Van goed materiaal tot constructie

SSL 152

VAN GOED MATERIAAL TOT CONSTRUCTIE

door prof. ¡r. J. i. W. NibberÎng*

SAMEN V.A TTING

Materiaal en constructie kunnen gezien worden als de

uifersten van een produktieproces waarussen zich

alle bewerkingen a/spelen die de vormgeving en het aan-eenbouwen len doe! hebben. Lassen en branden zün hier-van verreweg de belangrjjksren. Zonder overdrving kan

men zeggen, dai juist deze twee verantwoordeljk zin

voor 90% van de materiaaiproblernen. Daarnaast

ver-oorzaken zU ook wat constructieproblernen; de vorm

van een construëtie bangt mede nf van de !astoesie!len

die ter beschikking staan, gewenste lassianden en

lasvoor-bewerkiìig, vereiste maainauwkeürigheid etc. In vele

ge-vallen niOetefl gewichtsbesparingen die re verkrifgen zUn

door verf Und construerén en ,,moeilzjk" of met de hand

lassen afgewogen worden fegen de kostenbesparin gen die

te bereiken zjjn door gemakkelk mont eren en eenvoudig

of. automatisch lassen.

Mareriaal-dat verwerkt is in eeiz construct ie gedraagt zich

verschillend van dat in eenvoudige proefstaven. Dit is yooral zo ter plaatse van constructiedetails.

Enkele oorzaken zjin;

a. De gecompliceerdheid van de belastingtoéstand

(axia-le, buig-,,afschuif- en wringbelastingen).

1. Inleiding

Het is mogelijk dat constructeurs in de titel het verwijt beluisteren dat van de oorspronkelijk goede eigenschap-pen van een materiaal in een constructie niet veel

over-blijft. Welnu, het laatste is een fait, maar het mag de

constructeur niet verweten worden. Tijdens de fabricage van een constructie is nadelige beïnvloeding van het ma-teriaal onvevmijdelijk; de constructeur kan slechts

trach-ten de schade zoveel mogelijk te beperken, of beter gezegd

zoveel mogelijk binnen toelaatbare perken te houden. Daartoe moet hij weten hoever hij gaan kan, dat wil

zeggen moet hij de invloed van lassen, branden en an-dere bewerkingen op hat materiaal kennen. Verder moet hij voorkómen dat bepaalde gewenste eigenschappen van het materiaal door een ongeschikte constructievorm ver-loren raken (,,hard spots").

Sommige constructeurs denken inissehien dat materiaal-keuze, lassen. en dergelijke niet hun zorg is. Maar dat is onjuist; een constructeur moet een schaap met 5 poten

zijn Hij moet bijv. de in zijn bedrijf ter beschikking staande produktiemiddelen kennen en daaruit op een

verantwoorde wijze kunnen kiezen. Hierbij is onont-beerlijk dat hij weet wat die produktiemidelen aanrich-ten aan het materiaal en wat bijv. de conse4uentiès sun voor gevaar van brosse breuk of vermoeiing.

Een ander gebied dat in de sterkteberekening dikwijls wcn'dt veronachtzaamd is dat van de belastingen. Een statistische aanpak, rekening houdend met de omstan digheden (temperatuur!) waaronder eeñ constructie moet werken, is hier onontbeerlijk. Anders ontstaan grote on-zekerheden in de totale sterkteberekening.

Naar mijn persoonlijke overtuiging zijn de in het ver-laden voorgekomen rampen met enkele booreilanden * Onderafd. der Scheepsbouwkunde van de Technische

Hogeschool te Delft. Docent Rijksuniversiteit te Gent.

Hoofdstuk Ic

b. De verschillen in niateriaaleigenschappen van plaats tot plaats, zowel als gevoig van de eerder genoemde

bewerkingen; als van de invloed van de constructieve vorm (triaxiale spanningstoestanden).

C. De aanwezigheid vän residuele spannin gen.

Wèlke sterktecyfers gehanteerd moeten worden, wordi mede bepaald door de belástingstoestand waarin de con-structie komt te verkeren. (Statisch, wisselend met veel

of weinig wisselingen, schok.) Verder zUr' van belang de ten?peratuur en het milieu;

Van grootbelang is tenslotte dat nien zich bezint op wat milen van éen constructie verwachten ka,z. Men mnoet weten of er na enige tijd scheuren zullen ontstaan (of dat

daze misschien al van de aanvang al aanwezig waren) en

zo ja, of dit gevaarljjk is Is het gevaar te bestrUden door gebfuik van ander materiaal öf een andere vorm? Tot welke !engte zLin scheuren toèlaatbaar? Wat hebben we hierb(jaan de breukmechanica?

