4 Ontwikkelingsstadia van vermoeiingsbreuken

Voor een onderdeel met een initiële scheur van grootte a0 zal, wanneer het wordt onderworpen aan statische belastingen, zolang de werkspanning (σ) lager is dan de kritische spanning (σc), het onderdeel veilig en betrouwbaar functioneren onder het statische spanningsniveau. Brosse breuk zal alleen optreden als σ=σc of K1=K1c.

Als het onderdeel echter wisselspanning ondervindt met een waarde van σ<σc, zal de initiële scheur a0 geleidelijk groter worden onder invloed van de wisselspanning. Wanneer deze de kritische grootte van a=ac bereikt, zal het onderdeel instabiel worden en beschadigd raken.

Het proces van de initiële scheurgrootte a0 die groeit tot de kritische grootte ac wordt subkritische groei van een vermoeiingsscheur genoemd of de restlevensduurfase van macroscheur a0, zoals afgebeeld in Figuur 1.

Fig. 1

De totale vermoeiingslevensduur (N) van een materiaal bestaat uit twee fasen: de initiatielevensduur (Ni) en de voortplantingslevensduur (Np) van scheurgroei tot breuk.

Het proces van vermoeidheidsfractuur is complex en wordt beïnvloed door veel factoren, maar kan over het algemeen worden onderverdeeld in vier stadia op basis van de ontwikkeling van scheuren:

N = N_i + N_p

1. Scheurkiemvorming

Wanneer een onderdeel wordt onderworpen aan wisselende belastingen en geen scheuren of defecten vertoont, zelfs als de nominale spanning lager is dan de vloeigrens van het materiaal, kan het oppervlak van het onderdeel nog steeds slippen op gelokaliseerde plaatsen door ongelijk materiaal.

Dit komt omdat het oppervlak van het onderdeel zich in een toestand van vlakke spanning bevindt, waardoor het gevoelig is voor slippen zonder enige plastische vervorming. Na verloop van tijd resulteren herhaalde cyclische slipprocessen in de vorming van metalen extrusie- en extrusieslipbanden, die de kern voor microscheurtjes vormen.

2. Fase van microscheurgroei

Zodra de scheurkern is gevormd, plant de microscheur zich voort langs het 45° glijvlak onder invloed van de hoofdspanning.

In dit stadium is de scheurdiepte in het oppervlak zeer ondiep, slechts ongeveer tien micron, en zijn er veel scheuren langs de slipband, zoals afgebeeld in Figuur 2.

Dit is het beginstadium van scheurgroei.

3. Macroscheurgroeistadium

Dit stadium markeert de overgang van microscheuren naar macroscheuren.

De scheurgroeisnelheid neemt toe en de groeirichting staat loodrecht op de trekspanning, waarbij één enkele scheur groeit.

Algemeen wordt aangenomen dat de scheurlengte binnen het bereik van 0,01 mm tot ac het macroscheurgroeistadium vertegenwoordigt, ook bekend als het tweede scheurgroeistadium.

4. Laatste breukfase

Zodra de scheurgrootte de kritische grootte ac bereikt, zal instabiliteit zich voortplanten en zal breuk snel plaatsvinden.

Dit is een typisch vermoeiingsbreukproces voor onderdelen met gladde oppervlakken en zonder initiële scheuren.

Voor materialen met hoge sterkte, vanwege hun hoge treksterktehoge gevoeligheid voor inkepingen en de aanwezigheid van inwendige insluitsels en harde deeltjes, vormen scheuren zich vaak direct op macrospanningsconcentratiepunten en scheuren eerst langs insluitsels en de matrixinterface, waardoor het stabiele groeistadium van de macroscheur eerder begint dan het hellende groeistadium van de microscheur.

De macroscheurgroeifase is de belangrijkste fase voor het analyseren van vermoeiing vanuit het perspectief van breukmechanica.