Artikkelen beskriver de fysisk-kjemiske fenomenene i materialer. For lignende forhold hos levende organismer, se utmattelse eller stress. For The Aller Værste!s album, se Materialtretthet (album). thumb|Utmattingsbrudd i en aluminium pedalarm. I det mørke området var det en langsom utvikling av bruddet. Kontakt med luft over tid har gitt kjemiske reaksjoner i overflaten og det er blitt mørkt. I det mørke området skimter en også stadier i bruddutviklingen som minner om årringer. Det lyse området er der den siste delen av bruddet (avrivingsbruddet) skjedde. Avrivingsbruddet skjedde hurtig. Foto: Lokilech, 2007
Utmattingsbrudd er en skadetilstand som oppstår i en konstruksjon som følge av gjentatte belastninger. Skaden oppstår selv om spenningene er lavere enn flytespenningen.
Den mest alvorlige ulykken i Norge knyttet til utmatting er forliset av Alexander L. Kielland. Internasjonalt var det Libertyskipene under andre verdenskrig og de Havilland Comet ulykkene i 1954 som gjorde at fenomenet fikk oppmerksomhet under navnet metalltretthet. Professor Kåre Hellan anslo at 90% av alle brudd i metaller har utmatting som hovedårsak. Nyere utmattingshendelser som har fått stor oppmerksomhet er Aloha Airlines flight 243 i 1988, oljetankskipet «Erika» i Bretagne i 1999, akslingbruddene i signaturtogene til NSB i 2002, helikopterulykken med et Super Puma i 2009 som drepte 16 personerDalløkken, Per Erlien (25. november 2011): «Ett tannhjul kostet 16 liv i Nordsjøen», Teknisk Ukeblad AIRCRAFT ACCIDENT REPORT 2/2011 (PDF), Report on the accident to Aerospatiale (Eurocopter) AS332 L2 Super Puma, registration G-REDL 11 nm NE of Peterhead, Scotland on 1 April 2009 og Helikopterulykken ved Turøy i 2016 med 13 døde.
Første stadium i en utmattingsprosess er når det oppstår mikroskopiske tøyninger langs glideplan i metallets korn. De mikroskopiske defektene oppstår i overflaten av metallet og brer seg innover. Kimen til utmattingssprekken er da dannet, og kan siden utvikle seg. Det andre stadiet er når sprekken vokser. Ikke alle belastninger vil åpne sprekkene, men derimot lukke dem igjen. De individuelle tilvekstene danner mønster som likner på havbølger eller årringer. Det siste stadiet er når sprekken har nådd en kritisk størrelse. Da får en restbrudd, også kalt avrivingsbrudd. I denne fasen vil materialet alltid oppføre seg sprøtt, selv om materialet ellers oppfører seg seigt. Restbruddet utvikler seg hurtig. Hvor lang tid de enkelte fasene tar avhenger i hovedsak av spenningsforholdene og av materialegenskapene.
For å få samme sprekkvekst, må en ha om lag tre ganger høyere spenning i stål enn i aluminium.
Utmattingslevetiden kan beregningsmessig fastsettes basert på bruddmekanikk eller SN-kurver sammen med Palmgren-Miners summering. Bruddmekanikk er mest brukt blant forskere som vil studere hva som skjer fysisk. SN-metoden som er den enkleste og mest utbredte, er mest brukt av ingeniører. En skiller ofte mellom brudd med få og mange svingninger, der lavsyklus utmatting er brudd med høye spenninger og mindre enn 5 000 til 10 000 lastvekslinger (svingninger).
Bruddmekanikk Mens en ved bruk av SN-kurver ikke går inn på hva som skjer inne i en konstruksjon, forsøker en i bruddmekanikken å forklare hva som skjer på mikronivå, og prøver derfra også å forstå hvordan hele konstruksjonen oppfører seg når den er utsatt for utmattingslaster.
En deler normalt bruddutviklingen i tre faser.Lotsberg, 2016, side 19. Hvor lang tid de enkelte fasene tar avhenger i hovedsak av spenningsforholdene og av materialegenskapene. Det er ikke alltid noen klar overgang mellom fasene.
