Metallbrott till följd av utmattning
PLÖTSLIGT, utan förvarning, slog död och förintelse till på helikopterplattan belägen på taket till den 59 våningar höga Pan Am-byggnaden på centrala Manhattan i New York. En passagerarhelikopter välte, medan passagerare höll på att gå ombord för att flygas till den internationella flygplatsen John F. Kennedy. På några sekunder skar dess rotorer, likt jättestora svärdsklingor, sönder fyra passagerare. Tre dog omedelbart, och den fjärde dog på sjukhus. De snurrande rotorbladen gick i bitar som slungades ut över ett stort område. Några bitar föll ner på Madison Avenue och dödade en kvinna och skadade en annan. Vad var det som orsakade denna svåra olyckshändelse? En rapport från en preliminär undersökning antydde att det rörde sig om metallutmattning.
Låt oss betrakta en annan olyckshändelse, som inträffade för inte så länge sedan. Två kvinnor kom körande på den vackra vägen som går ut över ökedjan Florida Keys. Plötsligt girade bilen tvärs över körbanan och störtade i havet. Lyckligtvis fanns en dykare och en läkare i närheten, och kvinnorna räddades. Någonting i bilens styrmekanism hade gått sönder. Varför? En hastig undersökning avslöjade tydliga tecken på metallutmattning.
Tragedin på helikopterplattan i New York, den välkända olyckan med Silver Bridge, de mystiska försvinnandena över Medelhavet av några av de första engelska Cometflygplanen — man tror att alla dessa händelser har samband med metallutmattning.
Följderna av metallutmattningsskador kan, liksom cancer hos människor, ofta bli mindre allvarliga, om man kan upptäcka svagheterna i tid. Liksom vid cancer är åtgärderna ofta besvärliga och ibland tvivelaktiga. Vid olyckstillfället försvinner beklagligtvis ofta de ledtrådar som kan ge vägledning. Ännu oftare lämnas de obeaktade på grund av bristen på specialutbildad utredningspersonal.
Metallers struktur
För att kunna förstå metallutmattning måste vi undersöka metallernas struktur. Ända från Tubal-Kains dagar, den förste metallarbetaren i historien, fram till vår tid har det saknats en tillfredsställande förklaring av utmattning, när det gäller dessa material. (1 Mos. 4:22) Det är först helt nyligen som kunskapen om metallers grundläggande struktur har utvecklats tillräckligt för att kunna ge en rimlig förståelse. Om en bladfjäder eller en axel går sönder, kan man ännu i dag få höra någon säga att metallen kristalliserat. Detta kan inte vara orsaken till brottet, eftersom materialet var kristalliserat redan före brottet.
När smält metall börjar kallna och antar fast form, börjar små kristaller bildas. Dessa växer i storlek och antal, tills hela mängden kristalliserat. Med undantag av utomordentligt rena material är det emellertid så att det vanligtvis finns ämnen närvarande, som inte passar in i den normala kristallstrukturen. Somliga av dessa stöts bort och har en benägenhet att hamna mellan kristallerna eller kornen och bilda något som kallas ”korngränsmaterial”. Andra ämnen förblir i någon spridd form i hela strukturen. De fasta partiklarna kallas ”inneslutningar”. Även hål och tomrum uppstår. En metall som avkyls på detta sätt brukar benämnas ”gjutstruktur”. Även om metallen kan användas i denna form, kommer den ofta att ytterligare bearbetas på något sätt. Denna bearbetning kan omfatta en eller flera av följande slag: smidning, valsning, sänksmidning, maskinbearbetning och/eller slipning. Dessa steg är kanske bara början, eftersom många procedurer ofta är nödvändiga. Varje steg kan och brukar i verkligheten påverka ett metallstyckes potentiella livslängd fram till ett utmattningsbrott.
