Wat zijn de verschillen tussen hoge en lage cyclus vermoeiing?

Materiaalmoeheid verwijst naar de verslechtering van een materiaal veroorzaakt door herhaaldelijk veranderende belastingen, wat na verloop van tijd kan leiden tot structureel falen of scheuren. Het onderscheid tussen hoog-cyclische en laag-cyclische vermoeiing is cruciaal om te begrijpen hoe materialen zich gedragen onder verschillende spanningsomstandigheden.

Wat is hoog-cyclische vermoeiing (HCV)?

Hoog-cyclische vermoeiing vindt plaats wanneer materialen worden blootgesteld aan spanningen die veel lager zijn dan hun vloeigrens, bij een hoog aantal belastingscycli. Falen gebeurt typisch na miljoenen cycli vanwege microscopische scheurtjes die zich over tijd voortplanten. De nadruk bij HCV ligt op het uithoudingsvermogen van materialen onder relatief lage spanningsniveaus, maar voor een zeer hoog aantal cycli. Het wordt vaak geassocieerd met elastische vervorming, wat betekent dat het materiaal geen (significante) permanente vervorming ondergaat voor het faalt.

• Definitie: Er is sprake van HCV wanneer een component bezwijkt bij vermoeiing na een groot aantal belastingscycli, typisch 10⁵ cycli of meer.
• Spanning en vervorming: Het betreft lagere spanningsniveaus, over het algemeen onder de vloeigrens van het materiaal, wat overeenkomt met een elastisch gedrag op macro schaal. Het materiaal ondergaat geen permanente vervorming tijdens de belastingscycli.
• Cyclustelling: Het hoge aantal cycli vóór falen weerspiegelt de lagere spanningsniveaus in het component, waardoor meer cycli nodig zijn voor een scheur om te initiëren en zich voort te planten tot het uiteindelijke materiaalfalen.
• Toepassingen en analyse: HCV is relevant in situaties waar een component wordt onderworpen aan vele belastingscycli van relatief lage spanning, zoals onderdelen in roterende machines of structuren onderhevig aan trillingen. De spanning–levensduur (S–N) methode wordt veel gebruikt om de levensduur van componenten onder HCV-condities te voorspellen door het spanningsinterval tegen het aantal cycli tot falen uit te zetten.
• Materiaalcurve: Om hoog-cyclische vermoeiing te voorspellen wordt een S–N curve gebruikt. De S–N curve, ook bekend als de Wöhler curve, geeft grafisch de relatie weer tussen het spanningsinterval dat een materiaal ondergaat en het aantal cycli tot materiaalfalen.
  De verticale as van de S–N curve vertegenwoordigt het toegepaste spanningsinterval. De horizontale as vertegenwoordigt het aantal cycli tot falen. De S–N curve wordt over het algemeen weergegeven in een log-log plot (zie figuur 1 hieronder).

Wat is laag-cyclische vermoeiing (LCV)?

LCV vindt plaats wanneer materialen worden blootgesteld aan hogere spanningen, typisch boven de vloeigrens, over een kleiner aantal belastingscycli. Dit kan leiden tot structureel falen binnen duizenden of zelfs slechts honderden cycli. LCV wordt gekenmerkt door significante plastische vervorming, waardoor het materiaal permanente vervormingen ondergaat voor het breekt.

• Definitie: LCV vindt plaats wanneer materialen worden onderworpen aan belastingen bij hoge amplitudes, wat resulteert in een vermoeiingslevensduur tot ongeveer 10⁴ cycli.
• Spanning en vervorming: Deze conditie wordt gekenmerkt door hogere spanningsniveaus, vaak nabij of boven de vloeigrens van het materiaal, resulterend in macroplastische vervorming bij elke cyclus. Dit betekent dat het materiaal permanente vervormingen ondergaat die zichtbaar zijn op macro schaal.
• Cyclustelling: Vanwege de hogere spanning en de resulterende plastische vervormingen, is het aantal cycli tot falen relatief laag.
• Toepassingen en Analyse: LCV is significant in scenario's waar componenten worden onderworpen aan ernstige spanningscondities die plastische vervorming veroorzaken, zoals bij motoronderdelen onder thermische spanning. De rek–levensduur (ε–N) methode wordt typisch gebruikt voor LCV-analyses, rekening houdend met zowel de elastische als de plastische vervormingen om de vermoeiingslevensduur te voorspellen.
• Materiaalcurve: Om laag-cyclische vermoeiing te voorspellen wordt een E–N of ε–N curve gebruikt. De ε–N curve, ook bekend als de totale vervorming–levensduur curve, geeft grafisch de relatie weer tussen de vervormingsamplitude en het aantal omkeringen tot materiaalfalen onder cyclische belastingscondities.
  De verticale as van de ε–N curve vertegenwoordigt de vervormingsamplitude, wat de helft is van het vervormingsinterval in een complete belastings- en ontlastingscyclus. De vervormingsamplitude combineert zowel de elastische als de plastische componenten van de vervorming, wat ons totale vervorming geeft die het materiaal ondergaat. De horizontale as vertegenwoordigt het aantal omkeringen van de veroorzaakte vervorming die een materiaal kan doorstaan voordat het bezwijkt. Dit kan variëren van een relatief laag aantal omkeringen (honderden tot duizenden) voor materialen onder hoge vervormingscondities, tot veel hogere aantallen onder lage vervormingscondities (zie figuur 2 hieronder).

Belangrijkste verschillen tussen hoog-cyclische en laag-cyclische vermoeiing

• De grens tussen LCV en HCV wordt niet gedefinieerd door een precies aantal cycli, maar eerder door de spanningsniveaus en de respons van het materiaal — macroplastische vervorming voor LCV en elastisch gedrag voor HCV.
• Het primaire onderscheid ligt in de spanningsniveaus en de resulterende vervorming: LCV wordt geassocieerd met hoge spanning en macroplastische vervorming, terwijl HCV betrekking heeft op lagere spanning en elastische vervorming.
• Analysemethoden verschillen tussen de twee, met LCV die de vervorming–levensduur methode (E–N of ε–N methode) gebruikt vanwege de nadruk op plastische vervorming en HCV die de spanning–levensduur methode (S-N methode) gebruikt geschikt voor elastisch-gedragsanalyse.

Het begrijpen van deze nuances is essentieel voor het nauwkeurig voorspellen van materiaalfalen door vermoeiing, het ontwerpen van duurzame componenten, en het waarborgen van de betrouwbaarheid van structuren en machines onder variabele spanningscondities.