Iedereen kent wel het verschijnsel van producten of onderdelen die plotseling begeven, juist wanneer je dat niet meer had verwacht. In het Engels wordt dit fatigue failure genoemd. 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 metaalmoeheid. Dit 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’. Dat is de redelijkerwijs te verwachten tijd dat een product heel blijft, vooropgesteld dat je er normaal mee omgaat. Zoals bij deze mixer. Daarvan brak dit weekend plotseling één deeghaak af tijdens het kneden van pizzadeeg. En dat terwijl ik niet eens veel kracht op de mixer zette. Bovendien zijn deze deeghaken niet zomaar even met de hand krom te buigen, laat staan doormidden te breken. Wat is er aan de hand? Wat hier speelt, is een vermoeiingsbreuk. In dit geval veroorzaakt door metaalmoeheid. Maar waarom breekt zo’n onderdeel na een bepaalde tijd van goed functioneren ineens af? Waarom niet al bij het eerste gebruik?
Aanleidingen voor het ontwikkelen van metaalmoeheid
Metaalmoeheid is een proces dat bij het eerste gebruik van een nieuw product al in gang kan worden gezet. De aanleiding kan divers zijn. Maar meestal begint het bij een onvolkomenheid aan het uitwendige oppervlak. Dat kan een kras zijn, een bewerkingsgroef of bijvoorbeeld een overgang van vorm. Zoals 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 het ontstaan van metaalmoeheid. Rond zo’n onvolkomenheid concentreren de materiaalspanningen zich. Denk aan een weerkaart waarop een storm wordt weergegeven. De isobaren liggen dan heel dicht op elkaar. Zo is het ook ongeveer met de verdeling van 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
Metaalmoeheid verloopt volgens een langzaam maar gevaarlijk proces
Door het herhaaldelijk heen en weer buigen wisselen de spanningen rond zo’n groef of kras continu 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 lang genoeg heen en weer te buigen – dat hoeft niet eens zichtbaar buigen te betekenen – kan zo’n klein beginnend haarscheurtje op den duur uitgroeien tot een echte scheur. 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 metaalmoeheid herkenbaar?
Metaalmoeheid is één van de gevaarlijkste bezwijkmechanismen. Een vermoeiingsbreuk is achteraf pas te herkennen aan het breukoppervlak. Daaraan zijn ook de verschillende stadia te herkennen die zich gedurende het vermoeiingsproces hebben voltrokken. Het achteraf bestuderen van het breukvlak wordt vaak gedaan om de oorzaak te kunnen vaststellen, bijvoorbeeld in verband met schadeverhaal of verzekeringskwesties.
1 start vorming haarscheur
2 haarscheur groei
3 laatste hoeveelheid vast materiaal met spontane breuk
Waarom brak de deeghaak na vele pizzabereidingen spontaan af?
Een deeghaak, maar ook iedere andere as die tijdens het roteren radiaal wordt belast, buigt namelijk continu om en om. De afbeeldingen hieronder maken dit 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 ze radiaal belast. En omdat ze roteren, verandert de belastingrichting gezien vanuit de deeghaak continu. Dus de deeghaken worden continu heen en weer belast. Of eigenlijk in alle richtingen.
Iedereen weet dat je zo’n deeghaak niet zomaar even met de hand kunt breken. Maar door het vermoeiingsproces en de scheurgroei blijft er uiteindelijk zo weinig vast materiaal over dat dit 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 zijn 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 of oneindige levensduur
Een aantal metalen, waaronder staal, kent een zogeheten oneindige levensduur (infinite life). Dit is het geval indien de wisselspanningen onder een bepaalde grens blijven. Die grens ligt meestal een flink stuk lager dan de elasticiteitsgrens. De elasticiteitsgrens is de grens waarboven na het wegnemen van de spanning blijvende vervorming optreedt.
Hoewel materialen bij een continue statische belasting met spanningen onder de elasticiteitsgrens niet zomaar bezwijken, kan dat bij een wisselende belasting wel gebeuren. De grens waaronder geen vermoeiingsbreuk meer optreedt, heet de vermoeiingsgrens. Zo’n vermoeiingsgrens ligt dus tamelijk lager dan de elasticiteitsgrens.
Niet ieder metaal heeft echter een duidelijke vermoeiingsgrens. Dit geldt bijvoorbeeld voor aluminium- en koperlegeringen en in bepaalde gevallen ook voor roestvaststaalsoorten. Bij deze materialen neemt de vermoeiingssterkte doorgaans verder af naarmate het aantal belastingswisselingen toeneemt. Bij voldoende grote wisselende of fluctuerende belastingen, zoals door trillingen, kan uiteindelijk vermoeiingsbreuk optreden. Hoe langer de belasting blijft optreden, hoe verder de vermoeiingsschade zich kan ontwikkelen.
Belangrijke factoren voor het ontstaan van metaalmoeheid
Taaie materialen zijn doorgaans minder gevoelig voor vermoeiing dan brosse materialen. Ook de temperatuur speelt een rol. Sommige constructiestaalsoorten kunnen bij lage temperaturen overgaan van taai naar bros. Maar ook de afmetingen van een onderdeel, zoals de diameter of dikte van een as, zijn van invloed op de vermoeiingsgevoeligheid. Hetzelfde geldt voor de vorm en oppervlakteafwerking, het soort metaal en de aard van de belasting. Ook de rotatiesnelheid of wisselfrequentie kan van invloed zijn.
Daarnaast spelen omgevingsfactoren, zoals corrosie, een rol. Bij een nauwkeurige levensduurberekening moeten zoveel mogelijk van deze factoren worden beoordeeld en meegenomen. Het voert echter te ver om die hier allemaal te behandelen. Vermoeiing (fatigue) is een complexe wetenschappelijke materie op zich. Misschien schrijf ik nog eens een tweede deel voor de echte liefhebber van metaalmoeheid.
Tot zover het onderwerp metaalmoeheid
Metaalmoeheid is een gevaarlijk bezwijkmechanisme. Het bijzondere is dat het proces zich gedurende lange tijd langzaam kan ontwikkelen, terwijl het uiteindelijke bezwijken zich plotseling en zonder duidelijke waarschuwing voordoet. Dat klinkt misschien verontrustend, maar laat het je leven niet beheersen. Er zijn genoeg producten en constructies die lang genoeg meegaan of al worden afgedankt voordat ze hun technische levensduur hebben bereikt.
Het is vooral belangrijk om bij het ontwerpen en beoordelen van constructies rekening te houden met wisselende belastingen en de omstandigheden waaronder een onderdeel moet functioneren. Een goede inschatting van de vermoeiingsgevoeligheid kan veel problemen voorkomen.
Ik ga in ieder geval nieuwe deeghaken kopen en hoop dat ik daar weer heel wat pizzadeeg mee kan kneden. De levensduur van die deeghaken vooraf berekenen zou kunnen, maar dat gaat mij zelfs weer wat te ver.
🙂
