Materialets svaga punkter har orsakat flygkrascher – nu finns ny lösning

Aluminiumlegeringar är ett omtyckt konstruktionsmaterial inom fordonsindustrin. Orsakerna är bland annat hög styrka i förhållande till vikt samt att de är korrosionsmotståndiga. Men aluminiumlegeringar har en akilleshäl som kallas för utmattning.

Utmattning beror på att små sprickor breder ut sig i materialet vid cyklisk belastning. Under lång tid kan ingenting tycks hända för blotta ögat. Men plötsligt en dag nås en gräns och materialet bryts itu.

De potentiellt katastrofala följderna blev uppenbara när tre exemplar av världens första passagerarjetplan Comet från de Havilland störtade inom loppet av ett år.

Första gången det skedde var i mars 1953. I två av fallen orsakades haverierna av utmattning. Utmattningen hade koncentrerats till hörnen på de fyrkantiga fönstren och gjorde att flygplanskroppen förlorade sin bärighet. Modellen konstruerades därefter om och fönstren fick i stället en oval form.

Ska inte härdas fullt ut

Australiska forskare vid Monash University har nu hittat en möjlig ny lösning på fenomenet. Metoden går ut på att dra nytta av energin i belastningen som orsakar utmattningen. Studien har publicerats i Nature Communications.

En viktig del av metoden handlar om att inte härda materialet till full styrka. Den härdningsmetod som avses kallas utskiljningshärdning (eller åldringshärdning), och är den vanligaste värmebehandlingsmetoden.

Full härdning gör visserligen materialet starkare men bildar även områden i mikrostrukturen som är känsliga för utmattning. Dessa områden kallas för utskiljningsfria zoner.

Dynamisk härdning tar vid

Själva finessen uppstår sedan när det delvis härdade materialet utsätts för cyklisk belastning (till exempel i ett skumpande flygplan). I stället för att utmattas bildas partiklar som förstärker de utskiljningsfria zonerna.

En sorts dynamisk härdning tar vid, tack vare energin från belastningen. Plasticiteten och sprickbildningen fördröjs. Materialet blir på så sätt självläkande, åtminstone till en viss gräns.

– I stället för att designa en stark mikrostruktur och hoppas att den förblir stabil under så lång tid som möjligt av utmattningsbelastningen så medgav vi att mikrostrukturen kommer att förändras av den dynamiska belastningen. Därför designade vi en mikrostruktur (som kanske har lägre statisk styrka) som förändras på ett sätt som förbättrar utmattningsprestandan avsevärt, säger professor Christopher Hutchinson i ett uttalande på Monash Universitys hemsida.

Utmattningslivslängden ökade 25 gånger

För den mest höghållfasta aluminiumlegeringen blev utmattningslivslängden 25 gånger längre (jämfört med en fullhärdad variant utsatt för samma belastning). Ju starkare legering, desto bättre effekt ger metoden.

Utmattningsgränsen, det vill säga den belastning ett material kan utsättas för ett oändligt antal gånger utan risk för brott, steg till cirka halva legeringens brottgräns. Det är ungefär samma värde som för stål. Konventionella aluminiumlegeringar brukar ligga kring 1/3 – förutsatt att de är helt fria från defekter som kan initiera sprickformering, vilket sällan är en praktisk realitet.

Metoden sägs även fungera för andra typer av utskiljningshärdade legeringar, förutsatt att de innehåller utskiljningsfria zoner.