vokser bare om spenningen er høyere enn styrken (fastheten) i startsprekken, mikrodefekten. Holder atombindingene der så holder delen.
Dette er Griffiths kritiske sprekkdybde (dK) og den er sentral når vi beregner fare for kritisk brudd. Farlig sprekkdyp (lengde) avhenger av spenningsforhold, radius i sprekkspiss og av metallets overflateenergi – i joule J. Vi dropper formelen. God kunnskap her er avgjørende for sikkerheten i skip, biler og fly.
Hvorfor?
Om bruddet ikke skyldes brå overbelastning eller korrosjon – altså rust, irr eller hvitt lettmetallpulver, kommer det av utmatting. Den starter i en mikrodefekt.
Tenk binders: Bøy den frem og tilbake (syklisk) litt, så brekker den. Og den syklisk påkjentetingen ryker selv om lasten er lavere enn den som gir brudd, bruddlasten – flytspenningen. Så gjentatt last er synderen.
Hvorfor? Og hvordan unngå dette? Det har fysikkfolk og metallurger spekulert på i mange hundre år, helt fra grekernes tid. De farligste bruddene skjer jo i fly, for de ramler ned. Altså har flyfolk jobbet med utmatting siden flyene fikk metallhud og -skjelett. Så lenge maskinene gikk sakte og hadde ramme av treverk og rør kledd med seilduk, gikk det fint.
Noen av de verste utmattingsulykkene kom da BEA tok i bruk verdens første jet passasjerfly – de Havilland Comet. De sprakk og styrtet på grunn av spenningskonsentrasjon. Senere modeller fikk ny konstruksjon og runde vinduer, men da var det for sent. Boeing, Convair og Lockheed tok over. Og franske Sud Aviation Caravelle.(Foto: BEA)
Usynlig fiende
Metalltretthet skjer – sier Royal Aircraft Establishment ved London, når materialer sakteskades av laster som er mindre enn de som kan rive dem opp. Dette skjer sakte og nesten usynlig; de har forsket på dette siden 1925 – da flyingeniør AA. Griffith begynte der – og de tester stadig nye legeringer.
Poeng: Gjentatt last skaper smådefekter. Dette kan være riper, hakk, feil kornvekst (metall er korn, krystaller) eller andre feil – men de er så små at du må ha elektronmikroskop for å se dem.
Etter hvert blir de så store at metallet sprekker (går i brudd), selv om bruddstyrken (fastheten) aldri er overskredet. Først da blir skaden synlig for øyet. Denne usynlige fienden tok hundrevis av liv før AA. Griffith kom på sporet.
Uoppdaget sprekk i motortopplokk kan gi enorme følgeskader; denne sprekken kunne ha vært stoppet om den var blitt oppdaget året før – nå måtte topplokket skrotes … (Foto: Ford UK)
Utmatting
Sprekkprosessen varierer fra et metall til et annet. Noen ganger ser vi – i kraftige mikroskop – defekter så fort belastning og strekk er der, og kan følge sprekken til brudd. Andre ganger ser vi ingen ting før det smeller – og flyet styrter, eller broen raser.
Spenning (last) som kan gi metalltretthet – utmattingsgrensen – avhenger av mye. Som materialet: Grensen har for mange vist seg å være omtrent 25 til 75 prosent av bruddstyrken. Et annet poeng er laststørrelsen. Jo større last, desto raskere utmatting – naturlig nok. Men også miljøfaktorer er viktige – påkjent metall i saltvann ryker tidligere enn samme metall i luft.
Og materialer som er utsatt for oksidasjon/korrosjon, går i utmatting fortere enn de ikkeoksiderte. Alt dette er egentlig innlysende – fordi det er påkjenninger.
Krystaller
Svekket fasthet kommer av metallets struktur. Metaller er krystallinske og har ujevnt store korn i plan, sjikt eller lag. Gjentatt last gjør at krystallene forskyver seg, et atomsjikt glir på – og forbi – et annet. Enkelte atomplan gir mindre motstand enn andre.
Krystallene er ofte vilkårlig plassert og den første forskyvningen kan skyldes en mikrofeil i atomgitteret; krystallene har vokst i utakt. Dette kan komme av urenheter eller hulrom, eller at et brått trykk skapte forskyvning. Ved gjentatte hendelser kommer flere forskyvninger – dislokasjoner. Disse øker helt til krystallet løses opp, fragmenteres. Dette påvirker de andre og prosessen fortsetter til det blir en sprekk. Sprekken øker helt til det blir materialsvikt; utmatting.
Sprekkvekst kan også oppstå på andre måter; det blir minisprekker i korngrensene. Eller det kan være kjemisk påvirkning, etsning. Alt dette forskes det fortsatt på, i laboratorier over hele kloden.
Norge fikk sin del av grusomme utmattingsulykker da plattformen Alexander Kielland kantret i Nordsjøen etter at et støttebein knakk (se bildet) i storm, og tykke rør ble vridd av i utmatting fra tunge bølger og saltvannskorrosjon – og en uheldig sveisereparasjon. Støtterørets innside er rød. (Foto: Norsk Petroleumsmuseum, Stavanger)
Bruddmekanikk
Hva en samlet konstruksjon tåler av sprekker er nå – takket være flyindustrien – blitt vitenskap: Bruddmekanikk. Den handler om hva delen og alt rundt den tåler av sprekker før alt blir kritisk og deler av – eller hele – enheten kollapser.
Dette kan vises i utmattings/levetids-kurver (SN). Men de går sjelden dypt nok inn i hva som skjer, så bruddmekanikken prøver å forklare dette på mikronivå, ved å vise hva helekonstruksjonen gjør. Tiden fra detaljen og alt rundt den utsettes for gjentatte laster, til sprekken blir synlig, kan variere enormt, også for helt like materiale og laster.
Derfor gjennomgår fly og andre kritiske konstruksjoner nøyaktige målinger under belastning – det samme gjelder viktige deler av bilers understell og drivverksoppheng. Viktig her er antall spenninger – last per sekund.
Noen ganger ser det ut til at utmattingsfastheten øker når lastfrekvensen øker; i metall er dette arbeidsherding – du kan hamre så det blir hardere, dislokasjonene låses. Hamrer du mer blir det sprøtt, det har forandret krystallstruktur – den bøyde bindersen en gang til.
Uansett skal moderne ingeniørvitenskap sørge for at din fine bil ikke har deler som utmattes. Om den kommer fra en seriøs fabrikk …