Met eenvoudige voorbeelden za! het laatste worden toe-gelicht, resp. voor het gevaar van ontstaan van scheuren

op kritiêke plaatsen en de kaiis óp voortlopen van

scheu-ren buiten die plaatsen.

medë veroorzaakt dooreerite lichtvaaardigebehandeling van deze kant van de sterkteberekening. Tegenwoordig

wordt met het wisselend karakter van de belastingen veel

betér rekening gehouden. Toch kan men ook dan nog grote fouten maken, bijv. doordat men dergelijke con-structies tracht te verbeteren door hat gebruik van hoge

sterkte-staal; Men kan. dan van de regen in de drup ko-men doordat de vermoeiingssterkte niet of nauwelijks beter wordt. Verder in dit artikel zal hierop nader

wor-den ingegaan.

Onvermijdelijk in een bespreking als deze is natuurlijk hat gevaar van brosse breuk.

Voor sommigen die het gevoel gekregen hadden dat zij de brosse breükproblematiek aardig doorgrondden, is de zaak wear mistiger geworden door de opkomst van de breukmechanica. Voor de constructeurs in zeer starke

staalsoorten is deze wetenschap inderdaad onontbeerlijk,

maar voor hen die in de meer normale staalsoorten wer-ken is vecI ervan van wöinig nut. Als men gemeen wit

zijn kan men zeggen dat de breúkrnechanica wet veal

ver-klaart, maar weinig kan voorspelien. Toch zijn er ook voor de gewone staalconstructeur wel mogelijkheden, vooral ten dienste van een juiste interpretatie van proef-resultaten. Het enigszins nieuwe maar uiterst

eenvou-diga begrip C.O.D., ofwel Crack Opening Displacement,

door de heer Van Elsi scheuropeningsverplaatsing ge-noemd, maar door mij haver scheuropening ter plaatse van de tip", zal daarom in deze voordracht mede worden behandeld. Ter illustratie zullen resultaten van actuate proeven bekostigd door het N.LL. met E.G. en E.S.-ge. laste platen van Nb-normaal-gegloeid staat Worden

be-sproken.

Voor degenen die behoefte hebben aan can verdere

il-lustratie van het nut van deze simpele C.O.D.-brcuk-mechanica, en die nog steeds niet eraan Willen dat

vloeistaal bij low cycle fatigue, is § 4 wellicht interessant.

Hierin wordt min of meer een breukmechanisch bewijs voor die opvatting gegeven. Het bewijs is oak voor de

beginners gemakkelijk te volgen.

Al met al is het toch zo dat een goed inzicht inalle

fac-toren die bij de beoordeling van de sterkte van

con-structies een rol spelen heel wat belangrijker is dan

ken-nis van een ondeudeel ervan, bijv. van de breukmechanica.

Het gevaar van het laatste is, dat men zó verrukt raakt

ervan dat er eindelijk iets ten aanzien van

breukverschijn-seIen valt te berekenen, dat alle andere overwegingen en factoren naar de achtergrond worden gedrongen. Daar-orn zal in deze voordracht mede aandacht worden be-steed aan op het eerste gezicht in conflict met de breuk-meohanica zijnde verschijnselen, bijv. dat kleine

scheur-ties dikwijls gevaarlijker zijn dan grote scheuren en dergelijke.

Deze voordracht heeft niet de pretentie een afgeronde en volledige behandeling van het onderwerp te geven. Een aantal belangrijke of opmerkelijke aspecten zullen naar voren worden gehaald op een wijze die tegemoet

komt aan het verzoek van de symposiumcommissie

enigszins provocerend te zijn.

Begonnen wordt met een oud, geliefd en controversieel thema, dat momenteel weer grote belangstelling krijgt:

de residuele spanningen.

