S-N curve/ Wöhler curve
De S-N curve toont het aantal belastingswissels dat een materiaal kan ondergaan tot het breekt. Ze wordt afgeleid uit high cycle fatigue tests met een belasting met constante amplitude (ook S-N test) volgens DIN 50100, en wordt opgedeeld in de gebieden van low cycle fatigue K, levensduur Z en high cycle fatigue D .
De gebieden worden gescheiden door het aantal cycli N
- Low cycle fatigue 100-30,000 cycli
- Levensduur ca. 2.000.000 cycli
- High cycle fatigue tot oneindig
In het S-N diagram kan je het maximaal aantal lastwissels aflezen voor een bepaalde belastingsamplitude. Het hangt af van de materiaaleigenschappen, de kracht en het type belasting (pulserende drukbelasting, pulserende trekbelasting of alternerende belasting).
Beschrijving Low cycle fatigue Levensduur High cycle fatigue Normen Testmachines Andere tests
De S-N curve van een glad materiaalsample (Spanningsverhouding R = -1)
In dit voorbeeld worden de nominale spanningsamplitude Sa en het aantal cycli N logaritmisch weergegeven. In een dubbel logaritmische weergave, wordt de levensduur weergegeven als een rechte lijn. De resulterende curve wordt S-N curve genoemd.
Beschrijving van de S-N curve:
- Rm statische sterkte (hier treksterkte)
- Sa Nominale spanningsamplitude
- SaD High cycle fatigue sterkte
- N toelaatbaar aantal cycli
- ND Randbelasting aantal cycli
- NG Drempel aantal cycli
- K Low cycle fatigue / low cycle fatigue sterkte
- Z Beperkte levensduursterkte
- D High cycle fatigue / high cycle fatigue sterkte
Low Cycle Fatigue
Low cycle fatigue K is het gebied onder ca. 104 tot 105 belastingscycli.
De Low cycle fatigue sterkte wordt bepaald met de low cycle fatigue (LCF) test. In dit gebied worden materialen en onderdelen zo belast dat plastische vervorming optreedt en het materiaal vroeg breekt. Voor een meer gedetailleerde weergave wordt vaak het Coffin-Manson model gebruikt.
Een belasting die binnen een vierde van de cycli tot breuk van het sample leidt, wordt statische sterkte genoemd, ook bepaald met een trektest.
Beperkte levensduur
De beperkte levensduur Z is het gebied tussen 104 en 2·106 cycli (afhankelijk van het materiaal). In het gebied van de beperkte levensduur treedt altijd een breukvoorwaarde op (bv. scheur of breuk).
Levensduurtests gebeuren met behulp van een high cycle fatigue (HCF) test. Het resultaat is het aantal belastingscycli bij één lastamplitude.
High Cycle Fatigue
High cycle fatigue D beschrijft de spanningsgrens waarbij een materiaal cyclische belastingen kan weerstaan zonder significante tekenen van vermoeiing of breuk. High cycle fatigue wordt gemeten met een high cycle fatigue test.
In het gebied van high cycle fatigue wordt een gelimiteerd aantal cycli NG uitgevoerd. Als het sample breekt vooraleer dit aantal bereikt wordt, wordt het als mislukt beschouwd. Materialen die tijdens een high cycle fatigue test meer dan 1.000.000 cycli uithouden zonder breuk, zijn bestand tegen vermoeiing.
Het high cycle fatigue concept resulteert in significant lagere toelaatbare spanningen dan het statische concept.
De koers van de S-N (Wöhler) curve in het high cycle fatigue gebied wordt in 3 types verdeeld:
- Horizontaal verloop van de S-N curve: Deze uitgesproken hoge weerstand tegen vermoeiing op lange termijn treedt vaak op bij ferritisch staal
- Zakkende S-N curve met kleine helling: treedt vaak op bij austenitisch staal of aluminium
- Na een initieel horizontale koers, zakt de S-N curve af bij ongeveer 108 cycli: interne defecten veroorzaken scheuren onder het oppervlak
Relevante normen voor de bepaling van de S-N curve
- DIN 50100 - krachtgestuurde vermoeiingstests – uitvoering en evaluatie van cyclische tests met constante belastingsamplitude op metalen samples en onderdelen
- ASTM E466-15 - Standaard methode voor het uitvoeren van krachtgestuurde axiale vermoeiingstests met constante amplitude op metaal
- ISO 1099 - Metaal - Vermoeiingstests - Axiale krachtgestuurde methode
- DIN EN 6072 - Lucht- en ruimtevaart - Metaal - Testmethoden - Vermoeiingstests met constante amplitude
