Materialutmattning

Utmattning beskriver försämring av ett materials hållfasthet orsakad av upprepade, låga mekaniska spänningar.[1] Utmattningsbrott sker vanligtvis i tre steg. Under det första steget uppstår den initiala sprickan. Under det andra steget växer sprickan för att i steg tre utsättas för ett katastrofalt brott.[2] Dessa utmattningsbrott utgör cirka 80 % av alla maskinkonstruktionshaverier[3] och cirka 90 % av alla brott i metaller[4].

Figur 1: SEM-bild visande striationer som bildats vid utmattning.

Det första steget vid utmattning är steg I, vilket utgörs av en initial spricka som ofta börjar vid en repa på ytan eller en inre defekt såsom en inneslutning. I steg II växer sprickan lite för varje cykel som den utsätts för. Ytan får små millimeterstora böljeslagsmärken (kallas på engelska för beach marks och skall inte förväxlas med striations som är mikrometerstora), det vill säga en räffla för varje cykel som sprickan vuxit (se figur 1). I steg III, när sprickan vuxit tillräckligt mycket alternativt om sprickan utsätts för en större last, sker ett plötsligt, katastrofalt brott.

Vid utmattning påverkas plasticiteten (deformerbarheten) och sträckgränsen. Ett materials förmåga att motstå utmattning kallas utmattningshållfasthet, egenskapen hos material att inte brista vid ett stort antal spänningsväxlingar. I detta avseende är stål en unik legering, som visar en utmattningsgräns, det vill säga en högsta spänning vid vilken brott ej inträffar, trots ett stort antal (>1.000.000) lastväxlingar. Om ett material har dålig utmattningshållfasthet kan detta bero på vibrationer, fram och återgående rörelser etc, men även inre spänningar. Dålig utmattningshållfasthet kan ge uttryck i vätesprödhet som uppstått under ytbehandlingsprocessen hos ett material. En utmattningsförbättrande process kan vara kemisk eller mekanisk beroende på orsaken till dålig utmattningshållfasthet.

Man skiljer på utmattningsbrott som sker efter fler eller färre cykler än 10.000. Det tidigare kallas HCF (high cycle fatigue) och det senare kallas för LCF (low cycle fatigue).

Figur 2: En vevarm i aluminium som utsatts för två typer av brott. De mörkare partierna har utsatts för utmattningsbrott där böljeslagsmärken syns. Den ljusare restbrottsytan har utsatts för ett "plötsligt" brott.

I figur 2 syns dessa räfflor eller böljeslagsmärken i det mörkare partiet av brottytan. Här har alltså steg II skett. Den ljusare och gropigare ytan är restbrottytan där det katastrofala brottet skett i steg III.

Andra Språk
Gaeilge: Strustuirse
한국어: 피로 (재료)
hrvatski: Umor materijala
Bahasa Indonesia: Kelelahan (material)
עברית: התעייפות
қазақша: Қажу
Nederlands: Vermoeiing
日本語: 疲労 (材料)
norsk: Utmatting
sicilianu: Fatìa
slovenčina: Únava materiálu
slovenščina: Utrujanje materiala
srpskohrvatski / српскохрватски: Umor materijala
Türkçe: Yorulma
українська: Втома матеріалу
Tiếng Việt: Độ bền mỏi
中文: 金屬疲勞