Når metaller brister som følge af træthed
PLUDSELIG og uden varsel spredtes der død og ødelæggelse på helikopterlandingspladsen på taget af Pan Americans 59 etagers høje bygning midt på Manhattan i New York. Da passagererne var ved at stige ind i en helikopter der skulle flyve dem ud til den internationale John F. Kennedy lufthavn, krængede maskinen over. På få sekunder fældede dens rotorer som gigantiske krumsabler fire passagerer. De tre døde på stedet og den fjerde på hospitalet. Rotorbladene gik i stykker, og stumperne spredtes over et stort område. En kvinde blev dræbt og en anden kvæstet da nogle af stumperne faldt ned på Madison Avenue. Hvad var årsagen til denne ulykke? En indledende undersøgelse tydede på at metaltræthed spillede ind.
To kvinder kørte på den smukke vej ud over øgruppen Florida Keys. Pludselig slingrede bilen tværs over vejen og styrtede i havet. Heldigvis var der en dykker og en læge i nærheden, og kvinderne blev reddet. En del af bilens styretøj havde svigtet. Hvorfor? En løselig undersøgelse afslørede forræderiske tegn på metaltræthed.
Tragedien på helikopterlandingspladsen i New York, den meget omtalte Silver Bridge der brød sammen, de første britiske Comet-flys mystiske forsvinden over Middelhavet — alle disse begivenheder menes at have haft forbindelse med metaltræthed.
Følgerne af træthedsskader i metaller kan, ligesom i tilfældet med kræft hos mennesker, begrænses hvis de opdages i tide. Men ligesom i tilfældet med kræft, er behandlingsmetoderne ofte vanskelige og somme tider usikre. Uheldigvis udslettes sporene af metaltræthed ofte som følge af ulykker. I endnu flere tilfælde opdages de ikke, fordi der ikke findes nogen specialuddannede undersøgere.
Metallernes struktur
For at forstå hvad metaltræthed er, må vi se på metallernes struktur. Fra Tubal-Kajins tid — den første i historien der arbejdede i metal — og lige til vore dage har der ikke været nogen tilfredsstillende forklaring på træthed i disse materialer. (1 Mos. 4:22) Først for nylig har man fundet ud af tilstrækkelig meget om metallernes indre struktur til at kunne nå frem til en plausibel forklaring. Selv i dag hører man stadig folk sige, når en bladfjeder eller en aksel bryder sammen, at delen har krystalliseret sig. Dette kan imidlertid ikke have været årsagen til sammenbruddet, for materialet var allerede krystalliseret før sammenbruddet.
Når smeltede metaller afkøles og begynder at størkne, danner der sig små bitte krystaller. Disse vokser i størrelse og antal indtil hele massen er krystalliseret. Imidlertid er der som regel, undtagen når det drejer sig om fuldstændig rene materialer, substanser til stede som ikke passer ind i den normale krystallinske struktur. Ved krystaldannelsen bliver nogle af disse skudt til side og ender som regel mellem krystallerne eller kornene, i det der kaldes „korngrænserne“. Andre stoffer forbliver som urenheder i metallet, fordelt i hele strukturen. Der opstår endda huller eller hulrum i metallet. Et metal der er blevet afkølet på denne måde siges at have „støbestruktur“. Selv om metallet kan bruges i denne form, bliver det ofte yderligere forarbejdet på en eller anden måde. Denne forarbejdning kan bestå i en eller flere af følgende behandlingsformer: smedning, valsning, sænksmedning, maskinforarbejdning og slibning. Disse skridt er måske kun en begyndelse, da det ofte er nødvendigt med mange forskellige operationer. Hvert skridt kan påvirke den tid der går før der eventuelt opstår træthed i metallet, og gør det som regel også.
