udmattelse | lex.dk – Den Store Danske

Udmattelse, materialetræthed, fremadskridende ændringer i et materiale, som udsættes for mekaniske vekselspændinger af relativt ringe størrelse. Fænomenet kan føre til brud ved spændinger, som ligger betydeligt under materialets flydespænding. Udmattelse optræder i fx metaller, beton, plast og knogler.

Det typiske udmattelsesbrud i stål viser tre zoner: initieringen, det egentlige udmattelsesbrud og restbruddet. Initieringen ligger oftest i overfladen og kan have ganske ringe udstrækning. Det kan være en valsefejl, en afkullet zone, en slaggeinklusion eller en hærderevne. Det kan også være bunden af et gevind, en pludselig dimensionsændring, et skarpt hjørne eller en beskadigelse fra en dårligt fastkilet yderring. I initieringszonen findes spændingskoncentrationer, der fører til submikroskopisk plastisk deformation og til de første fine revner. Herfra løber udmattelsesbruddet vinkelret på hovedspændingen, undertiden ganske glat, undertiden med karakteristiske stilstandslinjer, der røber noget om de periodiske svingningers rytme. Linjerne er dog ofte ødelagt, fordi revnens to sider har gnubbet mod hinanden. Når revnerne er nået så langt, at spændingen over det resterende ståltværsnit overskrider flydespændingen, sker der et pludseligt restbrud. Dette har ofte en ru eller mat karakter og mangler stilstandslinjerne. Det totale brud er stort set glat og viser ikke det plastiske bruds karakteristiske indsnøring.

Da de fleste udmattelsesrevner starter fra overfladen og er en vis tid om at nå katastrofale dimensioner, kan man ved ikke-destruktiv prøvning afsløre kritiske revner i tide, fx ved rutinetjek på turbineskovle i jetfly. Den vekselspænding, som fører til udmattelse, kan være bøjende, vridende eller træk-trykkende. Akselenden i en turbine er udsat for roterende, bøjende belastning, offshoreplatformens ben for bølgepåvirkning, skruefjederen i en udstødsventil for vridende, og stenhuggermejslen i en trykluftmaskine for stødende belastning.

Udmattelsesprøvning

Der findes prøvemaskiner til undersøgelse af de forskellige former for udmattelse. Almindelig brugt er Moores prøvemaskine for roterende, bøjende belastning. Prøvestangen, som er forsynet med kærv, opspændes i den ene ende og bringes til at rotere med stor hastighed (3000 o/min), mens den frie ende belastes. Spændingen, dvs. belastningen divideret med stangens tværsnitsareal, måles, og der registreres, hvor mange omgange der forløber inden brud. Nye stænger prøves ved andre belastninger, og alle data samles i det såkaldte Wöhler-diagram. Dette gælder for et konkret materiale i luft, når det har en bestemt geometri, overfladekvalitet og varmebehandling. Vha. prøvemaskinen kan man undersøge andre kombinationer og fx påvise, at polerede overflader har større udmattelsesstyrke end sletdrejede, og at vand, især saltvand, dramatisk sænker ståls styrke. Korrosionsudmattelse har især interesse for konstruktioner i havet. Alle udmattelsesdata er dog behæftet med stor statistisk usikkerhed.

Historie

Udmattelsesbrud rapporteredes første gang i forbindelse med brud på stålkabler i mineskakter i 1830'erne. Mellem 1858 og 1870 udførte Wöhler omfattende forsøg med jernbanevognes hjulaksler. Han konkluderede, at "når smedejern bliver anstrengt mangfoldige gange med en vis kraft, vil der kunne indtræde brud, selvom den enkelte anstrengelse med denne kraft ikke kunne medføre brud". Hans arbejder førte til, at man måtte opgive den udbredte opfattelse, at jernet "omkrystalliserede" og blev træt under vekselpåvirkningerne. Wöhler blev en varm fortaler for den systematiske anvendelse af materialeprøvning.

I tidens løb er der indtrådt mange ulykker, som har kunnet henføres til udmattelsesbrud. Stor opsigt vakte nedstyrtningerne af nogle af de første jettrafikfly i 1954, se Comet. Det viste sig, at årsagen var revner, der var initieret af de skarpe hjørner om trykkabinens firkantede vinduer. I vore dage gennemfører man udmattelsesprøvning på hele den færdige flyprototype, der på en prøvestand underkastes vekselspændinger svarende til et stort antal starter og landinger og op til 30.000 timers flyvetid. Det anslås, at hen ved 80% af alle brud i motorer, køretøjer og fly er udmattelsesbrud.

Kommentarer

Kommentarer til artiklen bliver synlige for alle. Undlad at skrive følsomme oplysninger, for eksempel sundhedsoplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer, når de kan.

Du skal være logget ind for at kommentere.