Silloin puhutaan metallin väsymisestä.
Väsyminen on yhteiskunnallisesti korroosioon verrattavissa oleva merkittävä kustannus, mutta luonteeltaan se on vaarallisempi ja historia verisempi. Ensimmäinen merkintä väsymisestä löytyy vuodelta 1942, jolloin Versaillen palatsin juhlahumujen taustalla syöksyi juna raiteiltaan aiheuttaen 55 ihmisen kuoleman. Tutkimuksien perusteella osa tutkijoista epäili onnettomuuden aiheutuneen jännityskeskittymän ja toistuvan kuormituksen aiheuttaman särönkasvun seurauksena, mutta tutkijat teilattiin teorioineen vuosikymmeniksi kunnes väsyminen ilmiönä tunnustettiin. Vastaavia väsymisen aiheuttamia suuria onnettomuuksia on sattunut vuosien lukuisia, mutta tänä päivänä rakenteet mitoitetaan väsymiskuormitus huomioiden ja ilmiö tunnetaan tieteellisesti melko hyvin.
Väsymisilmiö on vauriomekanismiksi monimutkainen, mutta yksinkertaistettuna voidaan puhua heikoimman lenkin ilmiöstä. Väsyminen on paikallinen ilmiö ja keskittyy sinne missä rakenteelliset jännitykset ja niiden vaihtelut ovat suurimmat, ja missä materiaali esiintyy heikoimmillaan. Tyypillinen esimerkki on hitsiliitos, missä lämpö pehmentää ja vääntää metallia sulamisen tuottaessa geometrisia epäjatkuvuuskohtia.
Teräkset ja muut metalliset materiaalit ovat kestävää tulevaisuutta. Teräs on materiaalina täysin kierrätettävä, erityisen hyvät käyttö- ja valmistettavuusominaisuudet omaava kilpailukykyinen materiaali. Oulun yliopiston terästutkimuskeskus CASR on tehnyt pitkäjänteistä työtä uusien erikoislujien teräslaatujen kehittämiseksi. Uuden sukupolven teräkset mahdollistavat entistä kevyempien ja kestävämpien rakenteiden valmistuksen, mutta hyötyä ei saavuteta pelkän materiaalin korvaamisella.
Periaatteessa rakenteiden keventäminen on yksinkertaista: vähennetään materiaalia esimerkiksi levyteräksen vahvuutta pienentämällä. Seinämän paksuuden pienentäminen johtaa materiaalin jäykkyyden pienentymiseen. Tämä pitää kompensoida lisäämällä rakenteellista jäykkyyttä muotoilemalla rakenne uudelleen. Tämän vuoksi tulevaisuuden kestävät teräsrakenteet ovat entistä monimutkaisempia ja siksi väsymismitoitukselle haastavampia. Toisaalta uudet materiaalit ja valmistusmenetelmät aiheuttavat oman lisähaasteensa väsymiskestävyyden hallintaan turvallisten rakenteiden valmistukseksi.
Moni muistaa 80-luvun elokuvan ”Kultsi, kutistin kakarat”. Maailma näyttää hyvin erilaiselta mittakaavan pienetessä mikroskooppiselle tasolle. Tosielämässä ihmiset eivät kutistu, mutta sekä materiaalien mikrorakenne että metallirakenteet ovat pienentyneet teknologian kehittyessä. Mikrorakenne voisi olla nykykielessä nanorakenne ja teräsrakenteiden mikroskooppisia versioita kutsutaan hilarakenteiksi. Esimerkiksi 3D-tulostamalla voidaan valmistaa makromaailmalle tyypillisiä teräsristikoita alle 1 mm kokoluokassa. Mahdollisuudet metallirakenteiden kehittämiseksi ovat lähes rajattomat, mutta samalla ”heikkojen lenkkien” lukumäärä lisääntyy eksponentiaalisesti. Ovatko tulevaisuuden kevyet metallirakenteet kestäviä?
Kirjoittaja: Antti Järvenpää, TkT, tutkimusjohtaja, Oulun yliopiston Kerttu Saalasti Instituutti, Tulevaisuuden tuotantoteknologioiden tutkimusryhmä FMT
Kuva: Minna Kilpeläinen
Tutkittua tietoa ja havaintoja yrittäjämäisellä sydämellä.
Kerttu Saalasti Instituutin blogissa kirjoitetaan instituutin tutkimusryhmien aiheista, yrittäjyyskoulutuksesta sekä instituutin yleisistä aiheista. Kirjoittajina alojen tutkijat, asiantuntijat ja verkostojen jäsenet.
Aiheitamme ovat: mikroyrittäjyys, tulevaisuuden tuotantoteknologiat, alueellinen erinomaisuus, mikroyrittäjyyskoulutus