Hvordan metaltræthed kan begynde
Hvis man udsætter en metalstang for et træk fra begge ender, kan den som regel mindst én gang bære et træk der nærmer sig dens fulde eller optimale styrke. Men hvis den gentagne gange udsættes for et træk der er tilstrækkelig kraftigt, bevarer den kun en mindre del af sin oprindelige optimale styrke, og hvis man fortsat belaster den, vil det til sidst resultere i et brud. Årsagen til at den effektive styrke efterhånden reduceres, ligger delvis i metalstrukturens grundlæggende natur. Ved gentagen belastning kan nogle af krystallerne deformeres, idet atomlagene i dem forskyder sig på hinanden i de såkaldte „glideplaner“. Nogle krystaller har flere glideplaner end andre, og yder således mindre modstand mod deformering. De kan sammenlignes med et lille bitte sæt spillekort hvor kortene glider lettere ét sted i bunken end et andet. Krystallerne ligger i almindelighed i vilkårlig orden, og den første forskydning kan blive udløst af en eller anden uregelmæssighed i atommønsteret. Denne uregelmæssighed kan være et resultat af en urenhed eller et hulrum eller noget andet der koncentrerer spændingen og som gør at forskydningsgrænsen overskrides. Gentagne belastninger bevirker at der opstår flere forskydninger eller deformationer. De fortsætter med at hobe sig op, indtil krystallet brister. Denne brist forvrider igen andre krystaller, og processen fortsætter indtil der opstår en revne. Revnen eller revnerne fortsætter med at vokse indtil metallet ikke længere kan holde, og der opstår et træthedsbrud.
Der er også andre måder hvorpå der kan opstå metaltræthed. For eksempel kan der opstå mikroskopiske revner i „korngrænserne“. Dannelsen af revner kan fremskyndes af en kemisk påvirkning. Der er således forskellige kendte årsager til metaltræthed, selv om der stadig er meget at lære. Det sædvanlige resultat er imidlertid en fremadskridende svækkelse af metallets struktur ved at der opstår nogle mikroskopiske revner under belastning.
Hvordan man kan kende et træthedsbrud
I nogle tilfælde kræver det stor erfaring at fastslå om et brud skyldes træthed, men der er dog visse almindelige kendetegn som kan være til hjælp. Man er enige om at træthed er en fremadskridende proces. Desuden ved man at revnerne kan vokse i uregelmæssige etaper. Dette etapevise vækstmønster kan somme tider ses på overfladen af de dele der er sket brud på. Sådanne mønstre plejer at optræde som uregelmæssige koncentriske halvcirkler, og halvcirklernes centrum er oprindelsen til bruddet. Hvis dette „muslingemønster“ ses på overfladen af den del der er gået itu, er årsagen sandsynligvis træthed.
Man tager højde for træthed
Med den industrielle revolution tog man fat på at bygge kraftige dampmaskiner og lokomotiver. Derefter begyndte man at lægge mærke til uforklarlige brud på visse af de mekaniske dele. August Wöhler i Tyskland var en af de første der fastslog at bruddene skyldtes træthed, og han skrev sine iagttagelser ned. Han gik også et skridt videre og demonstrerede brud, idet han brugte prøver af det materiale der anvendtes til lokomotivaksler. Selv om fænomenet metaltræthed nu var kendt, var det dog ikke før den første verdenskrig at de første automobiler stillede almindelige mennesker over for problemet. I disse biler var det almindeligt at der opstod træthedsbrud på krumtapper, aksler og fjedre.
Under den anden verdenskrig erkendte man i stadig højere grad metaltræthedsproblemet. Den omfattende brug af flyvemaskiner rettede opmærksomheden mod styrke, vægt og pålidelighed over for træthedsbrud. I dag har den stigende brug af maskiner, deriblandt helikoptere, gjort at kravene til konstruktion og pålidelighed er endnu større. Stater og virksomheder foretager dybtgående undersøgelser af problemet. Man har udviklet kompliceret apparatur hvormed man undersøger konstruktioner og prototyper.
