Den klassiska hållfasthetsläran handlar om att säkerställa att ingenjörsvärldens konstruktioner inte går sönder. Ämnet är disciplinärt en del av fysiken och det beskriver hur deformerbara fasta kroppar uppför sig under belastning och hur de brister. En mycket vanlig orsak till haverier inom mekanisk industri är så kallad utmattning (materialtrötthet). Sedan 1820-talet har det varit känt att material är känsliga för belastningar som varierar, fluktuerar, i tiden, till exempel växling mellan drag och tryck. Konstruktioner utsatta för ett stort antal belastningsväxlingar kan brista även om belastningsnivån ligger långt under den som skulle orsaka brott vid en enda pålastning.
Utmattningssprickor startar ofta vid defekter på ytan och de växer sedan successivt under en lång tid, vanligen med mycket liten hastighet, för att slutligen leda till haveri eller till kraftigt försämrad funktion hos konstruktionen. Dimensionering mot utmattningsbrott har mestadels baserats på empiriskt framtagna modeller och på experiment med provstavar eller uppbyggda konstruktioner där antalet belastningsväxlingar till brott registrerats för givna yttre belastningar. Först under de senaste 20 åren har man börjat förstå vad som händer i en metall när en utmattningsspricka skapas i ett korn och sedan växer in i angränsande korn.
Särskilt svetsar är känsliga för utmattningsbelastning. Detta beror framför allt på två saker:
- Sprickor startar för det första ofta vid anvisningar, det vill säga på ställen där konstruktionen ändrar geometri. En svets, speciellt en så kallad kälsvets, innebär en kraftig geometriändring vilket innebär att man lokalt får betydligt högre materialpåkänning, spänning, än i andra delar av konstruktionen. Höga positiva spänningar öppnar sprickan och får den att växa. Svetsar innehåller dessutom ofta ytdefekter som svetsporer och smältdiken som utgör startpunkter för utmattningssprickor.
- Vid själva svetsningen kommer material att lokalt mycket snabbt värmas till smälttemperatur för att därefter snabbt kylas. Under värmningen får man permanenta plastiska deformationer i svetsen vilket medför att det efter svalning kommer att kvarstå inre materialpåkänningar, så kallade svetsegenspänningar, i konstruktionen. Det material vid svetsen som kyls snabbt vill dra ihop sig men hindras av den kallare omgivningen vilket leder till uppbyggnad av höga positiva egenspänningar, dvs dragspänningar. Dessa positiva egenspänningar samverkar med den yttre belastningen varvid påkänningen vid sprickspetsen blir större än eljest. Därmed ökar sprickans tillväxthastighet.
Utmattningssprickor i punktsvetsad provkropp. Denna typ av provkroppar används för att simulera vad som händer i en knut i en bilkaross när den utsätts för krafter från motor och vägbana.
Inom svetsmekaniken, ”computational welding mechanics”, arbetar man med att numeriskt, med hjälp av icke-linjär finit elementanalys, simulera den temperaturvariation, mikrostrukturutveckling och uppbyggnad av deformationer och spänningar som sker i en konstruktion vid svetsning. Dessa simuleringar kräver god kännedom om hur material uppför sig under belastning vid olika temperaturer, en information som normalt bara kan erhållas från experiment. Vid Chalmers hållfasthetslära har vi under flera år arbetat med svetsmekaniska problem, men också med att numeriskt simulera den omlagring av egenspänningar som sker när en svetsad konstruktion utsätts för en i tiden varierande belastning. Därmed kan vi beräkna vilken påkänning som finns vid spetsen av en utmattningsspricka i en konstruktion under belastning och vi kan bättre bedöma hur sprickan tillväxer. Tillämpningar som studerats är:
- stumsvetsar i rörsystem i kärnkraftverk (gods-tjocklekar 10-20 mm),
- svetsning av lock till kopparkapsel (godstjocklek 50 mm) för slutförvaring av använt kärnbränsle,
- punktsvetsar i bilkarosser (godstjocklek 1 mm).
Samarbete sker med metallurger, men också med matematiska statistiker eftersom de tekniskt intressanta tillämpningarna ofta är sådana där yttre laster varierar på ett oregelbundet sätt vilket komplicerar beskrivningen av vad som händer vid sprickspetsen. Vidare studeras initiering av utmattningssprickor i järnvägsräls med samma numeriska metoder som i svetsmekaniska problem. Den ökande belastningen på järnvägsnätet vad avser tåghastighet, axellast och trafikintensitet, leder till problem med sprickor i ytskiktet på rälsen, sprickor som bör nötas eller slipas bort innan de blivit för stora.
Dagens numeriska simuleringar bygger på att materialet i en konstruktion kan betraktas som ett kontinuum, det vill säga att dess egenskaper varierar kontinuerligt inom konstruktionen. Man tar då inte hänsyn till vad som händer lokalt i olika korn eller korngränser i materialet. En stor utmaning de närmaste åren är att numeriskt försöka bättre simulera initieringen och den mycket tidiga tillväxten av sprickor på så kallad mesomekanisk nivå, det vill säga i det skede då sprickan växer igenom de första kornen. Detta kommer att kräva mer materialfysisk kunskap men också effektivare beräkningsalgoritmer än idag. Målet är en större precision vid beräkningen av livslängden för en konstruktion.
(Texten publicerades 1999 för skriften Ny kunskap.)