Heb je je ooit afgevraagd waarom metalen falen, zelfs onder schijnbaar lage spanning? Dit artikel verkent de fascinerende wereld van vermoeiing in materialen en onthult hoe cyclische spanning leidt tot onverwachte defecten. Leer meer over de verschillende soorten vermoeiing, de factoren die de vermoeiingssterkte beïnvloeden en hoe ingenieurs deze uitdagingen bestrijden.
Vermoeiing verwijst naar de afname van de structurele prestaties van materialen, vooral metalen, wanneer ze worden onderworpen aan cyclische spanning of rek, wat uiteindelijk leidt tot falen.
Falen door vermoeiing is een veel voorkomende vorm van falen.
Onderzoek toont aan dat vermoeidheidsdefecten verantwoordelijk zijn voor 60 tot 70% van de defecten in diverse machines.
Vermoeidheidsfractuur falen wordt geclassificeerd als brosse breuk met lage spanning en het is een uitdaging om significante plastische vervorming te detecteren tijdens vermoeiing omdat het voornamelijk het gevolg is van lokale plastische vervorming en optreedt bij zwakke plekken in de constructie.
Hoewel frequentie een rol kan spelen bij vermoeiingsbreuk, is dit meestal gekoppeld aan het aantal cycli in plaats van aan de frequentie.
Volgens de kenmerken van spanning die vermoeiingsbreuk veroorzaken, kan het in twee categorieën worden verdeeld:
Wat betreft cyclustijden kan vermoeidheid verder worden onderverdeeld in:
In termen van belastingseigenschappen kan vermoeiing worden ingedeeld in:
En gebaseerd op de werkomgeving van het werkstuk, kan vermoeidheid worden onderverdeeld in:
Het is de moeite waard om op te merken dat de sterkte van materialen en structuren voordat vermoeiingsschade optreedt, wordt de "vermoeiingsgrens" genoemd.
Het verwijst naar vermoeidheid veroorzaakt door herhaalde schokbelastingen.
Wanneer het aantal inslagen, N, minder is dan 500 tot 1000, kunnen de onderdelen beschadigd raken en zal de breukvorm van de onderdelen gelijk zijn aan die van een enkele inslag.
Als het aantal inslagen hoger is dan 105, wordt de breuk van het onderdeel geclassificeerd als een vermoeidheidsfractuuren vertoont typische vermoeiingsbreukkarakteristieken.
Als in de ontwerpberekening het aantal inslagen groter is dan 100, moet de sterkte worden berekend met een methode die vergelijkbaar is met vermoeiingsanalyse.
Onder invloed van cyclische contactspanning zullen onderdelen op lokaal niveau geleidelijke en permanente schade oplopen.
Na een bepaald aantal cycli wordt de ontwikkeling van putjes, ondiepe schilfering of diepe schilfering op het contactoppervlak contactmoeheid genoemd.
Contactmoeheid is een veel voorkomende oorzaak van defecten aan tandwielen, wentellagers en nokkenassen.
Materialen of onderdelen die vermoeidheid ondervinden door cyclische thermische spanning veroorzaakt door temperatuurveranderingen worden thermische vermoeidheid genoemd.
Cyclische veranderingen in temperatuur resulteren in cyclische veranderingen in het volume van het materiaal.
Wanneer het vermogen van het materiaal om vrij uit te zetten of te krimpen beperkt is, wordt er cyclische thermische spanning of cyclische thermische rek gegenereerd.
Er zijn voornamelijk twee soorten thermische stress:
De thermische uitzetting en inkrimping van onderdelen wordt beïnvloed door de beperkingen van vaste onderdelen, wat leidt tot thermische spanning.
Zonder externe beperkingen leiden ongelijke temperaturen tussen delen van twee stukken tot ongelijkmatige thermische uitzetting en inkrimping, wat resulteert in thermische spanning.
Temperatuurschommelingen veroorzaken ook veranderingen in de interne structuur van het materiaal, waardoor de sterkte en plasticiteit afneemt.
Onder thermische vermoeidheidsomstandigheden is de temperatuurverdeling niet uniform, wat leidt tot ernstige plastische vervorming, grote temperatuurgradiënten en thermische spanningsconcentraties.
Wanneer de thermische rek de elastische grens overschrijdt, is de relatie tussen thermische spanning en thermische rek niet langer lineair en moet deze behandeld worden als een elastoplastische relatie.
