Kun metallit väsyvät
KUOLEMA ja tuho iski varoittamatta New Yorkissa Manhattanin keskustassa sijaitsevan Pan Am -yhtiön 59-kerroksisen rakennuksen katolla olevalle helikopteritasanteelle. Kun matkustajahelikopteriin oli nousemassa John F. Kennedyn kansainväliselle lentokentälle lennätettäviä matkustajia, se kellahti kumoon. Kuin jättimäiset käyrät sapelit sen roottorit iskivät muutamassa sekunnissa neljää matkustajaa. Kolme kuoli siinä paikassa, ja neljäs kuoli sairaalassa. Pyörivät roottorinlavat murskaantuivat ja palaset levisivät laajalle alueelle. Madison Avenuelle pudonneet palaset surmasivat yhden naisen ja toinen loukkaantui. Mikä aiheutti tämän onnettomuuden? Alustava tutkimusraportti osoitti, että syynä oli metallin väsyminen.
Ajattele toista äskeistä onnettomuutta. Kaksi naista ajoi kaunista meren ylle rakennettua maantietä Florida Keysissä. Yhtäkkiä auto kaartoi tien yli ja syöksyi mereen. Onneksi paikalla oli sukeltaja ja lääkäri, ja naiset pelastettiin. Auton ohjauslaitteen osa oli pettänyt. Miksi? Alustava tutkimus paljasti metallin väsymisestä juoruavia merkkejä.
New Yorkin helikopterionnettomuus, Silver Bridge -sillan kuuluisa romahtaminen ja ensimmäisten englantilaisten Comet-lentokoneiden salaperäinen katoaminen Välimeren yllä – kaikkien näiden tapausten ajatellaan liittyneen metallin väsymiseen.
Jos metallien väsymisestä johtuvat vauriot havaitaan varhaisessa vaiheessa, kuten syöpä ihmisissä, seuraukset eivät ehkä ole niin vakavia. Mutta kuten syövän ollessa kyseessä, keinot parantaa tilannetta ovat usein hankalia ja toisinaan epävarmoja. Valitettavasti onnettomuudessa yleensä tuhoutuvat ne merkit, joista sen syyt voitaisiin tunnistaa. Vieläkin useammin ne jäävät huomaamatta erikoiskoulutettujen tutkijoiden puuttuessa.
Metallien rakenne
Ymmärtääksemme metallien väsymistä meidän täytyy tarkastella niiden rakennetta. Historian ensimmäisen metallimiehen Tuubal-Kainin ajasta meidän päiviimme saakka näiden aineiden väsymiselle ei ole ollut tyydyttävää selitystä. (1. Moos. 4:22) Metallien perusrakenteen tuntemus on kehittynyt vasta äskettäin niin paljon, että esitetyt selitykset tuntuvat luotettavilta. Nykyäänkin, kun lehtijousi tai akseli katkeaa, kuulemme yhä jonkun sanovan, että tuo osa oli kiteytynyt. Tämä ei kuitenkaan voinut olla vahingon syynä, sillä aine oli kiteytynyt jo ennen vahinkoa.
Sulan metallin alkaessa jäähtyä ja jähmettyä alkaa muodostua pienen pieniä kiteitä. Niiden koko ja lukumäärä kasvaa, kunnes koko aine on kiteytynyt. Äärimmäisen tarkkaan puhdistettuja aineita lukuun ottamatta niissä kuitenkin yleensä esiintyy normaaliin kiderakenteeseen sopimattomia aineksia. Joitakin niistä hylkiytyy, ja niillä on taipumus päätyä kiteiden tai rakeiden väliin aineeseen, jota sanotaan ”raeraja”-aineeksi. Edelleen muita aineksia jää jossakin jakautuneessa muodossa kaikkialle rakenteeseen. Kiinteitä hiukkasia sanotaan ”sulkeumiksi”. Aineeseen jää myös jopa koloja tai huokosia. Tällä tavalla jäähdytettyä metallia sanotaan ”valurakenteiseksi”. Vaikka metallia saatetaan käyttää tässä muodossa, sitä usein työstetään edelleen jollakin tavalla. Käsittelyyn voi kuulua yksi tai useampia seuraavista menetelmistä: taonta, valssaus, vetäminen, koneistaminen ja/tai hionta. Nämä vaiheet saattavat olla vasta alkua, sillä usein vaaditaan monia toimenpiteitä. Kukin vaihe voi vaikuttaa ja yleensä vaikuttaakin metallin mahdolliseen kestoikään.
