Minimaal 80% van alle constructiefalen in de wereld wordt veroorzaakt door vermoeiing van metaal. Het falen door vermoeiing kun je niet (lees: zeer moeilijk) zien aankomen omdat metaal niet eerst plastisch deformeert. Vermoeiing van metaal laat zich als volgt definiëren:
Het falen van een product na meerdere belastingcycli bij spanningen veel lager dan nodig is voor plastische deformatie
Oorzaken van vermoeiing
Vermoeiing wordt veroorzaakt door de volgende factoren:
- Interne spanningsconcentraties
- Oneffenheden in het oppervlak (kuiltjes, krasjes, bultjes etc.)
- Onregelmatigheden in het materiaal (bijv. een oxidedeeltje)
Daarnaast wordt vermoeiing versterkt door omgevingsfactoren zoals corrosie en slijtage.
Bij de diverse belastingcycli ontstaan rondom de oneffenheden en onregelmatigheden in het materiaal haarscheurtjes. Ook bij interne spanningsconcentraties ontstaan deze scheurtjes omdat de spanningsconcentraties plaatselijk hoger kunnen zijn dan verwacht. De haarscheurtjes worden door de wisselende krachten telkens uit elkaar getrokken (bij repeterende drukbelasting waarbij geen trekbelasting voorkomt kan ook geen vermoeiing voorkomen). Op deze manier wordt een haarscheurtje steeds iets groter. Vaak is aan de buitenkant van een onderdeel niet te zien dat er binnenin scheurtjes ontstaan.
Voorkomen van metaalmoeheid
Vermoeiing voorkomen bij metalen is alleen mogelijk als de belastingcycli van trekkrachten voorkomen kunnen worden. Wel kan rekening gehouden worden met vermoeiing in berekeningen. Daarnaast zijn er mogelijkheden om vermoeiing te vertragen/tegen te gaan:
- Kies voor een betere kwaliteit van hetzelfde materiaal (minder onregelmatigheden)
- Kies goede verbindingen (hoe gelijkmatiger de krachten verdeeld worden, hoe beter. Puntlassen is bijvoorbeeld zeer slecht)
- Voorkom spanningsconcentraties
- Zorg voor een glad oppervlak (shot peening uitgezonderd, dit helpt juist tegen vermoeiing door interne drukbelasting te genereren)
- Bescherm het onderdeel tegen corrosie en slijtage
- Blijf ruim onder de spanningslimiet na een x aantal cycli (vermoeiingssterkte/fatigue strength)
Vermoeiing van metaal berekenen
Speciaal voor vermoeiingsberekeningen is de grootheid vermoeiingssterkte (Engels: fatigue strenght) bedacht. Deze grootheid beschrijft de sterkte van een materiaal na 10 miljoen (1E7) belastingcycli. De volgende stappen dienen doorlopen te worden om iets zinnigs te kunnen zeggen over de rol van vermoeiing tijdens de levensduur van een product:
- Kies tussen “safe life” of “fail safe”
Ontwerp je een product dat veilig is gedurende de levensduur of een product dat veilig faalt? Kies alleen voor fail safe als de risico’s acceptabel zijn. - Bepaal het aantal belastingcycli
Wat is de levensduur van het product? Hoeveel belastingcycli doorloopt het onderdeel tijdens die levensduur? - Welke krachten spelen er?
Gaat het om een constante amplitude (CA) of een variabele amplitude (VA)? - Blijven de interne spanningen onder de vermoeiingssterkte aan het einde van de levensduur?
De vermoeiingssterkte is na 10 miljoen cycli zo’n 45% van de oorspronkelijke sterkte van staal en zo’n 33% van de oorspronkelijke sterkte van lichte metalen zoals aluminium.
Topologisch optimaliseren
Om te zorgen dat onderdelen waarop vermoeiing van toepassing is niet te zwaar worden, kan gebruik worden gemaakt van topologisch optimaliseren. Deze vorm van optimaliseren zorgt ervoor dat onnodig materiaal wordt weggehaald zodat het onderdeel een ideale mix tussen sterkte en materiaalvolume heeft. Topologie is geïnspireerd op de natuur. Organismen hebben weinig tot geen last van vermoeiing, ondanks dat belastingcycli aan de orde van de dag zijn. Een goed voorbeeld is hout. Bomen worden dagelijks aan vele windvlagen blootgesteld, maar van vermoeiing is nooit sprake.