Fatigue failure

Weinig mensen zullen van de term Fatigue Failure hebben gehoord. Toch kent iedereen wel het plotseling begeven van producten of onderdelen waarvan je het niet meer had verwacht. Een op zich sterk product of onderdeel bezwijkt na een lange tijd plotseling, terwijl je er niks raars mee deed. Hoe kan dat nou? Hoe kan iets, wat altijd goed functioneerde, na verloop van tijd alsnog plotseling kapot gaan? Wat ging er mis?   80 tot 90 % van alles wat kapot gaat wereldwijd, komt door fatigue failure. Dit fenomeen, meer bekend als vermoeiing, is een gevaarlijk bezwijkmechanisme dat zich plotseling voordoet. Een product voldoet een tijdje, soms jaren achtereen, en dan ineens KRAK, weg is het en kan het in de afvalbak. Maar in de ergste gevallen kunnen grote constructies bezwijken en levensgevaar opleveren voor mens, dier en milieu.

Plotseling bezwijken

We lezen of horen allemaal wel eens de term “levensduur” vallen. Dat is de redelijk te verwachten tijd dat een product heel blijft, vooropgesteld dat je er normaal mee omspringt. Zoals bij deze mixer. Daarvan brak één deeghaak dit weekend het plotseling af tijdens het kneden van pizzadeeg. En dat terwijl ik niet eens veel kracht op de mixer zette. Bovendien zijn deze deeghaken ook niet zomaar even met de hand krom te buigen, laat staan doormidden te breken. Wat is er aan de hand? Wat hier speelt – zoals dus bij 80 tot 90% van alles wat kapot gaat in onze wereld – is Fatigue failure, of te wel vermoeiingsbreuk. In dit geval door metaalmoeheid. Maar waarom breekt het dan na een bepaalde tijd van goed functioneren ineens zomaar af? Waarom niet bij het eerste gebruik?

Aanleidingen voor het ontwikkelen van Fatigue failure

Fatigue failure of vermoeiing, in dit geval metaalmoeheid – waar ik me in dit artikel tot beperk – is een proces dat bij het eerste gebruik van een nieuw product al in gang kan worden gezet. De aanleiding kan divers zijn. Maar meest voorkomend is dat er een onvolkomenheid zit op het uitwendige oppervlak. Dat kan zijn, een kras, een bewerkingsgroef maar ook bijvoorbeeld een overgang van vorm. Zoals bijvoorbeeld op de grens tussen de uiterste rand van een lasrups en het naastgelegen moedermateriaal. Of bijvoorbeeld een gietnaad. Maar ook roestvorming (putroest) kan aanleiding zijn tot ontwikkeling van Fatigue failure.  Rond om zo’n onvolkomenheid concentreren de materiaalspanningen zich. Denk aan een weerkaart waarin storm wordt voorgesteld. De isobarlijnen liggen dan heel dicht op elkaar. Zo is het ook ongeveer met geconcentreerde materiaalspanningen.

         
1  kras, putje, overgang etc.   2  start vorming van haarscheur     3   haarscheur groeit verder uit     4  diepere inscheuring     5  overgebleven vast materiaal vlak voor breuk

Fatigue failure is een langzaam maar gevaarlijk proces

Door het herhaaldelijk heen en weer buigen wisselen die spanningen rond zo’n groef of kras continue van richting. Dan weer in de trekrichting en vervolgens weer in de drukrichting. De spanningen zijn zeer lokaal maar wel geconcentreerd rond zo’n groef of kras. Zo’n krasje wordt dan de kiem van een haarscheurtje. Door nu maar lag genoeg heen en weer buigen – dat hoef niet eens zichtbaar buigen te betekenen – kan zo’n klein beginnend haarscheurtje op de lange duur uitgroeien tot een echt scheurtje. Een zogeheten crack. Zo’n scheur groeit met de jaren heel langzaam tot het moment dat er nog maar zo weinig vast materiaal over is dat dit de kracht niet meer kan opnemen. Er ontstaat dan een spontane breuk die zich niet aankondigt.
 

Is fatigue failure herkenbaar?

Vermoeiing is één van de gevaarlijkste bezwijkmechanismen. Een vermoeiingsbreuk is naderhand pas te herkennen aan het breukoppervlak. Daaraan zijn tevens de verschillende stadia te herkennen die zich voltrekken gedurende het gehele vermoeiingsproces. Het achteraf bestuderen van het breukvlak wordt vaak gedaan om zodoende de oorzaak te kunnen vaststellen i.v.m. bijvoorbeeld schade verhaal of verzekeringskwesties.

Hoe kan het dat de deeghaak na vele pizzabereidingen spontaan afbrak?