Hur metallutmattning kan uppstå
Om ett vanligt metallstycke utsätts för dragning i ändarna, brukar det åtminstone en gång kunna klara en belastning som når gränsen för den beräknade eller maximala hållfastheten (brottgränsen). Om det emellertid upprepade gånger utsätts för en dragbelastning, som är tillräckligt kraftig för att åstadkomma utmattningssprickor, kan följden bli att bara en mindre del av den maximala hållfastheten återstår, och fortsatt belastning kommer till slut att ge upphov till brott. Denna förminskade hållfasthet beror delvis på metallstrukturens grundläggande natur. Under upprepad belastning kan glid- eller skjuvförskjutningar inträffa i vissa kristaller, på så sätt att ett atomplan glider förbi ett annat. Vissa kristallplan bjuder lägre motstånd än andra mot sådana förskjutningar. Man skulle kunna jämföra dem med små packar med kort som glider lättare i ett visst plan. Kristallerna är vanligtvis orienterade på ett slumpartat sätt, och den första förskjutningen kan utlösas av någon oregelbundenhet i atomgittret (atommönstret). Denna oregelbundenhet kan bero på en inneslutning eller ett tomrum eller någon annan spänningskoncentration, som gör att skjuvbrottsgränsen överskrids. Upprepad belastning gör att anhopningar av sådana glidningar eller dislokationer (förskjutningar) bildas. De fortsätter att öka i antal tills kristallen brister. Denna bristning deformerar i sin tur andra kristaller, och förloppet fortsätter tills en öppning eller en spricka uppkommer. Sprickan eller sprickorna fortsätter att växa, tills metallstycket inte längre kan bära belastningen och utmattningsbrott inträffar.
Det finns också andra sätt på vilka utmattning kan uppstå. Mikrosprickor kan till exempel uppstå vid korngränserna. Sprickbildningen kan påskyndas av någon kemisk aktivitet. Det finns alltså olika fastställda orsaker till utmattning, fastän mycket fortfarande återstår att lära. Det vanligaste förloppet är emellertid att en allt större försvagning av metallstrukturen sker genom någon form av mikroskopisk sprickbildningsprocess i samband med belastning.
Hur man känner igen ett utmattningsbrott
Fastän det i många fall krävs ett ansenligt mått av erfarenhet för att kunna fastslå att utmattning varit orsak till brott, finns det vissa allmänna igenkänningstecken, som kan vara till hjälp. Man är överens om att utmattning är en process som sker gradvis. Tillväxten av sprickor sker vanligtvis också stegvis. Detta stegvisa utvecklingsmönster är ibland synligt på de brustna delarnas brottytor. Sådana mönster brukar likna oregelbundna koncentriska halvcirklar, vars medelpunkt är brottets begynnelsepunkt. Om dessa ”ringteckningar” finns på brottytorna, är orsaken förmodligen utmattning.
Utmattningens betydelse uppmärksammad vid konstruktion av maskiner
I samband med den industriella revolutionens begynnelse började man bygga kraftfulla ångmaskiner och lokomotiv. Så småningom började man lägga märke till oförklarliga brott på vissa maskinelement. August Wöhler i Tyskland var en av de första som identifierade brotten som utmattning och gjorde anteckningar om sina rön. Han gick ännu längre och demonstrerade brottskador, och han använde då material från lokomotivaxlar som åskådningsexempel. Fastän man nu konstaterat att fenomenet metallutmattning existerade, skulle det komma att dröja ända till första världskriget och till de första bilarna, innan problemet blev känt för människor i allmänhet. I dessa bilar var det vanligt att man råkade ut för utmattningsbrott i vevaxlar, axlar och fjädrar.
Vid tiden för andra världskriget hade man blivit mer medveten om problemet med metallutmattning. Den omfattande användningen av flygplan riktade uppmärksamheten på tillförlitlighetsfrågor i samband med hållfasthet, belastning och utmattning. På grund av den ökade användningen av maskiner, bland annat helikoptrar, är kraven i dag ännu större, när det gäller konstruktion och tillförlitlighet. Myndigheter och organisationer bedriver en intensiv forskning, som har med dessa frågor att göra. Avancerad utrustning har utvecklats och används nu för att studera konstruktioner och prototyper.
