utmatting - teknikk

Utmatting er sprekkdannelser som opptrer i et materiale når det utsettes for vekslende spenning over en viss størrelse over lang tid.

Forløp

På glatte overflater arter bruddet seg først som små atskilte sprekker som ved vedvarende utmatting vokser sammen til større sprekker, og til slutt resulterer i brudd. Spenningene er vanligvis så små at de ikke gir synlig plastisk deformasjon, men i mikroskopet kan man iaktta at utmatting skyldes gjentatt plastisk deformasjon i mikroskala. Denne deformasjonen, som fortrinnsvis foregår i områder med spenningskonsentrasjoner, fører til dannelse av en sprekk, oftest i materialets overflate. Sprekken forplanter seg deretter i økende grad inn i materialet. Tilstedeværelse av spenningskonsentrasjoner, som for eksempel sveiseforbindelser og skarpe overganger, har betydning for dannelsen av utmattingssprekker.

Tåleevne

Et materiales evne til å tåle utmatting undersøkes ved utmattingsprøving. Den konvensjonelle metoden, som fremdeles er i bruk, ble utviklet allerede i 1858. Et antall like prøvestykker, som hovedregel glatte uten kjerv, utsettes for en syklisk varierende belastning i strekk, trykk eller bøyning med forskjellig spenningsamplitude (maksimale utslag).

Antall perioder til brudd registreres for hver stav, og nedtegnes i et S–N-diagram, med periodetallet N som abscisse og spenningsamplituden S som ordinat.

Utmattingsfasthet

Som utmattingsfasthet defineres den spenningen materialet kan tåle uten brudd ved et spesifisert antall svingninger, som regel satt til 2x106 (også 10x106).

Utmattingsgrense

Utmattingsgrensen er spenningen når antall svingninger går mot uendelig. I teorien er en konstruksjon sikker mot utmattingsbrudd når tallparet spenning og perioder på ethvert sted faller under S–N-kurven. Det er imidlertid stor spredning i prøvetallene, og motstanden mot utmatting varierer også betraktelig fra sted til sted i en virkelig konstruksjon. I beregningsforskriftene brukes derfor S–N konstruksjonskurver, som, basert på en statistisk vurdering av prøveresultatene, forutsetter en sannsynlighet for overlevelse på 97–99 %, avhengig av skadevirkningene ved brudd.

Utmattingsliv

En utmattingsbelastet konstruksjon utsettes vanligvis for et større eller mindre antall forskjellige spenningsverdier. Utmattingslivet kan da kontrolleres ved hjelp av Palmgren-Miner's regel, som antar at skaden ved utmatting ved en gitt spenning akkumuleres lineært i forhold til antall spenningssykler. Hvis N1 perioder bevirker brudd ved spenningen S1, vil n1 perioder ved samme spenning bruke opp n1/N1 av livet. Konstruksjonen er følgelig sikker mot utmatting hvis summen av livsbrøkene Σni/Ni for alle spenninger i1, i2 osv. er mindre enn 1.

Beregning av veksthastighet

Bruddmekanisk prøving og beregning er en fremgangsmåte til å beregne veksthastigheten av påviste eller antatte sprekker i en konstruksjon, og er et alternativ til dimensjonering basert på S–N-kurver. Det kan vises at sprekkveksten per spenningssyklus etter initiering er en funksjon av vidden av spenningsintensiteten ved sprekkspissen. Total sprekklengde kan derfor finnes ved integrasjon over antall spenningssykler. Sprekken er akseptabel så lenge den er mindre enn kritisk sprekklengde. Den siste størrelsen fastlegges med basis i materialets bruddseighet.

Historikk

Utmatting rammer de fleste konstruksjonsmaterialer, både metaller, betong og plast. Ingeniørene fikk for alvor føling med problemet under den industrielle revolusjon, og fra omkring 1830 finner man nedtegnet beskrivelser av uventede brudd i maskindeler, hvor lav, varierende spenning og sprø bruddflater er karakteristiske kjennetegn. Brudd i jernbaneaksler er et typisk eksempel, og karakteristisk nok ble det jernbaneingeniøren A. Z. Wøhler som i 1858 utviklet fremgangsmåte og utstyr for prøving av et materialenes motstand mot utmatting. Han kunne videre gi anvisninger på hvordan prøveresultatene skulle brukes ved dimensjonering av roterende maskindeler.

Tanken på den langsomme og snikende utviklingen av en nesten usynlig sprekk, som med økende hastighet nærmer seg en kritisk størrelse og katastrofe, ble en inspirasjon og en utfordring også for tidens litterære klassikere. I Bread upon the waters (1895) skildrer Rudyard Kipling hvordan en utmattingssprekk arbeidet seg gjennom propellakselen på dampskipet Grotkau, fanget av stormene i Biscaya. Nevill Shutes novelle No highway (1948) beskriver hvordan utviklingen av en utmattingssprekk i et av verdens første metallfly ender katastrofalt i Canadas ødemarker. Realiteten i historien ble bekreftet på en tragisk måte få år senere, i 1953–1954, da tre Comet-fly havarerte med store tap av menneskeliv. Undersøkelsene viste at utmattingssprekker utviklet seg i vindusåpninger i kabinen, som ble sprengt da sprekkene nådde en kritisk størrelse.

En utmattingssprekk var også årsaken til Alexander L. Kielland-ulykken i 1980.

Les mer i Store norske leksikon

Kommentarer

Kommentaren din publiseres her. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg