Wanneer metalen ten gevolge van vermoeiing bezwijken

PLOTSELING, zonder enige waarschuwing, zaaiden helikopterwieken dood en verderf op de helihaven bovenop het dak van het 58 verdiepingen hoge Pan-Am-gebouw, midden in Manhattan (New York). Terwijl de passagiershelikopter vol mensen stroomde, voor een vlucht naar de internationale John F. Kennedy luchthaven, geraakte het toestel plotseling in een kanteling. Binnen enkele seconden hadden de rondwentelende rotorbladen vier passagiers als reuzensabels neergeveld. Drie stierven ter plaatse en de vierde in het ziekenhuis. De wieken sloegen aan stukken en de metaaldelen vlogen over een grote afstand weg. Beneden op de grond, op Madison Avenue, werd één vrouw door een rondvliegend stuk getroffen en gedood en een ander gewond. Wat was de oorzaak van deze ramp? Afgaande op het rapport van een eerste onderzoek moet er metaalvermoeiing in het spel zijn geweest.

Nog een ander ongeval. Twee vrouwen reden over de prachtige zeeweg die loopt over de Key-eilanden van Florida. Plotseling gierde de wagen schuin over de weg en dook in zee. Gelukkig waren er een arts en een duiker in de buurt zodat de vrouwen konden worden gered. Een deel van het stuurmechanisme had het begeven. Een vluchtig onderzoek onthulde duidelijke tekenen van metaalvermoeiing.

De Newyorkse heliport-tragedie, het ongeluk op de Silver Bridge, de mysterieuze verdwijning van de eerste Britse Comets boven de Middellandse Zee — van al deze gebeurtenissen denkt men dat ze verband gehouden hebben met metaalvermoeiing.

De gevolgen van vermoeiingsschade in metalen kunnen, net als de gevolgen van kanker bij mensen, veel minder ernstig zijn wanneer het bestaan ervan vroeg wordt vastgesteld. Toch blijft, net als bij kanker, de genezing vaak moeilijk en onzeker. De identificerende kenmerken gaan bij een ongeluk helaas vaak verloren. En nog vaker blijven ze wegens gebrek aan getrainde onderzoekers onopgemerkt.

De structuur van metalen

Om een beter begrip van het optreden van vermoeiingsverschijnselen in metalen te krijgen, zullen we hun structuur nader onder de loep moeten nemen. Hoewel er vanaf de tijd van Tubal-Kaïn, de eerste metaalbewerker in de geschiedenis (Gen. 4:22), tot op onze tijd nog geen volledig bevredigende verklaring voor vermoeiing in metalen is gevonden, is er de laatste tijd toch wel voldoende omtrent de basisstructuur van metalen bekend geworden om een plausibele verklaring te kunnen opstellen. Vermoeiing is zeker geen verschijnsel van kristallisatie, zoals sommige mensen wel zeggen wanneer een bladveer of as bezwijkt. Het materiaal was namelijk al vóór het ontstaan van de breuk gekristalliseerd.

Wanneer gesmolten metalen afkoelen en in vaste toestand overgaan, beginnen zich kleine kristallen te vormen. Deze nemen in grootte en aantal toe totdat de volledige massa is gekristalliseerd. Meestal zijn er echter — behalve bij uitzonderlijk zuivere materialen — stoffen in de metalen aanwezig die niet in de normale kristallijne structuur passen. Sommige van deze stoffen worden afgestoten en hopen zich op tussen de kristallen of korrels tot zogenaamd „korrelgrensmateriaal”. Weer andere stoffen blijven in een bepaalde vorm over het gehele metaal verdeeld. De vaste deeltjes worden „slakinsluitingen” genoemd. Er kunnen ook holten in het gegoten metaaldeel ontstaan. Misschien is het na stolling gereed voor gebruik, maar het is ook mogelijk dat het nog gesmeed, gewalst, geperst, gefreesd of geboord moet worden. Elke stap in de bewerking kan invloed hebben en heeft dat meestal ook, op de vermoeiings-levensduur van het metaal.

