Zmęczenie metalu to proces stopniowego kumulowania się mikroskopijnych uszkodzeń w strukturze metalu pod wpływem czynników zewnętrznych, które dalej postępują w coraz większe. Jest to częste zjawisko, które może prowadzić do bardzo katastrofalnych rezultatów.
Wykrywanie i opis zjawiska
Pionierem tego zjawiska był niemiecki inżynier górniczy Wilhelm Albert, który w 1829 r. opisał zużycie metalu na podstawie wyników swoich eksperymentów na przykładzie wielokrotnych zagięć ogniw łańcuchów wyciągów kopalnianych na opracowanej przez siebie maszynie doświadczalnej. Jednak termin „zmęczenie metalu” wprowadził dopiero w 1839 roku francuski naukowiec Jean-Victor Poncelet, który opisał spadek wytrzymałości konstrukcji stalowych pod wpływem naprężeń cyklicznych.
Nieco później niemiecki inżynier August Wöller wniósł wkład do teorii zmęczenia metali, a także projektowania konstrukcji metalowych poddanych cyklicznym naprężeniom, publikując w latach 1858-1870 wyniki eksperymentów z żelazem i stalą w warunkach wielokrotnego rozciągania -kompresja. Wyniki jego badań w 1874 roku zostały graficznie przedstawione w formie tabel przez niemieckiego architekta Lewisa Spangenberga. Od tego czasu wizualną reprezentację uzyskanej zależności między amplitudami naprężeń cyklicznych a liczbą cykli przed zniszczeniem struktury metalowej nazywa się diagramem Vollera.
Od tego czasu zjawisko zmęczenia metalu otrzymało swoją jasną definicję jako proces akumulacji w czasie uszkodzeń konstrukcji metalowej pod wpływem naprzemiennych (najczęściej cyklicznych) naprężeń, które prowadzą do zmiany właściwości konstrukcji, powstawanie w nim pęknięć, ich postępujący rozwój i późniejsze zniszczenie materiału.
Konsekwencje zmęczenia metalu
Postępujące zmęczenie metalu może prowadzić do zniszczenia konstrukcji metalowych. Z reguły dzieje się tak podczas ich pracy (gdy następuje maksymalne obciążenie mechanizmów), co może prowadzić do wypadków i katastrof, w tym ofiar śmiertelnych. Przykłady niektórych z najbardziej znanych incydentów:
- katastrofa kolejowa w Wersalu w 1842 r., w wyniku której zginęło 55 osób (przyczyną było zmęczeniowe pęknięcie osi lokomotywy).
- katastrofa szybkiego pociągu elektrycznego ICE w pobliżu gminy Eschede w Niemczech w 1998 roku, w wyniku której zginęło 101 osób, a 88 zostało rannych (przy prędkości 200 km/h pękła felga w pociągu).
- wypadek w elektrowni wodnej Sayano-Shushenskaya w 2009 r. (przyczyną było zmęczeniowe uszkodzenie punktów mocowania hydroelektrowni stacji, w tym pokrywy turbiny).
Zapobieganie zmęczeniu metalu
Zmęczeniu metalu zwykle zapobiega się, modyfikując części konstrukcji metalowej, aby uniknąć cyklicznego obciążenia, lub zastępując materiały użyte w konstrukcji materiałami mniej podatnymi na zmęczenie. Zauważalny wzrost wytrzymałości konstrukcji zapewniają również niektóre metody obróbki chemiczno-termicznej metali (azotowanie, węgloazotowanie itp.). Inną metodą zapobiegania zmęczeniu metalu jest natryskiwanie termiczne, które powoduje naprężenie ściskające na powierzchni materiału, co pomaga chronić metalowe części przed pękaniem.
