Materialtretthet kommer når du gang på gang overstresser noe – tenk binders. Trøtt metall sprekker – men bilen skal jo tåle dette …

Bildet øverst: Et tragisk tilfelle av dødelig utmatting var verdens første jet-passasjerfly, de Havilland Comet. Spennings-konsentrasjon og dårlig viten om pulserende krefters strømning gjennom skroget gjorde at stappfulle fly falt ned. Det andre bildet viser vrakdeler med vinduer og hjørnesprekker. Fabrikkfoto.

Av Stein Bekkevold

På glatte overflater kommer utmatting først som ørsmå enkeltsprekker, ved gjentatt utmatting vokser de og til slutt har du brudd. Spenningene er så små at de ikke gir synlig skade, men i et godt mikroskop kan vi se gjentatt plastisk deformasjon på mikronivå. Deformasjonen kommer ofte ved stresskonsentrasjon, og gir skumle minisprekker. Disse forplanter seg innover i materialet. Sveiseforbindelser, festepunkter og skarpe overganger er kritiske. Seige materialer som karbonstål er mindre utsatt. I andre stoffer kan sprekken vokse eksplosivt og komme opp i materialets lydhastighet, flere tusen meter i sekundet; roten av stoffets elastisitetsmodul dividert med tettheten.

Langvarig kjøring i høy fart med store og sterkt vekslende påkjenninger er oppskrift på utmattingsbrudd særlig i hjuloppheng og drivlinje. Her er materialvalg, riktig dimensjonering og smart geometrisk form viktig. Bilde 4 viser et typisk utmattingsbrudd i en skrufjær. Foto VW.

Testing

Evnen til å motstå dette sjekkes i utmattingsprøving. Den gamle metoden er fortsatt i bruk og kom alt i 1858; et antall glatte, like prøvestykker gis (syklisk) pulsbelastning i strekk, trykk eller bøy med variert kraft. Antall perioder til brudd registreres og legges i et S–N-diagram (etter Weibull). Da finner vi at utmattingsfasthet er den spenning (last) materialet tåler uten brudd ved et gitt antall svingninger, ofte to millioner.

Fysikk

Utmattingsgrensen er lasten i Newton der antall svingninger går mot uendelig. Det betyr at en konstruksjon er sikker når tallparet for spenning og perioder ligger under S–N-kurven. Men det er stor spredning i tallene, dessuten svinger motstanden mot utmatting mye fra sted til sted i objektet. I forskriftene brukes derfor S–N konstruksjonskurver som viser sannsynlig overlevelse på 97–99 %, avhengig av skadene.

En seriøs bilfabrikk sender med vilkårlige mellomrom ferdig sveisede karosserier inn i prøverommene der de ødelegges mens datamaskinen ser hva som ryker, og når. (Foto: Siemens Automation)

Chassis

En utmattingsbelastet konstruksjon – chassisdeler som hjuloppheng og drivlinje – kan ha ulike spenningsnivåer. Utmattingslivet kan da sjekkes med Palmgren-Miner’s regel; skaden ved en gitt spenning akkumuleres rettlinjet etter antall spenningssykler – egentlig ganske logisk. Det betyr at hvis N₁ perioder gir brudd ved spenning S₁, vil n₁ perioder ved lik last bruke opp n₁/N₁ av livslengden. Konstruksjonen er sikker mot utmatting hvis summen av brøkene Σn_i/N_i for alle spenninger i₁, i₂ osv. er mindre enn 1. Snedig og smart. Og vanskelig …

Bruddmekanisk prøving og kalkyle beregner sprekk-veksten og er et alternativ til S–N-kurver. Det er bevist at sprekkvekst per spenningssyklus avhenger av spennings-intensiteten i sprekkspissen. Total sprekklengde finnes matematisk ved beregning (integrasjon) over antall spenningssykler. Sprekken er akseptabel så lenge den er mindre enn kritisk sprekklengde. Dette er Griffiths lov, utviklet ved RAF Research Farnborough midt på 1920-tallet. Kritisk lengde fastslås på basis av materialets bruddseighet. Enormt viktig når vi lager fly. Og skip. Og hjuloppheng … Godt å ha, krevende å forstå.

Alt sprekker

Utmatting rammer de fleste materialer, både metaller, betong og plast. Ingeniørene oppdaget problemet under den industrielle revolusjon, fra ca 1830 har vi mange beskrivelser av uventede brudd i (støpte) maskindeler, der lav, varierende spenning og sprø bruddflater er typiske funn.

Brudd i jernbaneaksler er et godt eksempel, der jernbaneingeniør A. Z. Wøhler i 1858 utviklet metode og utstyr for prøving av motstand mot utmatting. Han viste hvordan resultatene kunne brukes ved dimensjonering av roterende maskindeler. Senere ble videreutviklet kunnskap pensum for maskiningeniører o.a. – vi hadde mye av det da vi pugget flyteknikk.

Les også: Kvalitet – og kontroll