Et af resultaterne af alle disse anstrengelser er at håndbøger og lærebøger er blevet forbedret. Disse lærebøger anfører blandt andet belastningsgrænserne for forskellige materialer, inden for hvilke de kan bruges med relativ sikkerhed. Disse kaldes „udmattelsesgrænser“. Et enkelt eksempel vises på diagrammet på næste side. Når man har fundet frem til denne oplysning kunne det synes som om problemet i det væsentlige var løst. Hvis blot man holder sig inden for sikkerhedsgrænserne skulle man ikke behøve at bekymre sig om materialetræthed.
Men uheldigvis kan de data og oplysninger der stilles til rådighed, ikke dække alle driftsforhold. I den faktiske brug af en metaldel kan man ikke altid forudsige belastningsbilledet nøjagtigt. Belastningsforholdene er ofte mangesidige og omfatter kombinationer af træk, tryk og vridning. Det er også vigtigt at kende den rækkefølge hvori lille og stor belastning forekommer, hvis det skal være muligt at bedømme hvor lang tid der vil gå før der opstår metaltræthed. De fleste af de oplysninger man har, er indsamlet ved forsøg med „enkelt“ gods, det vil sige gods der ikke har nogen spændingskoncentrationer på grund af for eksempel huller, kærve, nitter eller svejsninger. Alle sådanne ting har en tendens til at sænke udmattelsesgrænsen. Men selv i „enkelt“ gods er der endeløse variationer i kvaliteten — i krystalstørrelse, i antal af og former for urenheder, samt i hårdhed og indre spænding. Dette er alt sammen med til at komplicere problemerne omkring konstruktion og fabrikation.
Problemer omkring konstruktion og fabrikation løses
Mange af de maskiner og redskaber man køber, er konstrueret og fabrikeret til at holde en vis tid, hvorefter nogle af delene kan gå i stykker under brugen. For eksempel plejede man engang at konstruere visse bildele til at kunne holde indtil bilen havde kørt 160.000 kilometer. På det tidspunkt var indtrækket måske alligevel nedslidt og karosseriet rustent og medtaget. I flyvemaskiner sætter spørgsmålet om egenvægten en grænse for udmattelsesstyrken. Det ville måske være en fordel at bruge mere materiale i konstruktionen. Men enhver overflødig vægt lægger alvorlige begrænsninger på den mængde last og brændstof maskinen kan medføre.
Når det drejer sig om maskiner hvor både liv og ejendom står på spil, er det indlysende at man om overhovedet muligt må undgå alvorlige uheld. På grund af de varierede hensyn der må tages, er der opstået to almindelige synspunkter når det gælder konstruktion — nemlig at man må sørge for sikkerhedsanordninger og/eller en solid konstruktion.
Som sikkerhedsanordning bruger man for eksempel flere sideløbende dele til at bære en given belastning. Hvis én del brister er de andre i stand til at klare belastningen indtil den beskadigede del kan blive repareret. Eller man laver „brudstandsere“, det vil sige en fortykkelse som tjener til at formindske den indre spænding. Muligvis benyttes der en solid forstærkning som belastningen overføres til. Enhver sikkerhedsanordning må underkastes regelmæssige eftersyn.
I mange tilfælde er det ikke muligt at lave sikkerhedsanordninger. En aksel eller et tandhjul kan for eksempel næppe laves med sideordnede dele som er med til at bære belastningen. Når det gælder sådanne dele må man lave tingene solidt. Ved denne fremgangsmåde bruger man en konstruktion der kan tåle stor belastning, og udsætter den for hårdhændede afprøvninger. For disse deles vedkommende er det nødvendigt at udvise særlig omhu under hele produktionen og samlingen.
Somme tider træffer man både sikkerhedsanordninger og laver tingene solidt. Her er det igen vigtigt med eftersyn hvis det kan lade sig gøre. Den del der bristede i helikopteren på Pan Americans bygning, skulle have været efterset efter 9900 timers brug. Men efter hvad en rapport siger, havde den kun gået i 7000 timer. Der kan med andre ord også ske ulykker hvis der lægges for lang tid mellem de planlagte eftersyn.
