Breuk ten gevolge van metaalmoeheid of kortweg vermoeiing is een belangrijke oorzaak van het bezwijken van structuren. Maar wat is vermoeiing precies? En welke factoren beïnvloeden de vermoeiingssterkte en levensduur van onderdelen en structuren?
Beschrijving van vermoeiing
Metaalmoeheid is de geleidelijk opgebouwde beschadiging in een structuur of component onderhevig aan wisselende belastingen, die uiteindelijk leidt tot het bezwijken van de structuur.
Opvallend daarbij is dat de grootte van de materiaalspanningen die leidt tot vermoeiingsbreuk, aanzienlijk lager is dan de maximaal toelaatbare spanning bij een enkelvoudige, statische belasting. De belastingen die verantwoordelijk zijn voor vermoeiingsbreuk worden vermoeiingsbelastingen genoemd en zijn van nature cyclisch.
De beschrijving van metaalmoeheid kan in twee groepen onderverdeeld worden: een metallurgische en een mechanische beschrijving.
De metallurgische beschrijving beschouwt de toestand van een materiaal voor, tijdens en na het aanbrengen van de vermoeiingsbelastingen en bevat ook de studie van de mechanismes achter metaalvermoeiing.
De mechanische beschrijving beschouwt de mechanische respons op een bepaalde reeks belastingcondities, zoals bijvoorbeeld het bepalen van het aantal belastingcycli die leiden tot het bezwijken van de structuur bij een gegeven materiaalspanning. De mechanische beschrijving is meer bruikbaar vanuit technisch oogpunt, om bv. de levensduur van componenten te voorspellen en op basis daarvan eventueel een inspectie- en onderhoudsstrategie uit te werken.
Fases van metaalmoeheid
Vermoeiingsbreuk verloopt typisch in verschillende fases:
- 1. Scheurinitiatie
- Scheurinitiatie ontstaat over het algemeen aan de oppervlakte van een component en op locaties met verhoogde materiaalspanning. De grootte van een scheurtje in deze fase is meestal niet groter dan 0.5 mm en met het blote oog nog niet zichtbaar.
- 2. Scheurpropagatie
- Het scheurtje zet zich verder door bij elke cyclus van de dynamische belasting. Initieel verloopt het scheurproces traag, maar versnelt zodra de materiaalspanning in het onbeschadigde gedeelte van het onderdeel begint op te lopen.
- 3. Terminatie
- Eens de materiaaldoorsnede van het onbeschadigde deel te klein is geworden om de krachten op te nemen, scheurt het onderdeel in één belastingcyclus helemaal door als een brosse breuk.
Factoren die vermoeiing beïnvloeden
De voornaamste factoren die metaalmoeheid beïnvloeden zijn:
- Gemiddelde spanning
- Oppervlakteruwheid
- Inkervingen
- Restspanningen
- Temperatuur
Gemiddelde spanning
Spanningen kunnen zowel een positieve als een negatieve waarde hebben. De wetenschappelijke conventie is dat drukspanningen een negatief en trekspanningen een positief teken hebben. Aangezien het voornamelijk trekspanningen zijn die leiden tot vermoeiing, resulteert een hogere gemiddelde spanning in een snellere vermoeiingsbreuk. Een hogere gemiddelde spanning betekent dat er meer (of langer) trekspanningen dan drukspanningen optreden. Bij een constante- amplitude belasting, wordt een gemiddelde spanning van 0 MPa veroorzaakt door een belasting die wisselt tussen -P en +P.
Oppervlakteruwheid
Vermoeiingsscheurtjes in een metaal ontstaan over het algemeen aan de oppervlakte van een component. Metaalmoeheid wordt daardoor als een oppervlakteverschijnsel beschouwd. Het blijkt ook dat de kwaliteit van de oppervlakteafwerking een grote rol speelt in de levensduur van een onderdeel. Hoe ruwer de oppervlakte, hoe sneller een onderdeel zal bezwijken door vermoeiing.
Lees hier meer over de oppervlakteruwheidsfactor KR.
Inkervingen
Groeven, inkepingen, openingen, sleuven, etc. veroorzaken allemaal lokale spanningsconcentraties. Het zijn vaak op deze plaatsen dat vermoeiing onstaat, maar de vermoeiingssterkte op deze locaties is dikwijls iets groter dan wat de plaatselijk optredende spanningen zouden doen vermoeden.
Restspanningen
Residuele of restspanningen zijn spanningen die vaak ontstaan zijn tijdens een fabricage- of nabehandelingsproces. Restspanningen kunnen de vermoeiingssterkte van een onderdeel zowel verhogen of verlagen. Residuele trekspanningen verlagen de vermoeiingssterkte, maar residuele drukspanningen verhogen net de vermoeiingssterkte. Kogelstralen, of ook wel schietharden genoemd, is een nabehandelingsproces dat gebruikt wordt om de vermoeiingssterkte van een component lokaal te verbeteren, bv. bij gelaste onderdelen.
Temperatuur
Bij sommige materialen heeft de temperatuur ook een invloed op de vermoeiingssterkte. Bij temperaturen boven 200°C beginnen veel materialen structuurveranderingen te vertonen, wat resulteert in een verlaagde vermoeiingssterkte.