Een vermoeiingslimiet van een materiaal begrijpen

Het spanningsniveau waaronder een onbeperkt aantal belastingscycli aan materiaal kan worden gegeven zonder vermoeiingsbreuk te veroorzaken, staat bekend als de vermoeiingsgrens of uithoudingsgrens. Aluminium en koper daarentegen doen dat niet, en falen uiteindelijk zelfs bij kleine spanningsamplitudes. Sommige metalen, zoals ijzerlegeringen en titaniumlegeringen, hebben een duidelijke limiet.

De uitdrukking "vermoeidheidssterkte" of "uithoudingsvermogen" wordt gebruikt wanneer een materiaal geen duidelijke limiet heeft en wordt gedefinieerd als de hoogste hoeveelheid volledig omgekeerde buigspanning die een materiaal een vooraf bepaald aantal cycli kan verdragen voordat het door uitputting bezwijkt .

Wisselspanningen, restspanningen, materiaaleigenschappen, interne gebreken, korrelgrootte, temperatuur, ontwerpgeometrie, oppervlaktekwaliteit, oxidatie, corrosie, enz. hebben allemaal een impact op de vermoeiingslevensduur. Er is een theoretische spanningsamplitudewaarde voor sommige materialen, met name staal en titanium, waaronder het materiaal gedurende een aantal cycli niet zal bezwijken. Deze waarde staat bekend als een vermoeidheidslimiet, uithoudingsvermogenlimiet of vermoeidheidssterkte.

In dit artikel worden de volgende vragen besproken:

• Wat is een vermoeidheidslimiet?
• Wie ontdekt de vermoeidheidsgrens?
• Definities van vermoeidheidslimiet
• Wat zijn de typische waarden voor de vermoeidheidsgrens?

Wat is een vermoeidheidsgrens?

Het spanningsniveau waaronder een onbeperkt aantal belastingscycli aan materiaal kan worden gegeven zonder vermoeiingsbreuk te veroorzaken, staat bekend als de vermoeiingsgrens of uithoudingsgrens.

Om de vermoeiingslevensduur van een materiaal te berekenen, passen ingenieurs verschillende technieken toe. De stress-life-benadering, die een van de meest bruikbare is, wordt vaak gekenmerkt door een S-N-curve, ook bekend als een Wöhler-curve. De figuur geeft deze techniek weer. Uitgezet tegen de levensduur van de componenten of het aantal cycli tot falen is de toegepaste spanning (S) (N).

De levensduur van de componenten groeit eerst langzaam en daarna vrij snel als de spanning daalt vanaf een hoge waarde. De gegevens die worden gebruikt om de curve uit te zetten, zullen statistisch worden behandeld omdat vermoeidheid, net als brosse breuk, zo'n variabel karakter heeft. De verstrooiing van de resultaten is het resultaat van de vermoeidheidsgevoeligheid voor verschillende tests en materiaalparameters die moeilijk goed te regelen zijn.

Wisselspanningen, restspanningen, materiaaleigenschappen, interne gebreken, korrelgrootte, temperatuur, ontwerpgeometrie, oppervlaktekwaliteit, oxidatie, corrosie, enz. hebben allemaal een impact op de vermoeiingslevensduur. Er is een theoretische spanningsamplitudewaarde voor sommige materialen, met name staal en titanium, waaronder het materiaal gedurende een aantal cycli niet zal bezwijken. Deze waarde staat bekend als een vermoeidheidslimiet, uithoudingsvermogenlimiet of vermoeidheidssterkte.

Wie ontdekt de vermoeidheidsgrens?

August Wöhler kwam in 1870 met het idee van een uithoudingslimiet. Recente studies stellen echter dat er geen uithoudingsvermogenlimieten zijn voor metalen materialen en dat, bij voldoende belastingcycli, zelfs de laagste belasting uiteindelijk zal resulteren in vermoeidheidsfalen.

Definities van vermoeidheidslimiet

De volgende termen zijn gedefinieerd voor de S-N-curve:

Vermoeidheidslimiet

Het stressniveau waaronder vermoeidheidsfalen niet optreedt, staat bekend als de vermoeidheidslimiet (ook wel de uithoudingslimiet genoemd). Slechts enkele titanium en ferrolegeringen (op ijzerbasis) kunnen deze limiet bereiken omdat de S–N-curve voor deze materialen horizontaal wordt bij hogere N-waarden. Andere structurele metalen, zoals aluminium en koper, hebben geen duidelijk breukpunt en begeven het zelfs onder lichte spanningen geleidelijk. Standaardlimieten voor staal variëren van 290 MPa tot 1/2 van de treksterkte (42 ksi).

