Når det oppstår brudd i metall på grunn av utmatting

PLUTSELIG, uten varsel, ble helikopterstasjonen på toppen av den 59 etasjer høye Pan Am-bygningen på Manhattan i New York rammet av død og ødeleggelse. Passasjerene holdt på å gå om bord i et helikopter som skulle til John F. Kennedy internasjonale flyplass da helikoptret veltet. I løpet av noen sekunder hadde rotorbladene lik store krumsabler hogd ned fire passasjerer. Tre av dem døde på stedet, og den fjerde døde senere på sykehuset. Rotorbladene ble slått i stykker, og bitene ble spredt over et stort område. Noen av dem, som falt ned på Madison Avenue, drepte én kvinne og påførte en annen skader. Hva var det som var årsak til denne ulykken? En rapport om den foreløpige undersøkelsen viste at det dreide seg om materialtretthet eller utmatting i metallet.

La oss se på en annen ulykke. To kvinner kom kjørende på den vakre «hovedveien til havet» over korallrevet Florida Keys. Plutselig skjente bilen over på den andre siden av veien og ut i vannet. Heldigvis fantes det både dykker og lege i nærheten, og kvinnene ble reddet. En del av bilens styremekanisme hadde sviktet. Hvorfor? En undersøkelse viste tydelige tegn på utmatting.

Tragedien på helikopterstasjonen i New York, katastrofen da den berømte broen Silver Bridge brøt sammen, den mystiske måten de første britiske Comet-flyene forsvant på over Middelhavet — alle disse hendelsene skal ha hatt med utmatting å gjøre.

Materialsvikt på grunn av utmatting kan i likhet med kreft hos mennesker få mindre alvorlige følger hvis en blir oppmerksom på problemet i tide. Men akkurat som når det gjelder kreft, er det ofte vanskelig å råde bot på skaden, og det er noen ganger usikkert om en har hatt hell med seg. Dessverre er det ofte slik at tegnene på at det dreier seg om utmatting, blir fjernet når det skjer en ulykke. Men det er kanskje enda vanligere at de ikke blir oppdaget fordi de som foretar undersøkelsen, ikke har den nødvendige spesialopplæring.

Metallenes struktur

For å kunne forstå hva utmatting i metaller er, må vi se litt på deres struktur. Helt siden den tid da Tubalkain, den første som ifølge historien arbeidet i metall, levde, og fram til vår tid har en manglet en tilfredsstillende forklaring på utmatting i disse stoffene. (1. Mos. 4: 22) Det er først i de senere år en har fått såpass god kjennskap til metallenes grunnleggende struktur at en har kommet fram til en mulig forklaring på dette fenomenet. Når en bladfjær eller en aksel svikter, kan en ennå høre at folk sier at denne delen har krystallisert seg. Men dette kan ikke være årsak til svikten, ettersom materialet allerede var krystallisert før bruddet inntraff.

Når metaller i flytende tilstand blir avkjølt og størkner, begynner det å danne seg bitte små krystaller. Disse vokser i størrelse og antall inntil hele massen er krystallisert. Men bortsett fra de tilfelle da en har fullstendig rene materialer, forekommer det vanligvis stoffer som ikke passer inn i krystallstrukturen til materialet for øvrig. Noen av disse blir støtt bort og har en tendens til å leire seg mellom krystallene eller kornene i det som kalles «korngrensene». Andre stoffer blir værende jevnt fordelt i hele strukturen. De faste partiklene omtales som «urenheter». Til og med hulrom eller tomrom kan bli værende i metallet. Et metall som blir avkjølt på denne måten, sies å være en «støpestruktur». Selv om metallet kan brukes i denne form, vil det vanligvis bli bearbeidet på en eller annen måte. Dette kan innbefatte en eller flere av følgende operasjoner: smiing, valsing, senkesmiing, maskinbearbeiding og/eller sliping. Disse skrittene er kanskje bare en begynnelse, ettersom flere operasjoner ofte må til. Hvert skritt kan ha innvirkning på hvor lang tid det vil gå før metallet får utmattingsbrudd.

