Vermoeiing kan optreden bij materialen na een zeer lang aanhouden van wisselende druk of belasting. Over het algemeen wordt deze term gebruikt bij metalen en constructies en machines die van metaal vervaardigd zijn. Metalen en andere materialen kunne door een wisselende belasting vermoeien. Dit houdt in dat de mechanische sterkte van het materiaal afneemt en het materiaal uiteindelijk zal breken wanneer men de belasting niet wegneemt. Dit proces wordt in de metaalsector ook wel metaalmoeheid genoemd indien het proces optreed bij metalen. Indien er vermoeiing optreed na een kort aantal cycli wordt dit ook wel met “low cycle fatigue” aangeduid. Een kort aantal cycli heeft men beneden de tienduizend.
Spanningsniveau
Metalen hebben specifieke eigenschappen. Deze eigenschappen kunnen worden onderzocht door een metallurg of andere experts op het gebied van metalen. Doormiddel van destructief onderzoek (DO) en niet destructief onderzoek (NDO) kunnen verschillende testen worden gedaan. Hiermee kunnen de eigenschappen van metalen in kaart worden gebracht. Een belangrijke eigenschap is het spanningsniveau. Dit kan doormiddel van destructief onderzoek in kaart worden gebracht. Tijdens dit onderzoek maakt men gebruik van een testbank en test men een aantal proefstaven van het materiaal dat getest moet worden.
Bepaalde metalen hebben een maximaal spanningsniveau. Als deze metalen onder dit spanningsniveau worden belast door wisselende spanning zal er geen vermoeiing optreden. Dit is bijvoorbeeld het geval bij staal en titanium. Het maximaal spanningsniveau wordt ook wel grenswaarde genoemd over vermoeiingsgrens. Als het aangelegde spanningsniveau onder deze grenswaarde blijft zal het materiaal niet bezwijken of pas bezwijken na een hoger aantal cycli dan 10 miljoen. Als het materiaal pas bezwijkt na meer dan 10 miljoen cycli wordt dit beschouwd als materiaal met een oneindige levensduur.
Factoren die invloed hebben op de vermoeiingsgrens
De vermoeiingsgrens kan bij bepaalde metalen duidelijk worden aangegeven. De vermoeiingsgrens kan echter lager worden door verschillende factoren. Metalen kunnen aangetast worden door corrosie zoals roest. Daarnaast kunnen ook zuren en chemische stoffen de mechanische eigenschappen van metalen nadelig beïnvloeden. Ook temperaturen en temperatuurverschillen hebben invloed op de mechanische eigenschappen van metalen en daarmee ook invloed op de vermoeiingsgrens. Deze mechanische sterkte van metalen wordt echter bij hoge temperaturen (boven de 200°C) nadelig beïnvloed.
Verder is de oppervlaktegesteldheid van metalen onderdelen van groot belang. Metalen onderdelen die doormiddel van draaien en frezen zijn behandelt kunnen de vermoeiingsgrens nadelig beïnvloeden en deze grens twintig procent laten afnemen. Ook galvaniseren heeft een nadelige invloed op de oppervlaktegesteldheid. Daarnaast kunnen ook lasverbindingen de vermoeiingssterkte nadelig beïnvloeden.
Het ontstaan van breuk door vermoeiing
Als het vermoeiingsproces niet wordt stopgezet door het wegnemen van de belasting zal uiteindelijk breuk optreden. Dit proces verloopt als volgt:
Initiatie: er ontstaat op de plek in het materiaal een kleine scheur. Dit kan bijvoorbeeld gebeuren ter plaatse van een spanningsconcentratie, bij kerf of in een las die niet goed is aangebracht. Als er geen spanningsconcentratie aanwezig is kan er nog steeds vermoeiing optreden al zal dit gebeuren na langere tijd.
Propagatie: door de dynamische belasting wordt de scheur in het materiaal groter. In eerste instantie zal dit proces langzaam verlopen. De scheur zal echter steeds groter worden. hierdoor zal de belasting op het niet bezweken deel stijgen. Dit zorgt er voor dat het vermoeiingsproces sneller verloopt.
Terminatie: in deze fase breekt het materiaal los. Dit komt door de breukspanning. Doordat de scheur steeds groter wordt krijgt het deel van het materiaal dat weerstand biedt een steeds kleinere doorsnede. Uiteindelijk breekt het materiaal door de vermoeiing.