1.5 Utmattningshållfasthet

Utmattning är ett fenomen, som uppstår i metaller vid upprepad belastning och som medför att brott kan uppstå vid spänningar, väsentligt under materialets statiska hållfasthet.

En spiralfjäder till exempel kan belastas kraftigt ett stort antal gånger utan att brista, men så plötsligt går den av. Ett utmattningsbrott har inträffat.

Man har uppskattat att cirka 80-90 % av haverier i maskinkonstruktioner beror på utmattning, när man räknat bort fall av slarv och dåligt underhåll.

En brottyta, som uppkommit genom utmattning, har ett karakteristiskt utseende. Brottet utgår vanligen från någon form av anvisning i materialytan eller inne i materialet, till exempel en för skarp hålkäl eller en slaggpartikel, och växer i början långsamt. Brottytorna nöts härvid mot varandra och erhåller ringteckningar, som markerar olika tidpunkter i brottets tillväxt. När sprickan blivit nog stor, blir påkänningen för hög för den kvarvarande tvärsektionen, som då brister sprött med kornigt brottutseende. Brottet blir deformationslöst.

Man föreställer sig att växelpåkänningarna förorsakar en kallbearbetning i enskilda, oftast ytligt belägna eller högt belastade kristallkorn, även då spänningarna ligger under den vid dragprovning fastställda sträckgränsen. Kallbearbetningen resulterar bland annat i förflyttningar och sammanslagningar av dislokationer i påverkade kristallkorn. Dessa kan leda till att en spricka uppstår, som sedan växer på grund av de varierande spänningskoncentrationerna vid dess spets.

Det finns även andra mekanismer som kan beskriva olika typer av utmattningsbrott, men här finns tyvärr inte plats att gå djupare in på detta.

Typiskt för utmattningshållfasthet för stål är att man, till skillnad från de flesta övriga metaller, kan finna en utmattningsgräns. Om man genomför en serie provningar med lika provkroppar, och börjar med en relativt hög belastningsspänning, så får man ett brott efter ganska få lastväxlingar, se diagrammet ovan.

Sänker man successivt spänningen kommer proven att hålla fler och fler lastväxlingar för att till slut nå en belastningsspänning, där brott inte inträffar, trots ett mycket stort antal lastväxlingar (över en miljon). Den spänningen motsvarar materialets utmattningsgräns och brukar skrivas σD. Om provet samtidigt utsätts för korrosionsangrepp hittar man ingen utmattningsgräns, utan brott uppstår till slut även vid låg belastning.

Det finns tyvärr inte något enkelt och allmängiltigt utmattningsprov, utan de olika prov som finns är anpassade efter aktuella belastningsfall. Som exempel provar man fjädrar, kullager, kugghjul et cetera i speciellt utformade provmaskiner.

Provning med roterande böjning görs i maskiner enligt principskissen i Figur 27.

Provet är utformat som en rundstav med en skalle, som spänns in i maskinen. Provet ska vara finslipat och med väl definierad hålkäl. På ett bestämt avstånd monteras ett kullager med en belastningsanordning. Bestämd last läggs på och provet får rotera, varvid antal varv till brott registreras. Så kallat Wöhler-diagram liknande det i Figur 26 ritas upp och utmattningsgränsen bestäms.

Även om provningsbetingelserna i alla avseenden är lika kan resultaten från samma serie prover variera inom ganska vida gränser. Spridningen beror på många faktorer, till exempel provberedning, provmaskinens noggrannhet samt kanske främst på variationer i materialet, såsom slagginneslutningar, segringar eller strukturvariationer. Resultaten används främst i utredningar om nya stål, nya konstruktioner och ibland efter haverier.

Ett utmattningsbrott startar oftast från någon typ av anvisning. Det betyder naturligtvis att kunskap om olika anvisningar är viktig. Vanliga faktorer, som kan utgöra anvisningar, är

Konstruktionsfaktorer: skarpa hörn, skarpa hålkäl, olämpligt placerad svets

Tillverkningsfaktorer: dålig svets, grov yta, repor, dragspänningar i ytan

Materialfaktorer: sprickor, slagger, porositet, struktur

Runt anvisningarna uppstår vid belastning spänningskoncentrationer, som är svåra att beräkna och som kan leda till spricktillväxt.

Inverkan av ytfinishen framgår tydligt av diagrammet ovan. Ytfinishen har som synes större betydelse än materialets hårdhet, men allmänt ökar utmattningshållfastheten med stigande hårdhet och hållfasthet. Slagginneslutningar, även mikroslagger under några μm, kan i hårda stål leda till utmattningsbrott. Tydliga samband mellan livslängden för rullningslager och oxidiska mikroslagger föreligger.

Ofta är ytskiktet mest utsatt vid utmattningspåkänningar, samtidigt som detta också kan ha olika typer av felbetingade anvisningar. För att förbättra situationen vill man skapa tryckspänningar i ytan, som motverkar pålagda dragspänningar och minskar spricktillväxten från ytan. Ett sätt att kraftigt förlänga livslängden för hårt belastade fjädrar är att som sista operation stålsandblästra dem. Den hårdhamrade ytan får då de önskade tryckspänningarna.