Hvordan utmatting kan begynne

Hvis en enkel metallstav blir utsatt for belastning ved en strekkprøve, vil den vanligvis kunne tåle denne belastningen i hvert fall én gang når belastningen kommer i nærheten av grensen for den ventede maksimale styrke. Men hvis den gjentatte ganger blir utsatt for en belastning eller spenning som er stor nok til at utmattingssprekker oppstår, vil styrken bli redusert, og hvis den fortsatt blir utsatt for belastning, vil materialet briste. Årsaken til denne reduserte styrken ligger til dels i metallets grunnleggende struktur. Ved gjentatt belastning kan enkelte av krystallene forskyve seg noe, slik at ett atomplan glir forbi et annet. Enkelte krystallinske plan yter mindre motstand mot slik forskyvning enn andre. Det er som om de er bitte små kortstokker med kort som forskyver seg lettere i et bestemt plan. Krystallene ligger vanligvis i vilkårlig orden, og den første forskyvningen kan utløses av en eller annen uregelmessighet i atommønstret. Denne uregelmessigheten kan skyldes en urenhet eller et hulrom eller et annet press som gjør at det oppstår forskyvninger. Ved gjentatte belastninger vil det oppstå flere slike forskyvninger eller dislokasjoner. De fortsetter å øke i antall inntil krystallet fragmenteres. Denne fragmenteringen påvirker så andre krystaller, og prosessen fortsetter inntil det oppstår en åpning eller en sprekk. Sprekken eller sprekkene blir større inntil metallet ikke lenger kan tåle belastningen og det oppstår materialsvikt på grunn av utmatting.

Dette er noe som også kan oppstå på andre måter. Det kan for eksempel dannes ørsmå sprekker i «korngrensene». Sprekkdannelsen kan bli påskyndt ved en eller annen kjemisk prosess. Selv om en fremdeles har mye å lære om dette, er en således klar over at det finnes flere forskjellige årsaker til utmatting. Det som stort sett skjer, er imidlertid at metallstrukturen gradvis blir svekket ved at det oppstår mikroskopiske sprekker i materialet når det blir utsatt for belastning.

Hvordan svikt på grunn av utmatting kan fastslås

Selv om det i enkelte tilfelle skal en god del erfaring til for å kunne fastslå at det er tale om materialsvikt på grunn av utmatting, finnes det visse alminnelige kjennetegn som kan være til hjelp. En er klar over at utmatting er en progressiv prosess. Også sprekkveksten foregår som regel trinnvis. Dette kan av og til framgå av bruddflatene. Slike mønstre minner gjerne om uregelmessige, konsentriske halvsirkler, hvor halvsirklenes sentrum utgjør opphavet til svikten. Hvis dette «østersskallmønstret» er å finne på bruddflatene, er årsaken til materialsvikten sannsynligvis utmatting.

Utmatting i maskindeler

I og med den industrielle revolusjon begynte byggingen av store dampmaskiner og damplokomotiver. Etter hvert ble uforklarlige feil i enkelte mekaniske deler registrert. Tyskeren August Wöhler var en av de første som forsto at det dreide seg om utmatting, og som førte opptegnelser over det han fant ut. Han gikk til og med videre og demonstrerte hva det var som hadde funnet sted, ved å gjøre bruk av prøver fra lokomotivaksler. Selv om en nå anerkjente det fenomen som utmatting er, var det først i og med den første verdenskrig og de første bilene at folk i sin alminnelighet ble berørt av problemet. I disse bilene var det vanlig med utmattingsbrudd i veivaksler og fjærer.

Under den annen verdenskrig begynte en å legge større vekt på dette problemet. Det at fly ble brukt i stor utstrekning, gjorde at slike ting som styrke, vekt og bruddsikkerhet kom i søkelyset. I dag, da maskiner, helikoptre innbefattet, blir brukt i langt større utstrekning, er kravene med hensyn til utforming og sikkerhet blitt enda større. Myndigheter og firmaer er travelt opptatt med å undersøke problemet. Fint utstyr er blitt utviklet og er nå blitt tatt i bruk ved studium av konstruksjoner og prototyper.