Een deeghaak, maar ook ieder ander denkbaar as, die radiaal in één richting wordt belast tijdens roteren, buigt namelijk continue om en om. De afbeeldingen hieronder maken het duidelijk. Bij iedere halve omwenteling van de as, wordt deze tegengesteld gebogen. Zo is het ook met de deeghaken. Doordat je de deeghaken willekeurig horizontaal door de deegmassa heen en weer beweegt, worden de deeghaken radiaal belast. En omdat ze roteren, verandert de belastingrichting gezien vanuit de deeghaak continue. Dus de deeghaken worden continue heen en weer belast. Of eigenlijk in alle richtingen. Iedereen weet dat je zo’n deeghaak niet zomaar met de hand even kan breken. Maar door het vermoeiingsproces met scheurgroei, blijft er uiteindelijk zo weinig vast materiaal over dat deze de belasting op een gegeven moment niet meer kan opnemen. De deeghaak bezwijkt dan plotseling terwijl je dat niet had verwacht. Het materiaal was aan het eind gekomen van z’n levensduur. En had in deze toepassing en bij deze belastinggrootte dus geen oneindige levensduur (finite life)

Feitelijk spelen er in deze case ook nog andere soorten belastingen een rol, zoals torsie, maar de betrekking daarvan is niet relevant voor de beoogde uitleg van Fatigue.

Eindige en oneindige levensduur

Een aantal metalen, waaronder staal, kennen een zogeheten oneindige levensduur. (infintie Life) Dit is het geval indien de spanningen (kracht per mm2) onder een bepaalde grens blijven. Die grens ligt meestal een flink stuk lager dan de elasticiteitsgrens. De de elasticiteitsgrens is maximum spanning waarna, na het wegnemen van die spanning, het materiaal nog net weer geheel teruggaat in z’n oorspronkelijke vorm. En dus niet blijvend vervormd is. Hoewel materialen bij een continue statische belasting, met spanningen onder de elasticiteitsgrens niet zomaar bezwijken, kan dat wel gebeuren bij een wisselende belasting. De grens waarop dat niet meer gebeurt heet de vermoeiingsgrens. Zo’n vermoeiingsgrens ligt dus tamelijk lager dan de elasticiteitsgrens. Dergelijke vermoeiingsgrenzen zijn te vinden in de zogeheten SN-curves. ( Stress-Number of cycles ). Als je dan de spanning weet, dan kan je met zo’n curve bepalen of het product een oneindige levensduur heeft en zo niet, wat in dat geval dan de eindige levensduur bij benadering zal zijn.

Belangrijke factoren voor Fatigue failure

Taaie materialen zijn minder gevoelig voor vermoeiing dan brosse materialen. Temperaturen spelen ook een rol. Sommige taaie constructiestaaltypen kunnen onder een bepaalde lage temperatuur overgaan van taai naar bros. Maar ook de omvang van een onderdeel of de dikte van bijvoorbeeld een as, is van invloed op de vermoeiingsgevoeligheid. Zo ook de rotatiesnelheid of wisselfrequentie van een belasting. En zo zijn er nog meer factoren die een rol spelen bij vermoeiing  zoals: soort metaal, vorm, afwerking, soort belasting, atmosfeer, etc. etc. Bij een precieze levensduurberekening moeten zoveel mogelijk van deze factoren worden berekend en meegenomen in de levensduurberekening. Maar het voert te ver om dat hier allemaal te behandelen. Vermoeiing (fatigue) is een complexe wetenschappelijke materie op zich. Misschien schrijf ik nog eens een 2e deel voor de echte liefhebber van fatigue failure.

Tot zover het onderwerp fatigue failure

Fatigue is een gevaarlijk bezwijkmechanisme waardoor 80 tot 90% van alle dingen wereldwijd vroeg of laat plotseling en zonder waarschuwing bezwijken. Maar laat dit uw leven niet beheersen. Er zijn genoeg dingen die lang genoeg heel blijven of al lang worden afgedankt eer ze de levensduur hebben bereikt.

Ik ga in ieder geval wel nieuwe deeghaken kopen en hoop dan maar dat ik er weer heel wat pizzadeeg mee kan kneden.
De levensduur van de deeghaken vooraf berekenen zou kunnen, maar dat gaat mij zelfs weer wat te ver
🙂

In deze techno-rubriek geeft constructeur Freddy de Jong van LARA Engineering geheel vrijblijvend op eenvoudige wijze uitleg over begrippen die bij sterkteberekeningen steeds centraal staan. Om onze  opdrachtgevers meer inzicht te kunnen geven in deze materie, zullen er bij regelmaat essentiële onderwerpen worden behandeld, zonder de lezer te vermoeien met ingewikkelde termen of formules. Hierdoor worden opdrachtgevers in staat gesteld hun sterkteberekeningsbehoefte beter en makkelijker te omschrijven. Maar ook om de sterkteberekeningsresultaten en rapporten beter te kunnen begrijpen. De onderwerpen zullen bij enige regelmaat uit eigen hand worden geschreven en gepubliceerd. Hoewel deze techno-rubriek o.b.v. diepere kennis en jarenlange ervaring met de grootste zorg is samengesteld, is LARA Engineering op geen enkele wijze verantwoordelijk en/of aansprakelijk te stellen voor enige schade welke op wat voor manier dan ook, zou zijn ontstaan door gebruikmaking van de informatie in deze rubriek.