Thermische vermoeiingsscheuren beginnen aan het oppervlak en breiden zich naar binnen uit, loodrecht op het oppervlak.
De thermische spanning is evenredig met de thermische uitzettingscoëfficiënt, waarbij grotere coëfficiënten leiden tot een grotere thermische spanning.
Daarom, materiaalselectie moet rekening houden met een combinatie van materialen, waarbij de verschillen in thermische uitzettingscoëfficiënt niet te groot mogen zijn.
Onder dezelfde thermische vervormingsomstandigheden geldt: hoe groter de elasticiteitsmodulus van het materiaal, hoe hoger de thermische spanning.
Hoe groter de temperatuurcyclusverandering, d.w.z. het verschil tussen de boven- en ondergrenstemperatuur, hoe hoger de thermische spanning.
Hoe lager de thermische geleidbaarheid van het materiaal, hoe steiler de temperatuurgradiënt en hoe groter de thermische spanning tijdens snelle versnelling of afkoeling.
De vermoeiing die wordt veroorzaakt door de gezamenlijke actie van een corrosiemedium en cyclische spanning wordt corrosievermoeiing genoemd.
Schade veroorzaakt door de gecombineerde werking van een corrosiemedium en statische spanning wordt spanningscorrosie genoemd.
Het belangrijkste verschil tussen de twee is dat spanningscorrosie alleen optreedt in specifieke corrosieomgevingen, terwijl corrosiemoeheid kan optreden in elke corrosieomgeving onder invloed van cyclische spanning.
Voor spanningscorrosiescheuren is er een kritische spanningsintensiteitsfactor bekend als KISCC. Als de spanningsintensiteitsfactor KI kleiner is dan of gelijk aan KISCC, zal spanningscorrosiescheurtjes niet optreden. Er is echter geen kritische spanningsintensiteitsfactor voor corrosievermoeiing en breuk zal zich voordoen zolang er cyclische spanning is in een corrosieomgeving.
Het verschil tussen corrosievermoeiing en vermoeiing in lucht is dat, met uitzondering van roestvast staal en genitreerd staal, de oppervlakken van mechanische onderdelen die onderhevig zijn aan corrosievermoeiing verkleuren. Bovendien resulteert corrosievermoeiing in een groot aantal scheuren, in tegenstelling tot slechts één. De S-N kromme voor corrosievermoeiing heeft geen horizontaal gedeelte.
Het is belangrijk op te merken dat de corrosievermoeiingsgrens slechts voorwaardelijk is en gebaseerd is op een bepaalde levensduur. De factoren die corrosie beïnvloeden vermoeiingssterkte complexer zijn dan die welke vermoeiing in lucht beïnvloeden. Bijvoorbeeld, terwijl de frequentie van de vermoeiingstest geen invloed heeft op de vermoeiingsgrens in lucht wanneer deze minder is dan 1000 Hz, heeft deze wel invloed op corrosievermoeiing over het hele frequentiebereik.
Wanneer een materiaal of mechanisch onderdeel faalt, bestaat de totale levensduur meestal uit drie delen:
Een groot aantal technische studies heeft aangetoond dat de levensduur bij scheurinitiatie van mechanische componenten een groot deel uitmaakt, zelfs tot 90%, van de totale vermoeiingslevensduur tijdens werkelijke service.
In de meeste gevallen, wanneer de diepte van een microscheur ongeveer 0,1 mm bereikt, zal deze voortdurend groeien langs het gedeelte van het materiaal of onderdeel.
Vermoeiing van metalen omvat voornamelijk het volgende:
Met de toename van de gemiddelde spanning (statistische spanning) neemt de dynamische vermoeiingsspanning van materialen af.
Voor krachten met gelijke karakteristieken geldt dat hoe groter de gemiddelde spanning σmhoe lager de spanningsamplitude σa voor een bepaalde levensduur.
Door de eisen van de werkomstandigheden of bewerkingstechnieken hebben componenten vaak kenmerken zoals stappen, kleine gaatjes, spiebanen, enz. Deze kenmerken veroorzaken abrupte veranderingen in de dwarsdoorsnede, wat leidt tot lokale spanningsconcentratie die de vermoeiingsgrens van het materiaal aanzienlijk verlaagt.