Vermoeidheidskracht

Volgens de ASTM is vermoeiingssterkte, of SNf, het spanningsniveau waarbij falen optreedt na een vooraf bepaald aantal cycli (bijv. 107 cycli). De gegloeide Ti-6Al-4V titaniumlegering heeft bijvoorbeeld een vermoeiingssterkte van ongeveer 240 MPa bij 107 cycli en een stressconcentratiefactor =3,3.

Vermoeidheid leven

Het vermoeiingsgedrag van een materiaal wordt bepaald door zijn vermoeiingslevensduur. Volgens de S–N-grafiek is dit het aantal cycli dat nodig is om te falen bij een bepaald stressniveau.

Er zijn drie verschillende stappen die deel uitmaken van het proces van vermoeiing:

Breukinitiatie treedt op wanneer zich een kleine scheur ontwikkelt op een plaats waar een hoge spanningsconcentratie aanwezig is. Scheurvoortplanting, waarbij elke spanningscyclus ervoor zorgt dat de scheur een beetje naar voren beweegt. De fase van scheurgroei neemt vaak het grootste deel van de vermoeiingslevensduur in beslag. Zodra de uitzettende scheur een cruciale grootte bereikt, treedt het uiteindelijke falen extreem snel op.

Op een bepaald punt van spanningsconcentratie op het oppervlak van een onderdeel beginnen scheuren die verband houden met vermoeiingsfalen bijna altijd (of "kiemvorming"). Elke factor die de spanningsconcentratie en het optreden van scheuren verhoogt, verkort de levensduur van de vermoeiing. Als resultaat wordt de vermoeiingslevensduur verbeterd door polijsten in plaats van slijpen tot een hogere mate van oppervlakteafwerking. De vermoeiingslevensduur van metalen onderdelen wordt ook verbeterd door de oppervlaktelagen te versterken en te verharden.

Bekijk de video hieronder voor meer informatie over een vermoeidheidslimiet:

Wat zijn de typische waarden voor een vermoeidheidsgrens?

De limiet (Se) voor staal varieert typisch van 290 MPa tot de helft van de treksterkte (42 ksi). (Se) is typisch 0,4 keer de ultieme treksterkte voor legeringen van ijzer, aluminium en koper.

De maximale gebruikelijke waarden voor koper zijn 97 MPa, aluminium 130 MPa (19 ksi) en ijzer 170 MPa (24 ksi) (14 ksi). Merk op dat deze waarden van toepassing zijn op testmonsters die glad en "niet-gekerfd" waren. Voor exemplaren met inkepingen is de uithoudingsvermogen veel lager.

Het is aangetoond dat de vermoeiingsgrens voor polymere materialen de inherente taaiheid vertegenwoordigt van de covalente bindingen die moeten worden verbroken om een ​​scheur te vergroten. Wanneer de belastingen onder de inherente sterkte worden gehouden, kan een polymeer onbeperkt werken zonder breukvorming, zolang andere thermochemische processen de polymeerketen niet verstoren.

Samengevat

Om de vermoeiingslevensduur van een materiaal te berekenen, passen ingenieurs verschillende technieken toe. De stress-life-benadering, die een van de meest bruikbare is, wordt vaak gekenmerkt door een S-N-curve, ook bekend als een Wöhler-curve. De figuur geeft deze techniek weer. Uitgezet tegen de levensduur van de componenten of het aantal cycli tot falen is de toegepaste spanning (S) (N).

Het spanningsniveau waaronder een onbeperkt aantal belastingscycli aan materiaal kan worden gegeven zonder vermoeiingsbreuk te veroorzaken, staat bekend als de vermoeiingsgrens of uithoudingsgrens. Dat is alles voor dit artikel, waar de volgende vragen worden beantwoord:

• Wat is een vermoeidheidslimiet?
• Wie ontdekt een vermoeidheidsgrens?
• Definities van vermoeidheidslimiet
• Wat zijn de typische waarden voor een vermoeidheidsgrens?

Ik hoop dat je veel van het lezen leert, zo ja, deel het dan met anderen. Bedankt voor het lezen, tot ziens!