Hoe metaalvermoeiing wellicht begint

Als een eenvoudige metaalstaaf door trek aan beide zijden onder spanning komt te staan, is het meestal zo dat hij zeker eenmaal tot zijn volledige sterkte kan worden belast. Als de staaf echter herhaaldelijk wordt blootgesteld aan spanningen die hoog genoeg zijn om vermoeiingsscheuren te ontwikkelen, dan zal slechts een deel van de oorspronkelijke sterkte overblijven en herhaaldelijke belasting zal ten slotte waarschijnlijk tot breuk leiden. De oorzaak van deze afname van de oorspronkelijke sterkte ligt gedeeltelijk in de basisaard van de metaalstructuur. Bij herhaaldelijke belasting kan in bepaalde kristallen afschuiving gaan optreden, waarbij het ene kristalvlak langs het andere schuift. Bepaalde kristalvlakken bieden minder weerstand aan dit soort afschuiving dan andere. Men zou ze wat dit betreft kunnen vergelijken met een klein stapeltje kaarten dat in één richting makkelijker glijdt dan in een andere. De kristallen zijn meestal willekeurig gerangschikt en het begin van de afschuiving kan ontstaan door een bepaalde onregelmatigheid in de atoomrangschikking, die misschien het gevolg is van een insluiting of een holte of een andere oorzaak die spanningsophoping kan veroorzaken waardoor de maximaal toelaatbare schuifspanning wordt overschreden. Door herhaalde belasting ontstaan steeds meer van deze afschuivingen, die zich ophopen tot het kristal uiteenvalt. Deze breuk in het kristal veroorzaakt weer breuken in andere kristallen en dit gaat zo door tot er zich een opening of een scheur vormt. Deze scheur of scheuren blijven groeien tot het metaaldeel de last niet langer kan dragen en door de aldus ontstane „vermoeiing” bezwijkt.

De vermoeiing kan ook op andere wijze beginnen. Er kunnen microscheurtjes ontstaan in korrelgrenzen. En de groei van deze scheurtjes kan door chemische inwerking (oxydatie of corrosie) worden versneld. Er zijn dus diverse oorzaken van vermoeiingsverschijnselen vastgesteld, hoewel er nog veel te onderzoeken overblijft. Maar het uiteindelijke gevolg is een voortgaande verzwakking van het metaaldeel tijdens belasting.

Hoe vermoeiing als oorzaak is vast te stellen

Hoewel het in sommige gevallen een aanzienlijke hoeveelheid ervaring vergt om vermoeiing als oorzaak van het bezwijken van een metaaldeel vast te stellen, zijn er bepaalde algemene kenmerken die bij het onderzoek van nut kunnen zijn. Men is het er algemeen over eens dat het optreden van vermoeiing een voortschrijdend proces is. De groei van scheuren vindt stapsgewijs plaats. Dat stapsgewijze patroon is soms ook herkenbaar aan de breukoppervlakken van het gebroken deel. Daarop zijn onregelmatige, concentrische halve cirkels herkenbaar, waarvan het centrum in de oorsprong van de breuk ligt. Wanneer dit „oester”-patroon op het breukoppervlak herkenbaar is, is de breuk waarschijnlijk door vermoeiing ontstaan.

Het onderkennen van vermoeiing bij machine-onderdelen

Met het begin van de Industriële Revolutie kwamen er krachtige stoommachines en locomotieven in gebruik. Vreemd was echter dat in bepaalde mechanische onderdelen onverklaarbare mankementen begonnen op te treden. August Wöhler, in Duitsland, was een van de eersten die deze mankementen aan vermoeiing toeschreef en zijn bevindingen op schrift stelde. Hij ging zelfs verder en gaf met asdelen van locomotieven demonstraties van het optreden van breuken. Hoewel het fenomeen metaalvermoeiing nu bekend was, duurde het nog tot de tijd van de Eerste Wereldoorlog en de eerste automobielen voordat de gemiddelde burger met het probleem te maken kreeg. In de eerste wagens traden vermoeiingsbreuken vaak op in assen en veren.

Tegen de tijd van de Tweede Wereldoorlog ging men het vermoeiingsprobleem steeds meer onderkennen. Het wijdverbreide gebruik van vliegtuigen richtte de aandacht op sterkte, gewicht en betrouwbaarheid. Thans zijn vanwege het toegenomen gebruik van machines, met inbegrip van helikopters, de eisen die aan ontwerp en betrouwbaarheid worden gesteld, nog groter. Regeringen en bedrijven zijn het probleem intensief aan het onderzoeken. De meest moderne apparatuur is in gebruik om constructies en proefmodellen te testen.

De resultaten van deze inspanningen hebben geleid tot een verbetering van handboeken en constructie-eisen. Deze handboeken verschaffen nu onder andere belastinggrenzen voor bepaalde materialen, zodat ze met redelijke zekerheid gebruikt kunnen worden. Van zo’n belasting of „vermoeiingsgrens” is een eenvoudige voorstelling in bijgaande grafiek te zien. Onder de grens kan de spanning onbeperkt wisselen zonder dat er vermoeiing optreedt. Daarboven zal het belaste deel onherroepelijk na kortere of langere tijd bezwijken. Hiermee lijkt in principe het probleem opgelost. Zorg dat u binnen de toelaatbare grenzen blijft en de vermoeiingszorgen zijn over.