Alt dette har ført til at de håndbøker og lærebøker som finnes om emnet, er blitt forbedret. Disse bøkene kan blant annet opplyse om belastningsgrenser for visse materialer, slik at de kan brukes med noenlunde sikkerhet. Dette blir kalt «utmattingsfasthet». Et enkelt eksempel på dette blir vist i diagrammet på neste side. Når slike opplysninger foreligger, kan det kanskje se ut til at problemet praktisk talt er løst. En kan kanskje få inntrykk av at hvis en bare holder seg innenfor de oppgitte grenser, vil problemer i forbindelse med utmatting ikke oppstå.

De opplysninger som gis, kan imidlertid ikke dekke alle forhold materialet blir brukt under. Det vil kanskje ikke være mulig å forutsi nøyaktig hvor stor belastning en metalldel vil bli utsatt for når den blir tatt i bruk. Problemet er ofte komplisert og innbefatter både strekk, trykk og bøying. Det er også viktig å kjenne til i hvilken rekkefølge materialet vil bli utsatt for svak og sterk belastning, hvis en skal kunne få et begrep om hvor lang tid det vil gå før det oppstår utmattingsbrudd. En god del av disse opplysningene har en skaffet seg ved å arbeide med materialer som ikke har spenningskonsentrasjoner som skyldes slike ting som hull, spor, nagler eller sveiseskjøter. Alt dette er noe som vanligvis resulterer i nedsatt utmattingsfasthet. Men også når det gjelder disse materialene, finnes det utallige variasjoner hva kvaliteten angår. Variasjonene med hensyn til krystallenes størrelse og antall og typen av urenheter, materialets hardhetsgrad og den indre spenning er alt sammen noe som bidrar til å gjøre problemene i forbindelse med utforming og produksjon mer komplisert.

Hvordan problemer i forbindelse med utforming og fabrikasjon løses

Når mange av de maskiner og apparater som vi kjøper, blir konstruert og fabrikkert, regner en med at enkelte deler av dem vil gå i stykker etter en tid. Enkelte bildeler er for eksempel blitt laget med tanke på at de skal holde til bilen har gått omkring 150 000 kilometer. Da kan en gjøre regning med at trekket på setene er utslitt, og at karosseriet er rustent og mer eller mindre ødelagt. Når det gjelder et fly, er det derimot vekten som er avgjørende for hvor lenge materialet skal holde stand mot utmatting. Det kan kanskje være en fordel å bruke større dimensjoner. Men hvis flyet blir for tungt, vil dette i høy grad begrense mengden av nyttelast og bensin som kan tas med.

Når en har å gjøre med maskiner som kan utgjøre en fare for liv og eiendom, er det viktig å forebygge ulykker. Det er derfor spesielt to ting en legger vekt på, nemlig «bruddsikkerhet» og «levetidssikkerhet».

For å oppnå bruddsikkerhet blir det gjort bruk av flere parallelle konstruksjonsdeler. Hvis én konstruksjonsdel svikter, vil således andre kunne overta inntil det er mulig å reparere skaden. En gjør også bruk av det som kan kalles «bruddstoppere». Det innebærer at den bestemte konstruksjonsdelen har en grovere dimensjon, som skal redusere spenningen. Det er også mulig å benytte en kraftig forsterkning, som belastningen overføres til. Kontroll er dessuten av stor betydning.

Det er imidlertid ofte umulig å benytte denne metoden. En kan for eksempel neppe ha to parallelle aksler eller tannhjul. Når det gjelder slike konstruksjonsdeler, må en satse på «levetidssikkerhet». Det innebærer at en må sørge for en konstruksjon som tåler stor belastning, samtidig som en legger stor vekt på testing. Når det gjelder slike konstruksjonsdeler, må en være spesielt nøye under hele produksjonen og også når de forskjellige delene settes sammen.

Noen ganger er det mulig å legge vekt på både «bruddsikkerhet» og «levetidssikkerhet». Det er imidlertid også her viktig med kontroll hvis resultatet skal bli godt. Den konstruksjonsdelen som sviktet i helikoptret på Pan Am-bygningen, skulle ifølge rapporten ha vært kontrollert etter 9900 timer. Helikoptret hadde imidlertid bare gått 7000 timer. Hvis intervallet mellom de planlagte kontrollundersøkelser er for langt, kan det således også skje en ulykke.

