Metaalmoeheid

Metaalmoeheid of vermoeidheid of vermoeiing is een fenomeen waarbij een metaal bezwijkt onder een zeer lang aangehouden wisselende belasting en/of trilling enz., waardoor er een gemis aan weerstandsvermogen ontstaat. Door de wisselende belasting kan er breuk optreden zelfs als de spanningen overal (ver) onder de maximale vloei- of breukspanning blijven. Vermoeiing die optreedt na een kort aantal cycli, minder dan tienduizend, wordt "low cycle fatigue" genoemd.

Historie

Het fenomeen Vermoeiing werd het eerst ontdekt in Engeland, bij de eerste treinen. Het bleek namelijk dat treinassen veel sneller bezweken dan op grond van berekeningen werd verwacht. Het was William John Macquorn Rankine in het artikel "An Experimental Inquiry into the Advantage of Cylindrical Wheels on Railways" uit 1842, die dit fatigue (vermoeiing) noemde.
De Duitse ingenieur August Wöhler (1819–1914), die bij de Duitse Spoorwegen een hoge functie had, onderzocht dit fenomeen verder. In zijn bedrijf waren er al verscheidene zware ongevallen geweest door breuk van treinassen en wielbanden. Hij ontdekte dat het metaal van de defect geraakte onderdelen door de wisselende belasting over de rails een lagere belasting kon verdragen dan bij een statische belasting. Voor diverse staalsoorten legde hij na uitgebreide proeven in grafieken, die wij tegenwoordig de Wöhlerkrommen noemen, het verband tussen materiaalspanning σ en aantal belastingswisselingen tot breuk vast.
Bij al deze krommen is eenzelfde karakter aanwezig, namelijk een asymptotisch verloop totdat een constante waarde wordt bereikt, die algemeen met de vermoeiingssterkte σ_A wordt aangeduid.

In de grafiek zijn voor de metalen staal en messing deze krommen weergegeven. Het blijkt, dat staal bij wisselende belastingen van ca 800 Nmm² bij statische belasting na ca 10⁷ wisselingen terugloopt tot ca 530 Nmm² bij wisselende belasting. Dat is een reductie van zo’n 42%. Voor messing is de reductie ruim 50%. Dit houdt dus in, dat bij voortdurende belasting rekening moet worden gehouden met deze verlaagde sterktegrens σ_A van het materiaal.
In de grafieken wordt uitgegaan van glad gepolijste proefstaven, wat in de praktijk niet altijd het geval is.

Afname van de vermoeiingsgrens

Sommige materialen hebben een maximaal spanningsniveau waarbij nooit vermoeiing optreedt indien de wisselende spanning zich eronder bevindt (bijv. staal en titanium). Deze spanning heet de vermoeiingsgrens. Deze grens kan lager komen te liggen door corrosie of een zuur milieu. Andere metalen (aluminium en koper) vermoeien echter bij elke spanning, hoewel de vermoeiing bij een lage spanning wel langer op zich laat wachten.

Het is bekend dat de oppervlaktegesteldheid van een onderdeel dat aan een wisselende belasting wordt onderworpen van groot belang is. Oppervlaktebewerkingen als draaien en frezen van stalen producten kunnen tot afname van zo'n 20% van de vermoeiingsgrens leiden. Ook een galvanische bedekking kan een achteruitgang betekenen. Een andere oorzaak waardoor de vermoeiingsgrens omlaag gaat is lassen. Uit proeven is gebleken dat de vermoeiingssterkte van het materiaal bij of op de lasplaats meestal aanzienlijk afneemt.

Breukmechanisme

Breuk door vermoeiing verloopt als volgt:

1. Initiatie; de scheur begint vaak ter plaatse van een spanningsconcentratie (insluitsels, kerf, las enz.). Indien deze spanningsconcentratie niet aanwezig is, kan vermoeiing nog steeds optreden, zij het vaak pas na langere tijd.
2. Propagatie; de scheur breidt zich door de dynamische belasting steeds verder uit. Dit proces gaat in het begin zeer langzaam. Naarmate de scheur groter wordt, stijgt de belasting op de niet bezweken rest, en verloopt het proces steeds sneller.
3. Terminatie; hier breekt het materiaal veelal bros. Het materiaal bezwijkt wel degelijk aan zijn breukspanning, maar door de lopende scheur werd de weerstandbiedende doorsnede te klein.

Kenmerkend voor dit type breuken is het oppervlak: het is glad en vertoont concentrische ringen, zgn "beach marks", die uitwaaieren vanaf het beginpunt.

Ontwerpmaatregelen

Een goed ontwerp houdt rekening met de mogelijkheid tot optreden van vermoeiingsbreuken en -scheuren. Deze kunnen de standtijd van de constructie aanzienlijk verkorten. Onverwachte vermoeiing treedt vooral op door slecht ontwerp van de constructie, voornamelijk te hoge spanningsconcentraties of kerfwerking.

Schadegevallen door vermoeiing

1. Het kapseizen en zinken van het boorplatform Alexander Kielland, 123 van de 212 bewoners stierven;
2. een aantal ongelukken met de De Havilland Comet
3. United Airlines Flight 232, Japan Airlines Flight 123, China Airlines Flight 611, en Aloha Airlines Flight 243;
4. Over vermoeiingsbreuken bij groundplane-antennes

Zie ook

• Vermoeidheid bij mensen en dieren.

Externe link

• Berekening van constructies over vermoeiing