Helaas dekken zulke gegevens niet alle omstandigheden in de praktijk. In de praktijk is niet altijd te zeggen aan wat voor spanningen een metaaldeel zal komen bloot te staan. Vaak bestaat de belasting uit meerdere componenten — trekspanning, drukspanning en schuifspanning — terwijl het voor een schatting van de levensduur ook belangrijk is om te weten in welke volgorde zware en lichte vormen van belasting elkaar zullen opvolgen. Veel van de gegevens zijn verkregen met proefmetingen aan homogene materialen, dat wil zeggen, materiaaldelen zonder gaten, inkepingen, klinknagels of lasnaden, die alle de toelaatbare spanning verlagen. En zelfs in homogene materialen zijn nog ontelbare verschillen in kwaliteit mogelijk — afhankelijk van de kristalgrootte, het aantal en het soort van insluitingen, de hardheid en de inwendige spanning. Dat alles maakt het fabrikage- en ontwerpprobleem extra gecompliceerd.

De problemen in verband met fabrikage of ontwerp oplossen

Een groot deel van de machines en apparaten die we kopen, zijn ontworpen en gemaakt met de verwachting dat bepaalde delen ervan na een bepaalde tijd van gebruik door vermoeiing zullen bezwijken; bepaalde auto-onderdelen kunnen bijvoorbeeld ontworpen zijn voor een levensduur van 160.000 kilometer, omdat tegen die tijd ook het interieur versleten zal zijn en de carrosserie verroest of beschadigd. De levensduur van vliegtuigonderdelen laat men echter vooral afhangen van het gewicht. Een zwaardere constructie kan gunstig zijn voor de levensduur van het onderdeel, maar elk extra gewicht vermindert de lading en brandstof die kan worden meegenomen.

Bij machines waar levens en kostbare bezittingen op het spel staan, is het een dwingende noodzaak dat ernstige ongelukken, indien enigszins mogelijk, worden voorkomen. Uit deze noodzaak zijn twee algemene ontwerpprincipes geboren — het zogenaamde ’safe life’ (veilige levensduur) principe en het ’fail safe’ (veilig falen) principe.

Bij het fail-safe-principe worden verschillende parallelle constructiedelen toegepast om een gegeven belasting te dragen. Als dan één deel scheurt, kunnen de andere delen de belasting gedurende enige tijd overnemen tot reparatie mogelijk is. Een andere methode is dat men „scheurbarrières” toepast. Men voorziet het bewuste onderdeel van een verdikt gedeelte om de spanning op te vangen. Wellicht is er ook een krachtige „bewapening” of versterking aangebracht, die de last kan overnemen. Bij toepassing van het fail-safe-principe is inspectie van groot belang.

Vaak is het fail-safe-principe niet toe te passen. Een as of tandrad is nauwelijks in de vorm van meerdere parallelle delen uit te voeren. Voor dit soort onderdelen past men het safe-life-principe toe, dat wil zeggen, de sterkte van het onderdeel moet voor de gehele levensduur van de machine gewaarborgd zijn. Daarom wordt zo’n onderdeel al tijdens de produktie grondig op de aanwezigheid van scheuren onderzocht, terwijl men bij het ontwerp ervan tevens een veiligheidstolerantie in acht neemt (’damage-tolerant design’) door het onderdeel zo zwaar uit te voeren dat eventueel reeds aanwezige kleine scheuren (en die zijn er altijd) door de belasting niet verder zullen groeien. Deze onderdelen vereisen dus tijdens de gehele produktie en verwerking speciale zorg.

Soms past men beide principes toe. Opnieuw is dan inspectie belangrijk. Het onderdeel dat bezweek bij de helikopter op het Pan-Am-gebouw moest na 9900 uur geïnspecteerd worden. Volgens een rapport had het nog maar 7000 vlieguren achter de rug. Ook de tijdsduur tussen twee inspecties is dus van belang.

Speciale werkwijzen

Soms kunnen onderdelen een speciale behandeling ondergaan om hun weerstand tegen metaalvermoeiing te vergroten.