Experimenten hebben aangetoond dat de vermindering van de vermoeiingsgrens niet recht evenredig is met de spanningsconcentratiefactor.
Om de vermoeiingsprestatie van mechanische componenten accuraat te voorspellen, is het nodig om de levensduur van scheurinitiatie van hoge spanningsgebieden of fabricagefouten in te schatten.
Uit het literatuuronderzoek blijkt dat het relevant is om alleen te kijken naar de impact van restspanning op de vermoeiingssterkte van metaal onder hoge cyclusvermoeiing. Dit komt omdat restspanning sterk ontspant onder de hoge vervormingsamplitude van vermoeiing met lage cycli en daarom weinig effect heeft op vermoeiing met lage cycli.
Residuele drukspanning aan het oppervlak is voordelig voor onderdelen die onderhevig zijn aan axiale belasting en wanneer de vermoeiingsscheur zijn oorsprong vindt aan het oppervlak. Het is echter belangrijk om bewust te zijn van het probleem van restspanningrelaxatie veroorzaakt door het afgeven van restspanning in het kerngebied nadat externe belasting is toegepast.
Het effect van restspanning op de vermoeiingssterkte van componenten is zeer significant. Dit komt omdat restspanning spanningsconcentratie bevat en een grotere invloed heeft op de groei van vermoeiingsscheuren.
De spanningsconcentratie van restspanning is echter niet alleen gekoppeld aan de geometrie van de inkeping, maar ook aan materiaaleigenschappen.
De vermoeiingsgrenswaarde van een materiaal, aangeduid als σ-1, wordt meestal bepaald aan de hand van een klein monster, met een diameter die meestal varieert van 7 tot 12 mm. De doorsnede van werkelijke componenten is echter vaak groter dan deze grootte.
Tests hebben aangetoond dat de vermoeiingsgrens afneemt naarmate de diameter van het proefstuk toeneemt.
In het bijzonder daalt de vermoeiingsgrens sneller voor staal met hoge sterkte dan voor staal met lage sterkte.
Het oppervlak van een onderdeel is gevoelig voor het ontstaan van een vermoeiingsscheur en de oppervlaktespanning van een onderdeel onder wisselende buig- of torsiebelasting is het grootst.
De ruwheid van het oppervlak van het onderdeel en de aanwezigheid van bewerkingssporen kunnen de vermoeiingssterkte beïnvloeden.
Oppervlakteschade, zoals gereedschaps- of slijtagesporen, werkt als een inkeping in het oppervlak, wat spanningsconcentratie veroorzaakt en de vermoeiingsgrens verlaagt.
Hoe hoger de materiaalsterkte, hoe gevoeliger het is voor inkepingen en hoe groter het effect van de kwaliteit van het bewerkte oppervlak op de vermoeiingsgrens.
Het vermoeiingsgedrag van metalen materialen wordt beïnvloed door de omringende vloeistof- of gasomgeving. Corrosiemoeheid" verwijst naar de reactie van metalen materialen aan het gecombineerde effect van een corrosief medium en cyclische belasting, meestal in een waterig milieu.
Verschillende omgevingscondities, zoals corrosievermoeiing, vermoeiing bij lage temperatuur, vermoeiing bij hoge temperatuur en variërende luchtdruk en vochtigheid, kunnen allemaal het vermoeiingsgedrag van materialen beïnvloeden. In atmosferische omgevingen zijn de bezwijkcycli van een materiaal gewoonlijk minder dan in vacuümomgevingen en de scheurinitiatieduur in vacuümomgevingen is langer.
Wanneer het werkstuk dicht bij de kritische luchtdruk (Pcr) werkt, wordt de vermoeiingslevensduur zeer gevoelig. De vermoeiingslevensduur van materialen in atmosferische omgevingen, die over het algemeen lager is dan in vacuümomgevingen, neemt af bij stijgende temperatuur, waardoor de scheurgroei versnelt.
De omgevingsvochtigheid heeft een aanzienlijke invloed op de duurzaamheid van chroomstaal met hoge sterkte. Waterdamp, vooral bij kamertemperatuur, kan de breukbestendigheid van de meeste metalen en legeringen verzwakken, afhankelijk van het spanningsniveau, de belastingsverhouding en andere belastingsomstandigheden.