2. Residuele spanningen

Nog niet za lang geleden is door de vice-voorzitter van commissie X van het I.1.W., dr. Nichols, uitgebreid ge-rapporteerd over residuele spanningen. De belangrijkste conclusie was dat ,,overstressing" zoals dat bijv. gebeurt bij het proefbelasten van drukvaten vrijwel altijd gunstig is uit een oogpunt van gevaar van brosse breuk. Wan-neer een constructie eenmaal aan een bepaalde belasting

is onderworpen en die belasting heeft doorstaan, is breuk

bij lagere belastingen en bij lagere temperaturen vrijwel

uitgesloten. Bekend is bovendien dat een dergelijke zware

voorbelasting ook bijzonder gunstig is met het oog op

vermoeiing in het trekgebied. Het effect van overbelasten

is voor beide breuktypen bijna even gunstig als dat van spanningsvrij gloeien. Twee verschillen zijn er wel: le Spanningsvrij gloeien heeft soms een verbetering van

de materiaalstructuur tot gevolg (ofschoon het

te-genovergestelde ook wel eens voorkomt).

2e Door spanningsvrij gloeien wordt opgeloste en vrije

waterstof (in holten) verwijderd. Dit kan een

aan-zienlijke verbetering van de vermoeiingssterkte tot

gevoig hebben zoals door Harrison is aangetoond [1].

Oak het gevaar van brosse breuk kan erdoor worden

verkleind.

In grate plaatconstructies is overstressing nag wel, maar spanningsvrij gloeien niet meer mogelijk. Voor de romp van schepen zijn beide onuitvoeiibaar. Alleen wanneer

een tewaterlating niet helemaal volgens plan verloopt kan

overbelasten optreden. Tanks in schepen kunnen worden

geperst, en dit kan voor schotten die altijd vanaf dezelfde

kant worden belast een gunstig effect hebben. Maar in veel gevailen vormt een schot de begrenzing tussen twee

tanks en dan ¡s het mogelijk dat nu cens de ene, dan weer de andere tank gevuld, of het éérst gevuld worth. Op zijn

gunstigst heeft het persen dan geen nadelige gevolgen.

Van belang is nog of de ,,wisselende" belasting tot lage of

hoge spanningen aanleiding geeft. Wanneer het laatste het geval is, zoals bij de genoemde tanks, is het even-tuele gunstige effect van persen kleiner dan in geval van

laag betaste constructies.

Ben belangrijk tiadeelvan spanningsvrij maken van gro-tere pfaatconstructies is dat eventuele

vermoeiingsscheu-ren of brosse breuken niet meer de neiging vertonen uit

de laszone weg te lopen. Bij aanwezigheid van residuele spanningen is dit namelijk wèl het geval. Fig. 1. Vooi

verticale stompe lassen in cilindrische tanks of in de

zij van schepen betekent dit dat een scheur zich in de las of in de warmte-beïnvloede zone kan voortzetten. Voor een vermoeiingsscheur houdt dit in dat voortdurend het gevaar dreigt dat de scheur in een brosse breuk overgaat

(tenminste wanneer de las of de H.A.Z. van sIechte

kwa-litoit zijn). Als ceri brosse breuk eenmaal is ontstaan, za! ook deze in de laszone voortlopen en niet op enige af-stand van de las in gezonder plaatmateriaal kunnen

stop-pen.

Dit maakt dat een opslagtank, vervaardigd van het voor-treffelijke Nb-genormaliseerd staal van de Hoogovens,

dat een scheurstoptemperatuur van 30 °C bezit, niet

veilig hoeft te zijn uit een oogpunt van brosse breuk. Bij een statische, nooit wegvallende belasting, zal persen wet een hoge mate van veiligheid garanderen, maar dat zou ook bij veci minder goed staal het geval zijn. Bij een tank die afwisselend vol en leeg is bestaat de kans dat kleine lasfouten tot low cycle fatigue scheurtjes uitbreiden. Het

gunstig effect van het persen gaat dan verloren,

waar-door het gevaar voor brosse breuk toeneemt. Een breuk in de las of de H.A.Z. behaart dan tot de mogelijkheden, ondanks gebruik van uitstekend staat. Dit alles vormt een

geschikte inleiding op de volgende paragraaf.

3. De gevaren van lassen met grote warmtetoevoer Het is vervelend orn te moeten waarschuwen tegen, uit technisch oogpunt vernuftige en uit economisch oogpunt

aantrekkelijke, lasprocessen als Electrogas en Electroslak.