Spesielle forebyggende tiltak

Spesielle forebyggende tiltak kan av og til treffes for å forhindre ulykker på grunn av utmattingsbrudd. Dette blir imidlertid ikke alltid gjort, enten på grunn av de økte omkostningene, mangel på kunnskap eller på utstyr eller av andre grunner. Det finnes også forskjellige måter å forutsi utmattingsbrudd på.

Et av de forebyggende tiltak som en benytter seg av, og som spiller en viktig rolle, er kulehamring. Dette gir konstruksjonsdelen et komprimert overflatesjikt. Ettersom utmattingsbrudd vanligvis oppstår når en konstruksjonsdel blir utsatt for gjentatt nominell spenningsbelastning, bidrar hamringen til at i hvert fall overflaten står under kompresjon.

En annen framgangsmåte som av og til benyttes, er det som undertiden kalles «autofrettasje». Den er blitt brukt på kanonløp, men prinsippet kan anvendes i mange forbindelser. Det hele går ut på å overbelaste konstruksjonsdelen sterkt, slik at visse områder hvor spenningen blir høy, gir etter. Når så belastningen opphører, vil disse områdene bli komprimert. Disse lokale komprimerte områdene utgjør en beskyttelse ved at de reduserer spenningen under normal bruk av konstruksjonsdelen.

Overbelastning kan ha andre gagnlige virkninger hvis konstruksjonsdelen blir utsatt for slik belastning før den blir tatt i bruk. Det er tilfelle hvis konstruksjonsdelene er forbundet på en bestemt måte. Et eksempel er klinkende forbindelser. Hvis naglene ikke passer helt til hullene, kan enkelte nagler komme til å måtte bære den største belastningen. Ved at konstruksjonsdelene blir overbelastet, vil imidlertid de sterkt belastede områdene gi etter, slik at belastningen blir jevnt fordelt.

Det finnes også andre framgangsmåter en kan benytte for å forhindre at det oppstår utmattingsbrudd i metalldeler, og disse er ofte nokså virkningsfulle. De går blant annet ut på å lette spenningen etter sveising og å slipe bort hull og fordypninger for på den måten å redusere lokale spenningskonsentrasjoner.

Hva kan du gjøre?

Selv om konstruktøren og fabrikanten har gjort mye for å forhindre materialsvikt, er det også en god del du kan gjøre. Her er noen ting du kan ha i tankene:

1. Overbelast ikke utstyret og overskrid ikke den anbefalte hastighet.

2. Når du reparerer utstyret, bør du unngå å lage dype riper, hakk eller filemerker, i det minste på kritiske steder.

3. Unngå overoppheting, ettersom det kan berøre metallets hardhet og redusere styrken.

4. Beskytt metallet mot rust og gropkorrosjon.

5. Beskytt bevegelige deler mot kjemikalier, for eksempel syrer. Når enkelte metaller blir utsatt for kjemikalier, kan dette føre til at aktiv-hydrogen trenger inn, slik at de lett blir sprø og fort bryter sammen. Kjemikalier kan også være årsak til spenningskorrosjon.

Vil ulykker som skyldes utmattingsbrudd, noen gang kunne unngås? Ja, det vil komme en tid da det vil det.

Ulykker er ofte en følge av en eller annen form for selviskhet, uvitenhet eller skjødesløshet. Noen ganger er et sterkt ønske om å tjene penger, utilstrekkelige kunnskaper om hvordan en innretning bør konstrueres, og skjødesløshet fra deres side som lager eller bruker utstyret, årsak til materialsvikt. En ny tingenes ordning står imidlertid for døren. I denne ordning, som menneskenes Skaper har lovt å opprette, vil alle former for selviskhet bli fjernet. Kunnskapen vil dessuten øke, deriblant kunnskapen om hvordan forskjellige ting skal konstrueres. De som lager og bruker det som blir produsert, vil dessuten ha alles sikkerhet i tankene.

[Diagram på side 15]

(Se den trykte publikasjonen)

Maksimal belastning kg/cm₂

Risiko for utmattingsbrudd

Utmattingsfasthet

Sikkert anvendelsesområde

500 000

1 000 000

Antall belastninger før utmattingsbrudd

Én måte å sette opp utmattingsdata på

[Bilde på side 15]

ØSTERSMØNSTER