Særlige forholdsregler
Somme tider kan man træffe særlige forholdsregler for at forhindre ulykker på grund af træthedsbrud. Disse metoder tages dog ikke altid i anvendelse, enten på grund af de ekstraomkostninger de medfører, på grund af manglende viden om metoderne eller på grund af manglende udstyr, eller fordi de i nogle tilfælde simpelthen ikke kan bruges. Desuden findes der midler til at forudsige brud.
En vigtig forebyggende metode der ofte kan bruges, er kuglebombning. Derved får den behandlede del hvad man kunne kalde en komprimeret overflade. Som nævnt opstår træthedsbrud som regel når en del udsættes for mindre, skiftende belastninger, og bruddet kan udløses af en ujævnhed i overfladen. Her hjælper kuglebombningen ved at holde overfladen af den behandlede del intakt.
En anden metode er blevet benyttet til løbene i svære skydevåben, men har i øvrigt mange anvendelsesmuligheder. Princippet er at man overbelaster metallet meget stærkt, sådan at det visse steder med stærk indre spænding giver efter. Når man derefter fjerner belastningen, bliver disse områder „komprimeret“. En sådan „pletvis komprimering“ yder beskyttelse ved at mindske den indre spænding der opstår ved normal brug.
Overbelastning kan have andre gavnlige virkninger, hvis den foretages før metaldelen tages i brug i praksis. Det gælder blandt andet hvis delen er samlet af flere smådele, for eksempel med nitter. Hvis hullerne ikke passer helt, kan det være at visse nitter bærer størstedelen af belastningen. Hvis man overbelaster samlingen, giver den imidlertid efter på de stærkest belastede punkter, hvorved byrden fordeles.
Der er også andre forholdsregler mod træthedsbrug, og disse er som regel en god hjælp. De består blandt andet i at man letter den indre spænding efter svejsning, og i at man ved slibning afrunder huller og fordybninger for at mindske lokale spændingskoncentrationer.
Hvad kan man selv gøre?
Selv om konstruktøren og fabrikanten måske har gjort meget for at forhindre brud, er der en del man selv kan gøre. Her er nogle vink:
1. Sørg for at materiellet kun anvendes inden for rammerne af de anbefalede belastninger og hastigheder.
2. Undgå ved reparation at lave dybe ridser, hak eller filemærker, især i særlig vigtige dele.
3. Undgå overophedning, da dette kan påvirke metallets hårdhed og nedsætte dets styrke.
4. Beskyt metallet mod rust og tæring.
5. Beskyt bevægelige dele mod kemikalier, som for eksempel syrer. I visse metaller kan kemikalier være årsag til at der trænger ganske små mængder brint ind og gør metaldelen skør og disponeret for træthedsbrud. En anden virkning som kemikalierne kan have, er at forårsage spændingskorrosion.
Kan ulykker helt forhindres?
Kan ulykker som følge af træthedsbrud forhindres? Ja, med tiden.
Ulykker skyldes mange gange uvidenhed, sjuskeri og selviskhed under en eller anden form. Det hænder at et overdrevent ønske om profit, en stadig utilstrækkelig viden når det gælder konstruktion, og sjuskeri fra de menneskers side der fremstiller og bruger materiellet, er årsag til ulykker som følge af metaltræthed. Men en ny verdensordning står for døren. I denne ordning, som menneskets Skaber har givet løfte om, vil alle former for selviskhed være fjernet. Vor viden vil blive større, også når det gælder konstruktion. Desuden vil de der til den tid fremstiller og bruger materiellet, gøre det med andres sikkerhed i tanke.
[Grafisk fremstilling på side 15]
(Tekstens opstilling ses i den trykte publikation)
En måde at opstille træthedsdata på
Maksimal belastning kg/cm2
Antal belastninger før brud — 500.000 — 1.000.000
Sikkert driftsområde
Risiko for brud
Udmattelsesgrænse
[Illustration på side 15]
Muslingemønster