Men zou liever wat struisvogelpoJitiek bedrijven door er-op te wijzen dat bij automatische lasprocessen als E.G.

Bottom plating (19Smn,( E8 -- Crack (total tength15n) E? B DB Side FATIGUE BRITTLE BILGE KEEL BILGE PLATING BRITTLE FRAC-TURE TRANSVERSE BUTT- WELD Figuur i

Small Tr a., eve r Se

crack butt-weld

BiLge pLate

en ES praktisch geen lasfouten ontstaan. Als extra

waar-borg kan de las bovendien niet-destructief woiden

onder-zocht. Akkoord, maar de smei'tlijn en de

warmtëbëïn-vloede zone zijn er ook flog; vooral de inkartelihg ter

plaatse van de smeltlijn kan een ernstige discontinuïteit

ziin.

De gröte warmtetoevoer bij deze lassen niaakt dat de overgang van residuele trekspanningen in de las naar

residüele drukspanningen in de plaat veel geleidelijker verloopt dàn bij een las met lage warmtetoevoer (fig. 2).

Dit geldt zowel voor de residuele spanningen in de

langsrich'ting als in de dikterichting. De spanningen in de

dikterichting zijn daardoor klein in vergeíijking met het geval van een smalle zone van residuele trekspanningen. Contractie 'in de dikterichting kan in geval van een brede zone gernakkelijk plaatsvinden. Dit vermindert de kans op breükinitiatie. Een beiangrijk nadeel echter is dat het residuele spanningsveld bij lassen met hoge warmtetoe-voer mindergoed in staat is orn scheuren en breuken uit

de laszone weg te leiden. De situatie lijkt op die bij

spanningsvrij gemaakte constructies. Naast dit nadelige gevolg van lassen met grote wärmtetoevoer staat de wel-bekende siechte kerftaaiheid van de warmtebeïnvloede zone van genormaliseerde fijnkorrelstalen, voorai 'als die Nb, Va of Ti bevatten.

Hoe .gevaarlijk het samehgaan van beide factoren kan zijn is gebleken bij proeven met grote proefplaten in het

làb voor Scheepsconstrücties [2]. Dezë werden aan

,,low-cycle"-vermoeiing bij veriaagde ternperatuur onderwor-pen. De vermoeiingsscheuren zowel als de uiteindelijk ontstane brosse breuken liepen keurig evenwijdig aan de las. En dit terwijl een paar mm afwijken van 'die richting

voidoende was geweest orn de brosse breuken in het

plaat-materiaal tot stoppen te .brengen.

Tot geruststeliing van verschillende aanwezigen kan ik

wel zeggen dat boyen 15 °C voor de beproefde

ver-bindingen geen gevaar voor brosse breuk bestaat. Dit zal

in 4 nader worden toegeliicht.

STERK OVERDREVEN BEELD VAN DE KRIMP IN DIKTERICHTING NA HEI LASSEN

-,TREKSPANNINGEN IN

V DIKTERICHTING.

Figuur 2

SLECHTS KLEINE

TREK-SPANNINGEN IN

DIKTE-/

a b

lc-3 4. Analyse van proefresultaten met behuip van C.O.D.

metingen

4.1. Brosse breukproeven

De klassieke maatstaf bij de beöordeling van proeven met

gelaste, al of niet gekerfde platen was de breukspanning. Een verbetering was het gebr.uik van de totale

breuk-energie; voor staal was dit meestal gelijk aan het produkt

van de vloeigrens en de verienging van de proefplaat. Met de kornst van dé breukrnechanica werd de moge lijkheid geschapen de inyloed van de scheur- of kerf-grootte in rekening te brengen. (Een plaat met een kleine soheur zal een hogere belasting kunnen doorstaan dan een plaat met een grote scheur.) De weerstand van een materiaal tegen scheuren, de breuktaaiheid genoemd, zal zowel in de breukspanning als de scheuriengte moeten

Worden uitgedrukt. Voor niet-plastisch vervormend

mate-riaal is hiervoor gevonden (plaat met centrale scheur):

Kc

=

Kc = breuktaaiheid

(=

0Br - bruto

a

=

breuk ontstaat.

De breuktaaiheid wordt ook dikwijls in de vorm van

breukenergie per lengte-eenheid van de scheur gegeven.