Ett resultat av all denna möda är att handböcker och konstruktionshandledningar förbättrats. Dessa handledningar anger bland annat belastningsgränser för givna material, så att de kan användas med ett viss mått av säkerhet. Dessa gränser kallas ”hållfasthetsgränser”. En enkel framställning visas i diagrammet i denna artikel. Med hjälp av denna information kan det tyckas att problemet i huvudsak är löst. Det gäller bara att hålla sig inom säkerhetsgränserna, så behöver man inte bekymra sig om utmattningsriskerna.
Tyvärr kan emellertid de fakta och upplysningar som ges inte täcka alla användningsområden och förhållanden. När det gäller den praktiska användningen av en metalldel, kan man förmodligen inte exakt förutse alla belastningsförhållanden. Påkänningarna är ofta av komplicerat slag och omfattar kombinationer av dragning, tryck och skjuvning. Det är också av betydelse att känna till den ordning i vilken låga och höga belastningar inträffar, om man skall kunna beräkna den sannolika livslängden fram till dess att ett utmattningsbrott inträffar. Många uppgifter har inhämtats från något som man skulle kunna kalla ”konstruktionsmaterial” (obearbetade material). Detta är material som saknar spänningskoncentrationer orsakade av hål, spår, nitar eller svetsställen. Alla dessa faktorer brukar i allmänhet sänka de grundläggande hållfasthetsgränserna. Likväl är det i verkligheten så att det finns ett obegränsat antal kvaliteter, även när det gäller obearbetade material. Variationerna i kristallstorlek, antal och slag av inneslutningar, hårdhet och inre spänningar bidrar alla till att försvåra problemen när det gäller konstruktion och tillverkning.
Hur man löser problem vid konstruktion och tillverkning
Många av de maskiner och apparater vi köper är konstruerade och tillverkade med sikte på att vissa delar kan gå sönder vid användningen. Det har till exempel varit brukligt att konstruera vissa bildelar för en livslängd av 160.000 kilometer. Vid det laget borde stoppningen vara utnött och karossen upprostad och förstörd. När det däremot gäller flygplansdelars livslängd fram till ett utmattningsbrott, har vikten avgörande betydelse. En större kvantitet material kan vara en fördel när det gäller konstruktionen, men varje slag av övervikt begränsar strängt den mängd nyttolast och bränsle som kan medföras.
I samband med maskiner där liv och egendom står på spel är det nödvändigt att undvika allvarliga olyckor, om det är möjligt. På grund av dessa hänsynstaganden har två allmänna konstruktionsbegrepp utvecklat sig — den haverisäkra konstruktionsprincipen och den utmattningssäkra konstruktionsprincipen.
Vid tillämpningen av den haverisäkra konstruktionsprincipen används flera likadana maskinelement för att bära en viss belastning. Om ett maskinelement går sönder, kan därför de andra bära belastningen tills reparation är möjlig. Ett annat sätt är att använda ”sprickbildningsbegränsare”. Enligt denna metod konstrueras maskinelementet så att det får grövre dimension på ett visst ställe för att åstadkomma lägre spänningar. Det är också möjligt att använda en kraftig förstärkning, som kan avlasta trycket. När den haverisäkra konstruktionsprincipen används, är det betydelsefullt att ha besiktningar.
Ofta är det inte möjligt att använda den haverisäkra konstruktionsprincipen. En axel eller ett drev kan knappast göras i flera likadana bärande exemplar. För detta slag av maskinelement måste den utmattningssäkra konstruktionsprincipen tillämpas. Vid denna metod används en konstruktion som är mycket okänslig och motståndskraftig och som dessutom underkastas stränga prov. När det gäller sådana maskinelement, är det nödvändigt att iaktta särskild noggrannhet under hela tillverknings- och monteringsproceduren.
Ibland använder man den haverisäkra och den utmattningssäkra konstruktionsprincipen samtidigt. Även i detta fall är det viktigt att besiktningar utförs, om detta är genomförbart. Det har framkommit att den konstruktion som inte höll på helikoptern på Pan Am-byggnaden skulle besiktigas vid 9.900 timmar. Den hade emellertid, enligt uppgift, varit i bruk endast 7.000 flygtimmar. Därför kan det också bli katastrof, om regelbundna besiktningar inte görs tillräckligt ofta.