Kuinka metallin väsyminen voi alkaa
Jos yksinkertainen metallisauva vedetään jännitykseen molemmista päistään, sitä voidaan kuormittaa yleensä ainakin kerran lähelle oletettua suurinta lujuuttaan eli murtolujuuttaan. Mutta jos sitä vetokuormitetaan toistuvasti niin voimakkaasti, että syntyy väsymissäröjä, aineen murtolujuus saattaa laskea, ja jatkuva kuormitus johtaa lopulta murtumiseen. Tällainen lujuuden heikkeneminen johtuu osittain metallin perusrakenteesta. Toistuvan kuormituksen aikana joissakin kiteissä voi ilmetä liukumia eli leikkausvääntymiä yhden atomaarisen tason liukuessa toisen ohi. Toiset kidetasot vastustavat vähemmän tällaista liukumista kuin toiset. Niitä voitaisiin verrata pienen pieniin korttipakkoihin, jotka liukuvat helpommin tietyssä tasossa. Kiteet ovat yleensä sattumanvaraisesti suuntautuneita, ja jokin atomin mallissa oleva säännöttömyys voi antaa alkusysäyksen liukumiselle. Tällainen säännöttömyys voi johtua ontelosta tai sulkeumasta tai jostakin muusta murtorajan yli kohoavasta jännityksen keskittymisestä. Toistuva kuormitus aiheuttaa monien tällaisten liukumien eli siirtymien muodostumisen samalle alueelle. Niitä kasaantuu yhä enemmän, kunnes kide pirstoutuu. Tällainen pirstoutuminen vääristää edelleen toisia kiteitä, ja tapahtumasarja jatkuu niin kauan, että muodostuu aukko eli särö. Särö tai säröt jatkavat kasvamistaan, kunnes metallinen esine ei enää kykene kestämään kuormitusta, ja seurauksena on väsymismurtuma.
Väsyminen saattaa alkaa muillakin tavoilla. Mikrosäröily voi alkaa esimerkiksi raerajoista. Jokin kemiallinen toiminta saattaa nopeuttaa säröilyä. Väsymiseen on siis useita tunnistettuja syitä, vaikka vielä on paljon opittavaa. Yleinen seuraus on kuitenkin se, että kuormitettaessa ilmenevä jonkinlainen mikrosäröily aiheuttaa metallirakenteen vähittäisen heikkenemisen.
Väsymismurtuman tunnistaminen
Vaikka murtuman tunnistaminen väsymisen aiheuttamaksi vaatii joissakin tapauksissa huomattavan paljon kokemusta, eräistä yleisistä tuntomerkeistä saattaa olla apua. On tunnettua, että väsyminen on edistyvä tapahtumasarja. Lisäksi säröily kasvaa yleensä jaksoittaisesti. Tällainen jaksoittainen kasvu ilmenee toisinaan katkenneiden esineiden murtopinnoista. Ne ovat tavallisesti epäsäännöllisiä samankeskisten puoliympyröiden muotoisia, ja murtuminen alkaa puoliympyröitten keskustasta. Jos murtopinnoissa näkyy ”osterinkuorirakennetta”, syynä on luultavasti väsyminen.
Väsymisen huomioon ottaminen koneita suunniteltaessa
Teollisen vallankumouksen alussa ruvettiin rakentamaan voimakkaita höyrykoneita ja vetureita. Pian alettiin panna merkille selittämättömiä vaurioitumisia eräissä kone-elimissä. Saksalainen August Wöhler oli ensimmäisiä, joka tunnisti murtumiset väsymiseksi ja tallensi havaintonsa. Hän meni pitemmällekin ja lavasti murtumisia käyttäen veturin akseli aineesta valmistettuja kappaleita. Vaikka metallin väsymisilmiö nyt tunnistettiinkin, tuo pulma tuli vasta ensimmäisen maailmansodan ja ensimmäisten automobiilien aikana tavallisen ihmisen tietoon. Oli tavallista, että silloisissa autoissa murtui väsymisestä kampiakseleita, akseleita ja jousia.
Toiseen maailmansotaan mennessä metallin väsymisen ongelma tunnettiin vielä yleisemmin. Lentokoneiden laajamittainen käyttö keskitti huomion lujuuteen, painoon ja väsymiskestävyyteen. Nykyään koneiden lisääntynyt käyttö, helikopterit mukaan luettuina, asettaa suunnittelulle ja luotettavuudelle yhä suurempia vaatimuksia. Hallitukset ja yhtiöt tutkivat kiihkeästi ongelmaa. On kehitetty monimutkaisia laitteita, joilla tutkitaan nykyään rakenteita ja prototyyppejä.