-

Ge -

E

Wanneer men materiaalgegevens in de vorm van Ge of Kc ter beschikking krijgt, kan men dáarmee combinaties

van toeiaatbare spanningen o en toelaatbare

seheur-grootten 2a uitrekenen Helaas heeft dit alles alleen be tekenis voor zeer sterke staal- en lichtmetaallegeringen. Meer gewone staalsoorten, waartoe staal 60 zëker nog behoort, zijn zo taai, dat het materiaal aan eeri scheu rtip

altijd eerst uitgebreid plastisch zal vervormen voordat een

ge-VLAKSPANNING (PLANE STRESS)

Figuur 3

GROTE PLASTISCHE ZONE (t); HEI MATERIAAI AAN 0E KEAFTIP

SAN YRT ERIMPEN TOT t

-40 / 2 2

(1)wORDT DAN: 8,, V(a+ry)_x (2)

VOOR s=S IS _8m 4cl

HIERUIT VOLGI: r ._t!_ a (3) WAARMEDE DE PLASTISCHE ZONE KAN

40

WORDEN BEREKEND ALS 8,,, IS GEMETEN.

DOOR IN (2) xa IN TE VULLEN

V' r,2 , 2a.r (4) (VERBAND 8tipeary)

COD.

-SUBSTITUTIE VAN (3) IN )4) COD. 18 2

m - (j)

Figuur 4

een grotere minimum C.O.D. eisen. Maar, gezien de vele onzekerheden die in een aanpak, gebaseerd op de grootté

van de plastische zone nog steeds aanwezig zijn, kan men voor de eenvoud we! met één minimum

C.O.D.-waarde volstaan. Voor scheuren tussen 10 en 100 mm

lengte is bijv. 0,3 mm geschikt.

Een moeilijkheid is het meten van de C.O.D. Het kan het

best met behuip van een meetloep geschieden, of met

behulp van fotografie, maar beide methoden hebben hun bezwaren wanneer het orn gekoelde proefplaten gaat. In veel gevallen is het eenvoudiger de C.O.D. op enge al-stand van de tip bijv. op de halve soheurlengte,

mecha-nisch of elektromecha-nisch te meten. Tri het laatste geval is

C.O.D. te berekenen uit

a

-EEN SCHEUR MET -EEN PLASTISCHE ZONE HEEFT -EEN SCHUNBARE LENOTE: a'. a+r VOOR EEN SCHEUR ZaNDER PLASTISCHE ZONE GELD1: C,, - V a2 ,,2 ₍₁₎

Oto) = C.O.D.

02_

4a.

p.

In fig. 5 en fig. 6 zijn resultaten gegeven van de in § 3 genoemde proeven met Electrogas-gelaste platen van 34 mm dikte van Nb. genormaliseerd St. 52 [2]. Bij de pun-ten zijn de lengpun-ten van de vermoeiingsscheuren op bet moment dat een brosse breuk ontstond, aangegeven. De

verschillen tussen de theoretisch meer juiste r-tempe-ratuur-presentatie en de C.O.D. (of

oto)-temperatuur-weergave zijn klein. Dit steunt de mening dat de tweede presentatie voldoende betrouwbaar is voor de praktijk. De presentatie van fig. 5 en 6 kan worden vergeleken met

een waarin de aloude netto breukspanning is uitgezet

(fig. 7).

Het geringe ,,scheidend vermogen" van de laatste weer-gave in vergelijking met de eerste twee komt duidelijk

tot uiting.

4.2. Vermoeiing

De scheurvoortgang bij vermoeiing wordt grotendeels

be-woon te goed. Alleen daar, waar zij grondig bedorven zijn door lassen, branden e.d. of wanneer de belasling-sneiheid seer hoog is (sohok) kunnen breuken zonder

voorafgaande plastisehe vervorming ontstaan. De lineaire

breukmechanica kan hier niet veel beginnen omdat de

mate van beschadiging van het materiaal, noch de invloed

van hoge belastingsnelheden op de breuktaaiheid een-voudig te kwantificeren zijn. Bovendien zal elke con-structeur van het mateiiiaal in zijn constructie verwach-ten dat het ter plaatse van kerven of soheuren voldoende taai is orn niet al bij kleine plastisehe vervormingen te

scheuren.