Een van de belangrijkste behandelingen is „kogelstralen”. Het onderdeel wordt met een straal kogeltjes bespoten en verkrijgt hierdoor een huid die onder een bepaalde drukspanning staat. Deze drukspanning zal kleine trekspanningen in de buitenwand — waardoor normaal gesproken vermoeiingsscheurtjes ontstaan — wegnemen, met het gevolg dat het onderdeel lang niet zo snel door vermoeiing zal bezwijken.

Een andere methode wordt soms „autofrettage” genoemd. Hoewel deze behandeling oorspronkelijk op de loop van vuurmonden werd toegepast, zijn er tal van andere toepassingen mogelijk. Het beginsel bestaat hierin dat het onderdeel zo sterk wordt overbelast dat bepaalde delen ervan blijvend uitzetten, maar andere delen niet. Na het wegnemen van de belasting komen de blijvend uitgezette delen onder drukspanning te staan, omdat de rest van het onderdeel zijn oorspronkelijke vorm wil hernemen. Deze drukspanning levert tijdens normaal gebruik een bepaalde bescherming tegen vermoeiing omdat trekspanningen er gedeeltelijk door worden opgeheven.

Overbelasting kan nog andere gunstige gevolgen hebben als ze wordt toegepast voordat onderdelen in gebruik worden genomen. Vooral geldt dit als het onderdeel op een bepaalde manier is samengevoegd, bijvoorbeeld met klinknagelverbindingen. Vanwege het niet altijd even goed passen van de gaten, kan het gebeuren dat bepaalde nagels het grootste deel van de belasting te dragen hebben. Door nu echter het geheel aan een eenmalige hoge belasting te onderwerpen, zullen de zwaar belaste delen wat meegeven, zodat de belasting beter verdeeld wordt.

En zo zijn er nog meer behandelingen in gebruik om metaalvermoeiing tegen te gaan, en gewoonlijk blijken ze goede resultaten op te leveren. Ze omvatten onder andere het wegwerken van lasspanningen en het uitpolijsten van holten en gaten om plaatselijke spanningsconcentraties op te heffen.

Wat kunt u doen?

Hoewel de ontwerper en fabrikant waarschijnlijk reeds veel gedaan zullen hebben om vermoeiingsscheuren te voorkomen, is er ook veel wat u zelf kunt doen. Hier zijn enkele tips:

1. Gebruik uw auto of andere apparatuur slechts binnen de aanbevolen belastings- en snelheidsgrenzen.

2. Zorg ervoor dat u bij het repareren van metalen delen geen diepe krassen of knikken veroorzaakt, of materiaal wegvijlt, zeker niet op kritieke plaatsen.

3. Vermijd oververhitting, aangezien dit op de hardheid van het metaal van invloed kan zijn en de sterkte ervan kan verminderen.

4. Bescherm het metaal tegen roest en steenslag.

5. Bescherm werkende delen tegen de inwerking van bepaalde chemicaliën zoals zuren. Bij sommige metalen kan blootstelling daaraan leiden tot opneming van waterstofatomen, waardoor zich in het materiaal brosheid kan ontwikkelen en het wellicht sneller zal bezwijken. Een ander gevolg van de chemicaliën kan zijn dat er corrosie in spanningsscheuren gaat optreden.

Zijn ongevallen te voorkomen?

Kunnen ongevallen ten gevolge van metaalvermoeiing worden voorkomen? Ja, uiteindelijk wel.

Ongelukken worden vaak veroorzaakt door een mengeling van zelfzucht, onwetendheid en zorgeloosheid. Soms is het een ongepast verlangen naar winst, een nog onvoldoende kennis omtrent een bepaald ontwerp, of zorgeloosheid van de kant van degenen die de machine maken en gebruiken, waardoor wij aan ongelukken ten gevolge van metaalvermoeiing worden blootgesteld. Een nieuw samenstel van dingen staat echter voor de deur. In dat samenstel, dat door de Schepper is beloofd, zullen alle vormen van zelfzucht worden uitgebannen. De kennis zal toenemen, ook die omtrent het ontwerpen van toestellen en machines. En bovendien zullen degenen die deze toestellen en machines maken en gebruiken, altijd en in de eerste plaats aan veiligheid denken.

[Grafiek/Illustratie op blz. 19]

(Zie publicatie voor volledig gezette tekst)

Eén methode om vermoeiingsgegevens weer te geven.

maximale spanning, kilo’s per vierkante cm

bezwijken verwacht

vermoeiingsgrens

veilig werkingsgebied

500.000

1.000.000

aantal belastingswisselingen tot bezwijken

[Illustratie]

OESTERPATROON