Er is een sterke interactie tussen de microstructuur en de omgeving, waarbij de gasomgeving de breukmorfologie en het dislocatieslipmechanisme beïnvloedt. De omgeving heeft ook een wisselwerking met de sluiting van de scheur, vooral in het gebied dichtbij de drempel. De invloed van de omgeving hangt af van de morfologie van het scheuroppervlak, vooral in de diepterichting.
Bij lage temperaturen, metaalsterkte toeneemt terwijl de plasticiteit afneemt. Als gevolg hiervan is de hoge cyclus vermoeiingssterkte van gladde proefstukken hoger bij lage temperaturen, maar de lage cyclus vermoeiingssterkte is lager. Voor proefstukken met inkepingen nemen taaiheid en plasticiteit nog meer af. Lage temperaturen kunnen bijzonder schadelijk zijn voor inkepingen en scheuren, omdat de kritische vermoeiingsscheurlengte bij breuk sterk afneemt.
"Gegeneraliseerde vermoeiing bij hoge temperatuur" verwijst naar vermoeiing die optreedt bij temperaturen hoger dan normaal. Hoewel sommige onderdelen kunnen werken bij temperaturen hoger dan kamertemperatuur, wordt vermoeiing bij hoge temperatuur alleen waargenomen wanneer de temperatuur 0,5 keer het smeltpunt (Tm) overschrijdt, of boven de herkristallisatietemperatuur. Bij deze verhoogde temperaturen treedt zowel kruip als mechanische vermoeiing op, wat resulteert in vermoeiing bij hoge temperatuur.
De volgorde van vermoeiingsgrens onder verschillende belastingen is: roterende buiging < vlakke buiging < drukbelasting < torsiebelasting.
In een corrosieve omgeving is de invloed van de belastingsfrequentie op de scheurgroei duidelijk.
Bij kamertemperatuur en een testomgeving hebben conventionele frequenties (0,1-100Hz) een minimale invloed op de scheurgroei van staal en messing.
Over het algemeen is de invloed van frequentie op de vermoeiingslevensduur van metalen materialen minimaal als de frequentie van de testbelasting lager is dan 250 Hz.
Scheuren ontstaan meestal aan de oppervlakte, zoals bij de las (oogje), in gegoten staal (los) of onder de oppervlakte (grote insluitsels die het plaatselijke rekveld veranderen), maar worden zelden binnenin gevonden.
Het ontstaan van scheuren hangt ook af van het aantal, de grootte, het type en de verdeling van de insluitingen en van de richting van de uitgeoefende externe krachten.
De bindingssterkte tussen insluitsels en de matrix mag niet over het hoofd worden gezien.
Microscheurtjes zijn de gevaarlijkste defecten in materialen, met een levensduur van een miljoen cycli. Microstructuren bepalen de levensduur van materialen, met een levensduur van een miljard cycli.
Aangezien de waarschijnlijkheid van defecten in materialen met een microgrootte veel groter is dan die op het materiaaloppervlak, is de waarschijnlijkheid van scheurinitiatie onder vermoeiingsbelasting met ultrahoge cycli in het materiaal natuurlijk groter dan aan het oppervlak.
Broze materialen ondergaan geen spanningsreductie of werkharding.
Als er een inkeping is, kan breuk optreden bij een lage nominale spanning.
Het is waargenomen dat wanneer er een inkeping is, de vermoeiingsgrens van het metaal afneemt, met een grotere impact op de vermoeiingsgrens in materialen met een lagere plasticiteit.
In de literatuur wordt benadrukt dat het prepareerproces van vermoeiingstestmonsters een kritieke factor is die bijdraagt tot de variabiliteit van de testresultaten.
De processen van draaien, frezen, richten en andere bewerkingsmethoden hebben bijvoorbeeld allemaal invloed op de uiteindelijke kwaliteit van het preparaat.
Dit komt omdat de prepareermethode en warmtebehandelingsfactoren de vermoeiingsprestaties van materialen kunnen beïnvloeden, vooral de warmtebehandeling, waardoor het moeilijk is om consistente resultaten te bereiken, zelfs met dezelfde batch, grootte en morfologie van de testen.
Het is duidelijk dat de productie- en verwerkingsfactoren van het werkstuk ervoor zorgen dat de werkelijke vermoeiingslevensduur van onderdelen afwijkt van de verwachte levensduurwaarde die door analyse berekend is.