Kaikki tällainen ponnistelu on johtanut esimerkiksi siihen, että käsikirjoja ja suunnitteluoppaita on parannettu. Näissä käsikirjoissa ilmoitetaan muun muassa kuormitusrajat annetuille aineille, niin että niitä voidaan käyttää joltisenkin turvallisesti. Näitä sanotaan ”murtorajoiksi”. Oheinen yksinkertainen kaaviokuva valaisee asiaa. Tällaisten tietojen valossa ongelma näyttäisi suurimmaksi osaksi ratkaistulta. Väsymisen aiheuttamat ongelmat ovat poissa, kunhan vain toimitaan turvallisissa rajoissa.
Mutta valitettavasti annetut tiedot eivät voi kattaa kaikkia käyttöolosuhteita. Me emme voi ennustaa luotettavasti koko sitä vaihtelevan kuormituksen aluetta, johon metalliesine joutuu todellisessa käytössä. Rasitusolosuhteet ovat usein mutkikkaita veto-, puristus- ja leikkausjännityksen yhdistelmiä. Todennäköistä kestoikää arvioitaessa on myös tärkeää tietää, missä järjestyksessä kuormitus on heikkoa ja voimakasta. Työskentely niin sanottujen ”paljaiden” materiaalien parissa on antanut paljon tietoa. Tällaisista aineista puuttuvat sellaiset jännityskeskitykset kuten reiät, lovet, niitit tai hitsaukset. Näillä kaikilla on taipumus alentaa alkuperäisiä lujuuksia. Mutta paljaissa materiaaleissakin on todellisuudessa loputtomasti laatuvaihteluja. Kaikki tällaiset kidekoon, sulkeumien lukumäärän ja tyyppien, kovuuksien ja sisäisen jännityksen vaihtelut mutkistavat suunnitteluun ja valmistukseen liittyviä ongelmia.
Suunnittelu- ja valmistusongelmien ratkaiseminen
Monia ostamiamme koneita ja kojeita suunniteltaessa ja valmistettaessa otetaan huomioon se, että jotkin niiden osista voivat rikkoutua käytössä. On esimerkiksi ollut käytäntönä suunnitella eräät auton osat kestämään 160000 kilometriä. Siihen mennessä verhoilu voi kulua puhki ja kori ruostua ja turmeltua. Toisaalta paino asettaa rajoituksia lentokoneen osien kestoiälle. Runsaampi materiaalin käyttö voi olla eduksi rakenteelle. Mutta kaikki ylimääräinen paino rajoittaa huomattavasti hyötykuorman ja mukana kuljetettavan polttoaineen määrää.
On hyvin tärkeää estää, jos suinkin mahdollista, vakavia onnettomuuksia sellaisissa koneissa, joiden varassa on ihmishenkiä ja omaisuutta. Nämä seikat huomioon ottaen suunnittelussa on syntynyt kaksi päämenetelmää.
Toisessa menetelmässä käytetään useita rinnakkaisia elimiä ottamassa vastaan kuormitusta. Jos yksi elin murtuu, muut kykenevät kestämään kuormituksen, kunnes korjaukset ovat mahdollisia. Yksi keino on estää säröily suunnittelemalla osa siten, että siinä on rasitusta pienentävä paksunnos. Mahdollisesti käytetään lujaa vahviketta, joka ottaa vastaan kuormituksen. Tarkastus on tärkeää tämän menetelmän yhteydessä.
Mutta tämän menetelmän käyttö ei ole usein mahdollista. Akselin tai hammaspyörän yhteyteen on tuskin mahdollista tehdä rinnakkaisia kuormitettavia elimiä. Silloin täytyy käyttää toista menetelmää: vaurioita ehkäisevää rakennetta ja ankaria testejä. Tällaisten osien valmistus ja kokoonpano vaatii suurta huolellisuutta.
Toisinaan näitä menetelmiä käytetään rinnan. Jälleen tarkastus on tärkeää, jos se voidaan suorittaa. Kerrotaan, että Pan Amin rakennuksen katolla olleen helikopterin vaurioitunut liitin piti tarkastaa 9900 tunnin välein. Mutta saatujen tietojen mukaan sitä oli käytetty vasta 7000 tuntia. Jos siis aikataulun mukaisia tarkastuksia ei ole myös riittävän usein, onnettomuus saattaa yllättää.