Dit is vooral door Irwin en Wells indertijd erkend. Ben voikomen nieuw criterium ten aanzien van wat van een materiaal moet worden geëist werd ingevoerd: materiaal aan de tip van een kerf of scheut moet zó taai zijn, dat sich aldaar een plastische zone kan ontwikkelen van

vol-doende grootte orn een vlakspanningstoestand (plane

stress situation) te verkrijigen.

Zolang de plastische zone klein is, bevindt het materiaal

zich in een toestand van vlakke rek (plane strain), (fig. 3)

dat wil zeggen dat in de dikterichting trekspanningen

heersen. De spanningstoestand is er tviaxiaal, waardoor het matepiaal maar weinig kan rekken. Pas wanneer de plastische zone in de orde van grootte van 2 X de

plaat-dikte is, zullen er betrekkelijk grote vervormingen in

kunnen plaatsvinden.

Het vervelende is nu dat de grootte van de plastische

zone, behalve aan de oppervlakte van de plaat, niet te meten is. Een berekening, uitgaande van metingen bijv.

op de halve kerflengte of ter plaatse van de kerftip, is wel

uitvoerbaar, zie fig. 4. Maar waarom dan niet meleen de vervorming aan de kerftip als maat voor de

breuk-taaiheid genomen? Dit idee, voorgesteld door Wells, heeft

de charme dat men in feite niets van de breukmechanica hoeft te weten orn er mee te kunnen werken! En dit zal

vele constructeurs een genoegen zijn.

De eenvoudigste procedure zou zijn te eisen dat in een constructie een bepaald minimum C.O.D. ter plaatse van een kerf of soheur rnoet kunnen worden bereikt. Maar dat moet dan wel voor een bepaalde scheurgrootte wor-den gedaan. Want hoe groter een scheur is, des te kleiner is de plastische zone bij een bepaalde C.O.D. Dit is te zien aan de formule

6tip C.O.D.

y r2 + 2a . r;

rv = straal van de plastische zone (zie fig. 4).

We moeten dus, omdat nu eenmaal de grootte van de

plastische zone aangeeft of er een vlakke spannings- of een viakke rektoestand bestaat, voor grotere scheuren

KLEINE PLASTISCHE ZONE MATERIAAL

AAN DE SCHEURTIP KAN NIET VRJ KRIMPEN, 000ROAT HEI OPEESLOTEN Zn IN OMRINGEND NIEI-PLASTISCH

M AT ERIAA L

Q Q 38 36 34 32 30 28 26 24 22 20 8 16 34 i2 lo o -28 o -28 -26 -24 ,.. 8epoevintefl1pe3lrn1r ('C) -22 -21 ('C) Figuur 5 -20 Figuur 7 -16 8 16 ¶5 14 13 lo Il Io Or E E 3 I ¡ 2827 26 25 2423 23 21 30 9 II ¶7 16 IS 14 3 1231 IO ß.pro.vingternperäE.r ('C) Figuur 6

paald door de cyclisehe vervormingen aan de tip van de

scheur.

Bìj ,,normale" vermoeiing, dat wit zeggen gepaard gaande

met betrekkelijk lage spanningen worden die

vervormin-gen geheel beschreven door de spanningsintensiteitsfactor

K. Hiermede is de spanning op een afstand r van de

scheurtip te berekenen met behulp van

= K X i

V2ir

¡K

Ic-5

stelt dus de spanningsconcentratie op afstand r

0310311

van de scheurtip voor.

Uit de technische mechanica is bekend dat voor een plaat

met een centrale kerf K = o\/ta, (a = halve

scheur-lengte).

Wanneer zo een ptaat vermoeid word t, neemt K* toe naarmate de scheurlengte toeneemt. We kunnen nu de

scheurgroei per wisseling of bijv. per loo wisselingen uit-zetten als functie K, in dit geval AK genoemd, zijride bet

verschit tussen de maximum en de minimum waarde vän K tijdens een wisseling. Het blijkt dan dat het volgende verband Wirdt gevonden:

da

= e (AK)m. dN

Bij low cycle fatigue bevindt zieh aan de tip van de scheur

een ptastische zone met straat r, die afwisselend

plas-tisch gerekt en gedrukt Wordt.

