Welke factoren hebben invloed op de vermoeiing van metalen?

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.

Wat is metallurgie en wat doet een metallurg?

Metallurgie is de bestudering van ertsen, metalen en metaallegeringen waarbij gekeken wordt naar de eigenschappen en de toepassing daarvan in de techniek. Het woord metallurgie is ontleend aan het oud Grieks waar het Griekse woord métallon staat voor “metaal/ erts” en het Griekse woord ergon staat voor “werk”. De Griekse woorden métallon en ergon zijn samengevoegd tot het woord metallurgie. Metallurgie valt onder materiaalkunde. Bij het bestuderen van metalen, legeringen en de ertsen worden de scheikundige en natuurkundige gedragingen ervan beoordeeld. Deze eigenschappen verschillen per metaalsoort en metaallegering. Het is belangrijk dat de eigenschappen van de metalen goed in beeld zijn voordat de metalen worden toegepast in constructies en machines. Wanneer metalen over onvoldoende sterkte, hardheid en elasticiteit beschikken kan dat gevolgen hebben voor de machines en constructies. Een engineer heeft voor het maken van berekeningen voor constructies de juiste gegevens nodig met betrekking tot de mechanische eigenschappen van metalen. Een metallurg brengt deze gegevens in kaart.

Metallurgie in de werktuigbouwkunde
Metallurgie is een belangrijk vakgebied in de werktuigbouwkunde. Naast het beoordelen van de eigenschappen van metalen en metaallegeringen wordt bij metallurgie ook aandacht besteed aan de manier waarop metalen het beste uit ertsen gewonnen kunnen worden. Daarnaast wordt binnen de metallurgie gekeken naar het winnen van metalen uit afval. Hierdoor kunnen metalen effectief worden hergebruikt. Een metallurg bestudeerd en beoordeeld zowel de samenstelling van het materiaal als de toepasbaarheid daarvan in mechanische en elektrotechnische toepassingen. Dit gebeurd van erts tot daadwerkelijk eindproduct. Hieronder is beschreven op welke aspecten een metallurg let wanneer hij of zij metalen en ertsen bestudeerd.

Wat bestudeerd een metallurg?
De meeste constructeurs, engineers en ingenieurs bestuderen constructies en machines op het gebied van vaste en uitneembare verbindingen en de toepassing van metalen platen en profielen. Een metallurg bestudeerd echter de samenstelling van de metalen en legeringen. Hierbij wordt gekeken naar de structuur, samenstelling en samenhang van de metalen op microscopisch niveau. Een metallurg brengt deze eigenschappen goed in beeld door gebruik te maken van verschillende onderzoekstechnieken. De onderzoekstechnieken die worden gebruikt om de structuur van metalen in kaar te brengen vallen onder de metallografie. Een metallurg kijkt onder andere naar de volgende eigenschappen van metalen:

  • Corrosiebestendigheid, dit is de weerstand tegen roest en andere vormen van corrosie.
  • Mechanische eigenschappen, hierbij wordt gekeken naar de treksterkte en de hardheid van metaal.
  • Elektrische eigenschappen, bijvoorbeeld de geleidbaarheid van metaalsoorten.

Door het werk van de metallurg kunnen engineers en ingenieurs de materiaaleigenschappen effectief gebruiken om constructies en machines ontwerpen. Een metallurg verricht als het ware het voorwerk voor ontwerpers die daadwerkelijk de objecten in de werktuigbouwkunde bedenken en uittekenen.