Den første mikroskopiske sprekken Første stadium i en utmattingsprosess er når det oppstår mikroskopisk flyting (permanent tøyning) langs glideplan i metallets korn. Det er helst glideplan med høy skjærspenning. Retningen flytingen går på mikronivå er ofte sporadiske og avhenger av orienteringen av kornene i materialet og av korngrenser. Hver spenningsendring medfører mikroskopisk flytning langs glideplan i metallkornene. Det aktiveres stadig nye glideplan, som medfører en tilfeldig dannelse av mikroskopiske sprekk-lignende defekter. De mikroskopiske defektene vil normalt oppstå i overflaten av metallet og bre seg innover. Det kommer av at overflatekornene i metallet ikke blir holdt igjen på alle sider når en er i overflaten. Tilsvarende overflater kan en få i grenseflaten mellom metall og ikke-metalliske inneslutninger. De lokale deformasjonene blir derfor større i overflaten enn inne i materialet. Materialet blir sprøtt i enkelte punkter som bare omfatter noen få atomavstander. Kimen til sprekken er da dannet, og kan siden utvikle seg.
Tiden det tar fra en konstruksjon utsettes for laster til en sprekk opptrer varierer mye, også for tilsynelatende identiske materiale og belastninger. I praksis må en bruke måleresultater for å fastslå denne tiden nøyaktig.
Sprekkveksten Det andre stadiet er når sprekken vokser. Den vokser i hovedsak på tvers av strekkretningen. Når sprekkveksten starter ved en plan overflate vil dette ta lang tid. Når sprekkveksten starter hvor det lokalt er høye spenninger eller en eksisterende defekt kan sprekken vokse raskt. Da antar en ofte at den videre sprekkveksten skje i samsvar med Paris’ formel, der endring av sprekkstørrelsen (da) for hver lastsyklus (dN) vil bli:
da / dN = C * dKm
Der C og m er materialkonstanter som ikke varierer mye innenfor samme type metall. Standarder angir verdier for eksempel for stål og aluminium. dK er variasjonen i spenningsintensitetsfaktoren ved sprekkspissen. Det som ofte er vanskeligst å bestemme er spenningsintensitetsfaktoren, spesielt når det lokale spenningsforløpet er uoversiktlig. En kan med denne metoden regne seg fram til hvor fort en sprekk vil vokse, ved å regne seg gjennom lastvekslingene.
Ikke alle belastninger vil åpne sprekkene, men derimot lukke dem igjen. For å kompensere for dette må en gjøre tilpasninger i beregningene.
Paris' formel er enkel, og tar naturlig nok ikke hensyn til alle forhold. Det er derfor foreslått flere modifiserte varianter. Ved å innføre flere variable blir det lettere å tilpasse parametrene til resultater fra forsøk, men samtidig gjør en beregningene mer kompliserte. Det utgis hvert år mange publikasjoner med resultater av tester, uttesting av teorier og med nye teorier.
Avrivingsbruddet Det siste stadiet er når sprekken har nådd en kritisk størrelse. Da får en restbrudd, også kalt avrivingsbrudd. I denne fasen vil materialet alltid oppføre seg sprøtt, selv om materialet ellers oppfører seg duktilt. Restbruddet utvikler seg hurtig. Restbruddet er avhengig av det samme settet med variable som det for brudd med monoton last.
Bruddflaten kan være fibrig (matt) eller kornig (glinsende), og skiller seg klart ut fra bruddflaten under sprekkveksten.
Høysyklus utmatting Innledning Den enkleste måten å gjøre utmattingstester er å gjøre forsøk med en fast spenningsvidde og se hvor mange vekslinger som må til før materialet ryker. De fleste utmattingsanalyser bygger så på at det er en forbindelse mellom spenningene og antall spenningsvekslinger i samsvar med Wöhler-kurver også kalt SN-kurver (se nedenfor). SN-kurven forutsetter for en gitt konstant spenningsvidde S, at den forventede levetiden målt i spenningsvekslinger N før totalt brudd, er:
N = a * S-m
der a og m er konstanter som karakteriserer SN-kurven. Verdiene for m og a finnes normalt i standarder. Typiske verdier for m i stålkonstruksjoner er 3-5, som variere med antall spenningsvekslinger (N). Spenningsvidden er avstanden mellom største og minste spenning målt i MPa.