Särskilda skyddsåtgärder
Vissa särskilda åtgärder, som bidrar till att förebygga olyckor på grund av utmattningsbrott, kan ibland vidtas. Men de tillgrips inte alltid på grund av den extra kostnaden, bristen på kunskap eller speciella anordningar, eller därför att de inte är tillämpbara. Det finns också vissa metoder att förutse brott.
En av de viktiga metoder som ofta kan användas är kulblästring. Detta åstadkommer ett slags sammanpressat ytskikt på maskinelementet. Eftersom utmattningsbrott vanligtvis uppstår när maskinelementet utsätts för upprepade påkänningar med full belastning, bidrar blästringen till att hålla åtminstone ytan på maskinelementet i ett sammanpressat tillstånd.
En annan metod kallas autofrettage eller självmantling. Denna metod används ibland vid kanontillverkning, men principen har många tillämpningsområden. Avsikten är att överbelasta maskinelementet i så hög grad att vissa partier, som utsätts för hög påkänning, trycks ihop. När belastningen sedan upphör, kvarstår dessa formförändrade partier i ett komprimerat (sammantryckt) tillstånd. Sådana lokalt komprimerade partier utgör en säkerhetsfaktor på grund av att de minskar spänningen under normala användningsförhållanden.
Överbelastning kan ha andra gynnsamma verkningar, om den utförs innan maskinelementet tas i bruk. Detta är fallet om maskinelementet har vissa typer av sammanfogningar, till exempel nitförband. På grund av ofullständig inpassning av hål kan vissa nitar komma att uppbära större delen av en belastning. Genom att de hopmonterade delarna överbelastas ger emellertid de högt belastade delarna med sig, och därvid fördelas belastningen.
Det finns andra sätt man kan använda sig av för att förebygga metallutmattningsbrott, och de är vanligtvis till mycket stor nytta. Spänningsavlastning efter svetsning och finslipning av hål och fördjupningar, i syfte att minska partiella spänningskoncentrationer, är exempel på sådana förfaringssätt.
Vad kan du göra?
Även om konstruktören och tillverkaren kan ha gjort mycket som bidrar till att förhindra att brott inträffar, finns det en hel del du kan göra. Här följer några anvisningar:
1. Använd utrustningen inom de rekommenderade belastningsgränserna och hastigheterna.
2. När du reparerar din utrustning, undvik då att göra skrapmärken, hack eller grader, åtminstone på utsatta delar.
3. Undvik överhettning, eftersom detta kan påverka metallens hårdhet och förminska dess effektiva styrka.
4. Skydda metallen mot rost och gravrost.
5. Skydda de bärande och kraftöverförande maskinelementen från vissa kemikalier, till exempel syror. När vissa metaller lämnas oskyddade, kan detta medföra att väteatomer tränger in i dem, vilket kan ge upphov till sprödhet och leda till att brott snart inträffar. En annan verkan som kemikalier kan ha är att de kan orsaka spänningskorrosion.
Vad kan sägas om olyckor i samband med metallutmattning?
Kan olyckor orsakade av metallutmattningsbrott helt och hållet förhindras? Ja, så småningom.
Det är vanligt att olyckor orsakas av olika former av själviskhet, okunnighet och slarv. Ibland löper vi risken att råka ut för metallutmattningsbrott på grund av omåttlig vinningslystnad, bristande kunskap som ännu existerar när det gäller konstruktionsprinciper och slarv vid tillverkningen och användningen av utrustningen. En ny tingens ordning står emellertid för dörren. I denna ordning, som utlovats av vår Skapare, kommer alla former av själviskhet att vara borta. Kunskapen kommer att öka, även sådan som har med konstruktionsteknik att göra. Dessutom kommer de som då tillverkar utrustningen och de som använder den att vinnlägga sig om allas säkerhet.
[Tabell på sidan 19]
(För formaterad text, se publikationen)
Kraft i N (Newton) per kvadratcentimeter
Brott beräknas inträffa
Säkert användningsområde
Utmattningsgräns
500.000
1.000.000
Antalet belastningsväxlingar
En metod att systematisera värden för utmattning.
[Bild på sidan 19]
RINGTECKNINGAR