De grootte van die plastische zone is ongeveer evenredig

met de scheurlengte en met het kwadraat van de

ver-houding van de netto spanning en de vloeigrens

a02

a = amplitude van de nominale spanning = 1/2 Ao. Een scheur 2a met een plastische zone 2r kan equivalent

Worden gedacht aan een scheür a ter lengte vn 2

(a + ri). De bijkomende AK is dan gelijkaan:

f (Ao)

AoVa 4oV(a+

a(l

± 802)

Bij low cycle fatigue moet da/dN nu worden uitgezet als

functie van deze gecorrigeerde AK.

* Het verschil tussen K en Kc uit § 4a is analoog aan dat

tussen spanning o en treksterkte o.

27 -26 -25 _24 -23 -22 -21 -20 -19 -18 -17 -IS -IS -IL -13 -12 -Il -Io

22 21 20 19 la 17 16 15 13 IO

o+xn

Het is interessant en tevens een aardige toepassing van de

breukmechanica orn te bekijken wat voor verbetering in low cycle vermoeiingssterkte kan worden verwacht door

het gebruik van hoge sterkte staal.

Stel de v!oeigrens a, vanhet hoge sterkte staal (H.T.S.) is twee maal zo groot als die van vloeistaal (M.S.) dus

GyHT.S. = 2

Beide staalsoorten worden bijv. aan een gelijke

wisselen-de belasting onwisselen-derworpen met een amplituwisselen-de gelijk aan

Oy1.S dus Ao = 1,5 GyMS.

Bij ,aanwezigheid van een kerf of scheur ter lengte 2a wordt de scheurvoortgang geheel bepaald door AK. Dit geeft voor H.T.S.:

4K

4o4.Jra(

+

: )- 1,56 OyM.5. Va

en voor MS.:

4K

_{l,7Oas \/}

Het vloeistaal vervormt ter plaatse van de kerftip onge-veer 10 % rnéér dan het hoge sterkte staal. Het za! daar-door een wat grotere scheurgroei vertonen. Men kan ook zeggen dat H.T.S. en M.S. deze!fde scheurgroeisnelheid zullen hebben, wanneer de belastingen ongeveer 10 %

verschiHen.

Vergelijken we deze 10% winst voor- hoge sterkte staa! met de loo % verschil in vloeigrens, dan is duidelijk dat het uit een oogpunt van vermoeiing niet loont orn hoge sterkte staa! te kiezen Dit geldt temeer naarmate het

ge-midde!de van de wisselende be!astingen minder ver in het trekgebied ugt.

Het ligt voor de hand orn zich af te vragen of bij !ow

cycle fatigue de cyclische vervormingen ter p!aatse van

de kerftip niet beter en d'irecter in 4C.O.D.'s kunnen

wor-den uitgedrukt dan in AK's. Immers, AK is ondanks de aangebrachte correcties in verband met de aanwezigheid

van eenp!astische zone, een typische spanningsparameter,

terwijl bekend is dat bij, low cyc!e fatigue de cyclisehe plastische rek per belastingwisseling een betere maat is

voor de scheurweerstand.

De vergelijking tussen hoge sterkte staal en vloeistaal

geschiedt nu a!s vo!gt:

In 4.1. was a! gevonden dat

4 C.O.D.

Vr2 + 2a. ry.

ao2

Hierin gesubstitueerd r =_, 2in geval van planestress)

eno=1/24ogeeft AC.O.D. =

of wet

4COD. =

2E. a2

Voor H.T.S. geeft dit 4 C.O.DH.TS. = en voor M.S -+ A a (4o) E.

02V' o2 + 4o2

Het verschil is nu loo %, dat wil zeggen dat de cyc!ische vervormingen aan de scheurtip bij het M.S. 2 X zo groot zijn als bij het H.T.S. Maar het vloeistaa! is aañzien!ijk beter bestand tegen plastische vervormingen. De rek van

het H.T.S. is hoogstens half zo groot a!s die van het MiS. Scheuren zu!!en derhalve in beide geva!len ongeveer even snel groeien.

Een berekening voor een vlakke rektoestand aan de kerf-tip leidt tot een soortgelijk resultäat.

Men zou echter kunnen veronderstellen dat bij bepaalde

belastingen het hoge sterkte staal ter p!aatse van de tip van een scheur nog in de v!a'kke rektoestand verkeert, terwiji ter plaatse van een scheur in vloeistaal de viak-spanningstoestand al is bereikt.

