Vermoeiing

Tekening van metaalmoeheid, 1843

Dit fenomeen 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 (vermoeidheid) 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 en aantal belastingswisselingen tot breuk vast.

Aluminium: hoe laag de spanning ook is (y-as), er treedt vermoeiingsbreuk op na een bepaald aantal cycli (x-as)

Vermoeiing treedt vaak op in metalen. Het wordt dan meestal metaalmoeheid genoemd. Sommige materialen hebben een maximaal spanningsniveau waarbij nooit vermoeiing optreedt indien de wisselende spanning zich eronder bevindt (bijvoorbeeld 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.

Ook blijkt voor sommige materialen de temperatuur een beïnvloedende factor te zijn eens deze boven de 200°C gaat. Legeringen met een meta-stabiele structuur beginnen met name bij hogere temperaturen door uitscheidingen structuur-veranderingen te ondergaan. Dit heeft zo zijn invloeden op de vermoeiingssterkte. Op deze manier wordt de frequentie dan ook een indirecte factor die van belang is. Bij hogere frequenties (voor metalen: > 10⁴ cycli per minuut, voor sommige kunststoffen: 10 Hz) treedt er verwarming op en deze heeft een lagere vermoeiingssterkte tot gevolg.

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.

Breuk van een staaf van een groundplane-antenne door gedwongen trillingen afkomstig van een scheepsschroef

Een goede ontwerper 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.

De in de afbeelding weergegeven breuk van een staaf van een straler, als belangrijk onderdeel van de afgebeelde groundplane-antenne, ontstond door gedwongen meetrillen met de scheepsschroef. De frequentie van deze trillingen ligt bij veel schepen volgens onderzoekingen tussen de 20 en 25 hertz (Hz). Uit nader onderzoek van de antennestaven bleek dat de eigenfrequentie f_o op 23 Hz lag, waardoor resonantie optrad en zich opslingeringen ontwikkelden die in korte tijd tot breuk leidden. Door een ingrijpende wijziging van het ontwerp, namelijk door vergroting van de inwendige demping, werden de trillingen tot een ongevaarlijke amplitude teruggebracht.

• Een aantal ongelukken met de De Havilland Comet.
• De treinramp bij Eschede.
• United Airlines-vlucht 232, Japan Airlines-vlucht 123, China Airlines-vlucht 611, Aloha Airlines-vlucht 243 en de Bijlmerramp (El Al-vlucht 1862).

• Berekening van constructies over vermoeiing