Η κόπωση μετάλλων είναι η διαδικασία της σταδιακής συσσώρευσης μικροσκοπικών ζημιών στη μεταλλική δομή υπό την επίδραση εξωτερικών παραγόντων, οι οποίοι εξελίσσονται περαιτέρω σε μεγαλύτερους και μεγαλύτερους. Αυτό είναι ένα συχνό φαινόμενο που μπορεί να οδηγήσει σε πολύ καταστροφικά αποτελέσματα.
Ανίχνευση και περιγραφή του φαινομένου
Ο πρωτοπόρος του φαινομένου ήταν ο Γερμανός μηχανικός εξόρυξης Wilhelm Albert, ο οποίος το 1829 περιέγραψε τη φθορά του μετάλλου με βάση τα αποτελέσματα των πειραμάτων του χρησιμοποιώντας το παράδειγμα των επαναλαμβανόμενων στροφών των δεσμών των αλυσίδων των ανυψωτικών ορυχείων σε μια πειραματική μηχανή που ανέπτυξε. Ωστόσο, ο όρος «κόπωση μετάλλων» εισήχθη μόνο το 1839 από τον Γάλλο επιστήμονα Jean-Victor Poncelet, ο οποίος περιέγραψε τη μείωση της αντοχής των μεταλλικών κατασκευών υπό την επίδραση κυκλικών τάσεων.
Λίγο αργότερα, ο Γερμανός μηχανικός August Wöller συνέβαλε στη θεωρία της κόπωσης μετάλλων, καθώς και στο σχεδιασμό μεταλλικών κατασκευών που υπέστησαν κυκλικές τάσεις, δημοσιεύοντας το 1858-1870 τα αποτελέσματα πειραμάτων με σίδηρο και χάλυβα υπό συνθήκες επαναλαμβανόμενης έντασης -συμπίεση. Τα αποτελέσματα της έρευνάς του το 1874 παρουσιάστηκαν γραφικά με τη μορφή πινάκων από τον Γερμανό αρχιτέκτονα Lewis Spangenberg. Έκτοτε, μια οπτική αναπαράσταση της ληφθείσας σχέσης μεταξύ του πλάτους της τάσης του κύκλου και του αριθμού των κύκλων πριν από την καταστροφή της μεταλλικής δομής ονομάζεται διάγραμμα Völler.
Έκτοτε, το φαινόμενο της μεταλλικής κόπωσης έχει λάβει τον σαφή ορισμό του ως η διαδικασία συσσώρευσης με την πάροδο του χρόνου ζημιάς σε μια μεταλλική δομή υπό τη δράση εναλλασσόμενων (συνήθως κυκλικών) τάσεων, οι οποίες οδηγούν σε αλλαγή των ιδιοτήτων της δομής, σχηματισμός ρωγμών σε αυτό, προοδευτική ανάπτυξή τους και επακόλουθη καταστροφή του υλικού.
Συνέπειες της μεταλλικής κόπωσης
Η προοδευτική κόπωση μετάλλων μπορεί να οδηγήσει στην καταστροφή μεταλλικών κατασκευών. Κατά κανόνα, αυτό συμβαίνει κατά τη λειτουργία τους (όταν πραγματοποιείται το μέγιστο φορτίο στους μηχανισμούς), το οποίο μπορεί να οδηγήσει σε ατυχήματα και καταστροφές, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπινων ατυχημάτων. Παραδείγματα μερικών από τα πιο διάσημα περιστατικά:
- η καταστροφή των σιδηροδρόμων των Βερσαλλιών το 1842, ως αποτέλεσμα της οποίας πέθαναν 55 άτομα (η αιτία ήταν ένα κάταγμα κόπωσης του άξονα της μηχανής).
- τη συντριβή του ηλεκτρικού τρένου υψηλής ταχύτητας ICE κοντά στην κοινότητα Eschede στη Γερμανία το 1998, με αποτέλεσμα 101 άτομα να πέθαναν και 88 τραυματίστηκαν (με ταχύτητα 200 km / h το ελαστικό τροχού έσπασε στο τρένο).
- ένα ατύχημα στο HPP Sayano-Shushenskaya το 2009 (η αιτία ήταν η ζημιά στην κόπωση στα σημεία στήριξης της υδροηλεκτρικής μονάδας του σταθμού, συμπεριλαμβανομένου του καλύμματος τουρμπίνας).
Πρόληψη κόπωσης μετάλλων
Η κόπωση μετάλλων συνήθως αποτρέπεται τροποποιώντας τμήματα της μεταλλικής δομής για να αποφευχθεί η κυκλική φόρτωση, ή αντικαθιστώντας τα υλικά που χρησιμοποιούνται στη δομή με υλικά που δεν έχουν τάση για κόπωση. Επίσης, μια αξιοσημείωτη αύξηση της αντοχής της δομής παρέχεται από ορισμένες μεθόδους χημικής-θερμικής επεξεργασίας μετάλλων (αζώτου, νιτροκαρβονισμού κ.λπ.). Μια άλλη μέθοδος πρόληψης της μεταλλικής κόπωσης είναι ο θερμικός ψεκασμός, ο οποίος δημιουργεί μια πίεση συμπίεσης στην επιφάνεια του υλικού, η οποία βοηθά στην προστασία των μεταλλικών μερών από τη θραύση.