De hardheid van het materiaal is een belangrijke factor in de vermoeiingssterkte bij hoge cycli (wanneer N > 106), terwijl taaiheid een belangrijke indicator is voor gemiddelde en lage cyclusvermoeiing.
Hoge-sterktestaal heeft een slechte taaiheid en daardoor een lage vermoeiingsweerstand onder hoge spanningsomstandigheden. Het heeft echter een goede vermoeiingsweerstand onder lage spanningsomstandigheden.
Laagsterkte staal heeft matige vermoeiingsprestaties.
In het algemeen geldt: hoe hoger de elasticiteitsmodulus, hoe langzamer de scheurgroeisnelheid.
Het effect van de korrelgrootte op de scheurgroei is alleen significant in extreme gevallen (△ K → △ Kth en △ Kmax → △ KC) en heeft weinig invloed op de scheurgroei bij gemiddelde snelheden.
De voortplantingssnelheid is gerelateerd aan de breuktaaiheid KIC (of KC).
Het wordt algemeen aangenomen dat het verhogen van de taaiheid van het materiaal de scheurgroeisnelheid zal verminderen.
De spreiding van vermoeiingstestgegevens kan worden toegeschreven aan de testapparatuur en het monster zelf.
Volgens de literatuur kan een fout van 3% in de nominale belasting vergeleken met de werkelijke belasting leiden tot een fout van 60% in de vermoeiingslevensduur en in extreme gevallen tot een fout van 120% in de levensduur.
Hoewel een fout van 3% acceptabel is bij vermoeiingstestmachines, wordt opgemerkt dat er geen significante spreiding is bij statische bezwijktests, zelfs niet voor materialen met een grote spreiding in sterkte zoals gietmaterialen en glas.
De variabiliteit in de resultaten van vermoeiingstesten wordt beïnvloed door materiaaleigenschappen, inclusief inherente materiaaleigenschappen en het prepareerproces en de externe omgeving van de test. Het prepareerproces, vooral de warmtebehandeling, is de meest kritische factor die leidt tot gegevensspreiding.
Insluitsels en deeltjes van de tweede fase in de materialen dragen ook in belangrijke mate bij aan de gegevensverspreiding, maar het mechanisme hierachter is nog onbekend.
Veilige levensmethode:
De ontwerpspanning is lager dan de vermoeiingsgrens en er wordt aangenomen dat er geen defect is in de constructie.
Faalveilige methode:
De ontwerpspanning is gerelateerd aan de reststerkte in het geval van vlakke defecten en deze ontwerpmethode is geschikt voor aanvaardbare niveaus van dergelijke defecten.
Veiligheidsscheurmethode:
De voortplanting van scheuren die met zekerheid voorspeld kunnen worden, is zeker toegestaan.
Lokale faalmethode:
Vermoeiingstests met ultrahoge cycli, die in de jaren 1990 opkwamen, hebben aangetoond dat zelfs kleine microdefecten zoals slakinsluiting, porositeit en grote korrels gevormd door smeden de vermoeiingslevensduur van materialen aanzienlijk kunnen beïnvloeden.
Voor stalen materialen kan, wanneer geen gegevens van vermoeiingstesten beschikbaar zijn, bij benadering een S-N kromme worden getekend op basis van de treksterkte van het materiaal.
Deze schattingsmethode, die de vermoeiingsgrens koppelt aan de treksterkte en breukrek van het proefstuk, is zeer nauwkeurig.
Bij vermoeiingsanalyses van materialen en constructies is het essentieel om te vertrouwen op testresultaten in plaats van alleen op elastisch-plastische berekeningen voor nauwkeurige en betrouwbare gegevens.
Als oprichter van MachineMFG heb ik meer dan tien jaar van mijn carrière gewijd aan de metaalbewerkingsindustrie. Door mijn uitgebreide ervaring ben ik een expert geworden op het gebied van plaatbewerking, verspaning, werktuigbouwkunde en gereedschapsmachines voor metalen. Ik denk, lees en schrijf voortdurend over deze onderwerpen en streef er voortdurend naar om voorop te blijven lopen in mijn vakgebied. Laat mijn kennis en expertise een aanwinst zijn voor uw bedrijf.
NL 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
PT 
PT_BR 
RU 
KO