Metaalmoeheid is het proces van geleidelijke accumulatie van microscopisch kleine beschadigingen in de metaalstructuur onder invloed van externe factoren, die zich verder ontwikkelen tot grotere en grotere. Dit is een veel voorkomend verschijnsel dat tot zeer desastreuze gevolgen kan leiden.
Detectie en beschrijving van het fenomeen
De pionier van het fenomeen was de Duitse mijningenieur Wilhelm Albert, die in 1829 de slijtage van metaal beschreef op basis van de resultaten van zijn experimenten aan de hand van het voorbeeld van herhaalde bochten van de schakels van de kettingen van mijntakels op een experimentele machine die hij ontwikkelde. De term "metaalmoeheid" werd echter pas in 1839 geïntroduceerd door de Franse wetenschapper Jean-Victor Poncelet, die de afname van de sterkte van staalconstructies onder invloed van cyclische spanningen beschreef.
Even later leverde de Duitse ingenieur August Wöller een bijdrage aan de theorie van metaalmoeheid, evenals aan het ontwerp van metaalconstructies die aan cyclische spanningen worden onderworpen, en publiceerde in 1858-1870 de resultaten van experimenten met ijzer en staal onder omstandigheden van herhaalde spanning -compressie. De resultaten van zijn onderzoek in 1874 werden door de Duitse architect Lewis Spangenberg grafisch gepresenteerd in de vorm van tabellen. Sindsdien wordt een visuele weergave van de verkregen relatie tussen de amplitudes van de cyclusspanning en het aantal cycli vóór de vernietiging van de metalen structuur het Völler-diagram genoemd.
Sindsdien heeft het fenomeen metaalmoeheid zijn duidelijke definitie gekregen als het proces van accumulatie in de loop van de tijd van schade aan een metalen structuur onder invloed van wisselende (meestal cyclische) spanningen, die leiden tot een verandering in de eigenschappen van de structuur, de vorming van scheuren erin, hun progressieve ontwikkeling en daaropvolgende vernietiging van het materiaal.
Gevolgen van metaalmoeheid
Progressieve metaalmoeheid kan leiden tot de vernietiging van metalen constructies. In de regel gebeurt dit tijdens hun werking (wanneer de maximale belasting van de mechanismen wordt uitgevoerd), wat kan leiden tot ongevallen en rampen, ook met menselijke slachtoffers. Voorbeelden van enkele van de meest bekende incidenten:
- de spoorwegramp in Versailles in 1842, waarbij 55 mensen omkwamen (oorzaak was een vermoeidheidsbreuk van de locomotiefas).
- de crash van de elektrische hogesnelheidstrein ICE nabij de gemeente Eschede in Duitsland in 1998, waarbij 101 mensen omkwamen en 88 gewond raakten (bij een snelheid van 200 km/u barstte de wielband op de trein).
- een ongeval op de Sayano-Shushenskaya HPP in 2009 (de oorzaak was vermoeidheidsschade aan de bevestigingspunten van de waterkrachtcentrale van het station, inclusief het turbinedeksel).
Preventie van metaalmoeheid
Metaalmoeheid wordt meestal voorkomen door delen van de metalen structuur aan te passen om cyclische belasting te voorkomen, of door de materialen die in de structuur worden gebruikt te vervangen door materialen die minder snel vermoeien. Ook wordt een merkbare toename van het uithoudingsvermogen van de structuur bereikt door sommige methoden van chemisch-thermische behandeling van metalen (nitreren, nitrocarboneren, enz.). Een andere methode om metaalmoeheid te voorkomen is thermisch spuiten, dat een drukspanning op het oppervlak van het materiaal veroorzaakt, wat helpt om metalen onderdelen te beschermen tegen breuk.
