Väsyminen (materiaalin)

Väsyminen tarkoittaa materiaalin, yleensä metallin, rakenneominaisuuksien heikkenemistä pitkäaikaisen vaihtuvan kuormituksen alaisuudessa.

Jatkuvan vaihtuvan jännityksen alaisena olevat materiaalit kärsivät pysyviä mikroskooppisia vaurioita, vaikka hetkellinen jännitys materiaalissa sinänsä alittaisi materiaalin lujuusarvot. Jos vauriot etenevät tarpeeksi pitkälle, voi materiaali pettää vaikkei sen nimellistä lujuutta ylitettäisi.

Väsymisen teoreettinen mallintaminen rakenteiden suunnittelussa tarvittavalla luotettavuudella on osoittautunut varsin hankalaksi. Siksi materiaalin väsymislujuus määritetään yleensä kokeellisesti. Väsymiskokeessa koekappale altistetaan vaihtelevalle jännitykselle välillä σ_min–σ_max. Näistä voidaan laskea jännityksen amplitudi σ_a ja keskimääräinen jännitys σ_m:

${\sigma }_{a}={\frac {{\sigma }_{max}-{\sigma }_{min}}{2}}$,

${\sigma }_{m}={\frac {{\sigma }_{max}+{\sigma }_{min}}{2}}$.

Kun materiaaliin kohdistuva keskimääräinen jännitys kasvaa, tulee amplitudin pienetä jotta materiaali kestäisi kuormituksen. Tätä kuvastaa Goodmanin kaava

σ_a = σ_vl [1 – (σ_m / σ_T)],

jossa σ_vl on haluttu väsymislujuus ja on materiaalin σ_T vetolujuus.

Väsymisen taustalla olevat mikroskooppiset särömäiset vauriot saavat alkunsa metallin raerajoilta ja siinä jo aluksi olevista pienistä virheistä. Väsymiselle on luonteenomaista, että varsinaista väsymismurtumaa edeltää särönkasvuvaihe. Jo sitä aikaisemmin tapahtuu selvästi pitkäkestoisempi särön ydintymisvaihe. Kun murtumaa edeltävä särö kasvaa, on tapahtuma periaatteessa mahdollista ennakoida havaitsemalla särö. Sitä ennen särön alku on niin pieni, että sen havaitseminen ja erottaminen aineen mikrorakenteesta on äärimmäisen hankalaa. Näin ollen mahdollisuudet havaita murtuma ennen sen ilmenemistä ovat varsin pienet. Toisaalta väsymismurtuma saattaa syntyä ennalta arvaamatta hyvinkin pitkään käytössä olleessa materiaalissa.

Lähteet

• Askeland, D.: The Science and Engineering of Materials. Cheltenham, UK: Thomson-Engineering, 1996.