Dersom det ikke finnes SN-kurver for den aktuelle sveiseforbindelsen må en utføre nye utmattingsforsøk for å bestemme SN-kurven. I standarder fastsettes SN-kurvene normalt som middelverdien minus to standardavvik. Det er da teoretisk om lag 2,4 prosent sannsynlighet for at forbindelsen tåler mindre enn det beregningene viser. I praksis fastsettes kurvene også med en del skjønn ut fra vurderinger av særegenhetene ved de enkelte forsøkene og ut fra ønsker om å få til enkle kurver. Dersom en konstruksjon har 100 sveiser, kan en forvente at to av dem sprekker tidligere enn beregnet levetid.
Spenningsvidden fastsettes ut fra analyser. Den beregnede spenningen må multipliseres med en lokal spenningskonsentrasjonsfaktor også kalt kjervfaktor. Denne faktoren tas normalt fra en standard, en forskningspublikasjon, fra forsøk eller beregnes med en elementanalyse.
I utmattingsanalyser antas det videre at en for en gitt spenningsveksling (i) kan beregne en delskade ni / N. Der N er antall sykler tatt fra SN-kurven. Når en innretning utsettes for mange spenningsvekslinger bestemmes samlet skade så ut fra teoriene til Palmgren og Miner som summen av delskadene fra hver spenningsveksling. Ved dimensjonering av konstruksjoner brukes sikkerhetsmarginer på sum delskade ofte avhengig av mulighetene for inspeksjon, reparasjon og vedlikehold, samt konsekvensene av svikt i forbindelsen. Sikkerhetsfaktoren gis enten som en tillatt delskade (Palmgren-Minersum) eller som en faktor som en skal multiplisere antall sykler (N) med (engelsk design Fatigue Factor "DFF"). Tester med variable laster viser at en ofte får brudd før en har Palmgren-Miner-sum lik en. Typiske testverdier er fra 0,4 til 2,2. For analyseformål er det vanlig å forutsette at summen er lik én ved brudd. Ved høye spenninger er formelen ikke konservativ, mens det motsatte er tilfelle ved lave spenninger og mange sykler.Lotsberg, 2016, side 114ff, jamfør side 130. Han viser til tester med 280MPa, 175MPa (typisk for stag i strekkstag) og 70MPa (typisk i fast plattformer).)
Små konsekvenser av brudd Store konsekvenser av brudd Mulig å inspisere og reparere 1-2 3-6 Ikke mulig å inspisere eller reparere 2-6 10-20 Eksempler på utmattingsfaktorer (DFF). Intervallet angir typiske verdier i regelverk til forskjellige anvendelser.
Alle bidragene til delskade av betydning må tas med i analysene. Det gjelder også laster i byggefaser. I praksis lager en intervaller av spenninger og fastsetter antall spenningssykler i hvert intervall i konstruksjonens levetid, og summerer opp alle bidragene.
Klassifisering av forbindelser For å gjøre analysene overkommelige, deler en ulike typer forbindelser opp i klasser, der en bruker en SN-kurve for hver klasse. DNV GL gir de et navn først i hovedgrupper der en bruker bokstaver B, C, D og så videre. Disse deles også i en del tilfeller i undergrupper der en bruker tall – for eksempel B1. Klassifiseringen avhenger blant annet av type last (for eksempel strekklast eller skjær), metoder for kutting av plater, materialtype og tidligere reparasjoner. I gruppene vil det være en del variasjon, men en har valgt grupper som en forventer vil oppføre seg likt eller bedre enn en referansegeometri som en gjør forsøk med. En slik klassifisering finner en for eksempel hos DNVGL-RP-C203, som bruker 14 ulike klasser. Eurocode 3 klassifiserer konstruksjonene i tall fra 36 til 160, der høyere tall gir bedre utmattingsegenskaper.
Generelt er forbindelsene dårligere til å ta utmattingslaster dess høyere opp i alfabetet en er og dess høyere tilleggstallet er. Er en usikker på valget bør en klassifisere slik at det blir sikkert.
SN-kurvene Når en har valgt klasse kan en for hver klasse lese av m og a-verdier fra standarder. Disse verdiene er oppsummeringer av resultater fra testing i laboratorier. Anbefalingene fra International Institute of Welding om SN-kurvene for stål i luft er brukt i Europastandarden ENV 1993-1-1, Norsk Standard NS3472 og i Det Norske Veritas' standard DNVGL-RP-C203.
Når en laget kurvene definerte en brudd som gjennomgående sprekker. Dersom gjennomgående sprekker er akseptabelt, har en fortsatt ofte en betydelig gjenværende levetid før avrivingsbruddet.