Erityisiä suojatoimia
Toisinaan voidaan käyttää joitakin erikoismenetelmiä väsymismurtumista johtuvien onnettomuuksien ehkäisemiseksi. Niitä ei aina käytetä lisäkustannusten, tiedon tai välineiden puutteen tai soveltumattomuutensa vuoksi. Lisäksi on olemassa eräitä keinoja murtuman ennustamiseksi.
Kuulasuihkutus eli -lietsonta on yksi tärkeä menetelmä, jota voidaan usein käyttää. Se tiivistää osan pinnan. Koska väsymismurtumat saavat alkunsa tavallisesti silloin, kun kappaleeseen kohdistuu toistuva nimellinen vetokuormitus, kuulasuihkutus auttaa pitämään ainakin kappaleen pinnan tiiviinä.
Toista menetelmää sanotaan joskus ”autofretaašiksi”. Vaikka tätä menetelmää on käytetty tykeissä, periaatetta voidaan soveltaa monella tavalla. Ideana on liikakuormittaa kappaletta niin paljon, että tietyt korkeajännityksiset osat venyvät. Kuormituksen lakattua nämä venyneet alueet joutuvat puristukseen. Tällaiset paikallispuristumat suojaavat pienentämällä jännitystä normaalissa palveluskäytössä.
Liikakuormituksella voi olla muitakin hyödyllisiä vaikutuksia, jos se suoritetaan ennen osan käyttöön ottoa. Näin on silloin, jos kappaleessa on tietyntyyppisiä kiinnikkeitä. Sellaisia ovat esimerkiksi niittiliitokset. Jos reiät sopivat yhteen epätäydellisesti, suuri osa kuormituksesta voi kohdistua harvoille niiteille. Mutta kun kokonaisuutta liikakuormitetaan, enemmän kuormittuneet alueet myötäävät, ja näin kuormitus jakautuu.
Metallin väsymismurtumia ehkäistään muillakin keinoilla, ja niistä on yleensä melkoisesti hyötyä. Niitä ovat mm. jännityksen poisto hitsauksen jälkeen ja reikien ja kolojen kiillottaminen paikallisten jännityskeskitysten lieventämiseksi.
Mitä sinä voit tehdä?
Vaikka suunnittelija ja valmistaja ovat tehneet paljon murtumien ehkäisyn edistämiseksi, sinäkin voit tehdä paljon. Seuraavassa on joitakin vihjeitä:
1. Käytä laitteita suositetuilla kuormituksilla ja nopeuksilla.
2. Korjatessasi laitteita älä tee ainakaan tärkeisiin kone-elimiin syviä naarmuja, lovia tai viilan jälkiä.
3. Vältä ylikuumentamista, sillä se saattaa vaikuttaa metallin kovuuteen ja heikentää työlujuutta.
4. Suojaa metalli ruosteelta ja syöpymiseltä.
5. Suojaa liikkuvat osat haitallisilta kemikaaleilta, kuten esimerkiksi hapoilta. Joidenkin metallien ollessa paljaana valossa niihin voi tunkeutua atomaarista vetyä, joka altistaa esineen haurastumiselle ja ennenaikaiselle murtumiselle. Lisäksi kemikaalit voivat aiheuttaa jännityskorroosiota.
Mitä voidaan sanoa metallinväsymisonnettomuuksista?
Voidaanko metallin väsymisen aiheuttamia onnettomuuksia estää? Voidaan, aikanaan.
Yleensä itsekkyyden, tietämättömyyden ja huolimattomuuden muodot aiheuttavat onnettomuuksia. Hillitön voiton tavoittelu, jatkuvasti riittämätön suunnittelutaito ja koneita valmistavien ja käyttävien huolimattomuus jättävät meidät joskus alttiiksi väsymisestä johtuville metallin murtumisille. Uusi asiainjärjestelmä on kuitenkin ovemme edessä. Tuossa ihmisen Luojan lupaamassa järjestelmässä kaikki itsekkyyden muodot tullaan poistamaan. Taito lisääntyy, suunnittelutaito mukaan luettuna. Silloin on myös koneita valmistavien ja käyttävien mielessä kaikkien turvallisuus.
[Kaavio s. 19]
(Ks. painettu julkaisu)
Suurin jännitys N/cm2
Murtuminen odotettavissa
Murtoraja
Turvallinen käyttöalue
500000
1000000
Murtumiseen johtava kuormituslukumäärä
Eräs väsymistä koskevien tietojen järjestämistapa
[Kuva s. 19]
OSTERIKUVIO