Berekenin'gen wijzen uit dat dan de cyclische. COD. bi vloeistaa! we! 10 X zo groot kan zijn a!s bij hoge sterkte

staal. Maar zelfs dan hoeft er nog geen voordee! voor het hoge sterkte staal te zijn, omdat het p!astisch

ver-vormingsvermogen in de toestand van viakke rek

aan-zienlijk kleiner is dan in een viakspanningstoestand.

Bij het vloeistaal za! bovendien geleidelijk versteviging

van het materiaa1 optreden, waardoor de situatie van

vlakke rek in v!akke spanning zal overgaan; met andere woorden: de cyclische plastische vervórmingen zullen

afnemen.

Alleen experimenten kunnen uitwijzen of uiteinde!ijk nog

een duidelijk voordee! voor hoge sterkte staal overblijft. Tot nu toe is wel gebleken dat naarmate de experimen-ten realistischer zijn (grote gelaste constructies) de re sultaten voor hoge sterkte sta!en slechter wordën

5. ,,Fail safe" design van grote plaatconstructies In het ver!eden werd de keus tussen het concipiëren van een constructie als plaalconstructie, of als vakwerk veelà! bepaald door de eis van water- of 1uchtdichtheid Tegen woordig krijgen plaatconstructies dikwij!s de voorkeur op grond van economisehe en lastechnische factoren

on-danks het soms grotere gewicht. Ingewikke!de

knooppun-ten kunnen worden vermeden en extreme plaat- en

pro-fieldikten worden omzeild.

Een bezwaar van vakwerkconstructies is nog dat al be-trekkelijk kleine scheuren in de vakwerk!iggers hoogst ongewenst zijn, omdat het oppervIak of weerstandsmo-ment van de dwarsdoorsnede er tevee! door kan worden geredticeerd. In een verstijfde plaatconstructie heeft een seheur in de plaat of in één van de verstijvingen op het weerstandsmoment van het geheel meestal Weinig in-vloed. Het duide!ijkst spreekt dit wel bij schepen. Een andere vraag is natuurlijk of door de aanwezigheid van grotere scheuren de toelaat'bare spanning niet dras-tisch verlaagd wordt

Voor constructiestalen van normale sterkte is het

ant-woord ontkennend. Men kan sonder bezwaar tot

scheu-ren van bijv. 2 m !engte gaan, voordat bij de huidige

staalsoorten bij spanningen beneden de vloeigrens gevaar voor breuk ontstaat. Fig. 8 is een foto van een plaat die oorspronkelijk een gezaagde middenkerf bezat ter lengte

van 30 cm.

De plaat was 1400 mm breed en 15 mm dik en Was van

gehard en ontlaten St. 6 Het proefstuk werd aan een

vermoeiingsbelasting onderworpen. De netto spanning

wisse!de hierbij tussen O en 24 kg/mm2. Na 1OMOO

wisselingen was de totale !èngte van de ontstane scheur 90 cm. Aangezién zich tot dan toe geen spontaan

dOor-scheuren had voorgedaan, werd de p!aat aan een

ge-leidelijk toenemende trekbelasting onderworpen.

De netto-spanning werd uiteinde!ijk opgevoerd tot 62

kg! mm2! zonder dat een insta'biele breuk ontstond De scheuropening (CO.D.) bedroeg ongeveer 3 mm. Het

los-laten van de aangebrachte scheurlak wees op grote

plastische zones uitgaand van de scheurtippen (fig.8). Men zou kunnen opperen, dat dit gunstige resultaat

voora! te danken is aan de betrekke!ijk geringe p!aatdikte (15 mm). Vergelijkbare resultaten zijn echter ook ver-kregen met 34 en 46 mm dikke proefstukken van

Nb-genorma!iseerd St. 52.

De huidige angst voor scheuren in grote p!aatconstruc-ties is derhalve nogal overdreven. Kleine scheurtjes zijn meestal veel gevaaruijker! Een voorbeeld hiervan is te

orn-Figuur 8

dat ze zich meestal op een kritieke plaats bevinden, bijv.

in een las of een warmtebeïnvloede zone. Als ze zieh

uitbreiden, bijv. door vermoeiing, verlaten ze dit gebied

van dikwijls slecht materiaal, van residuele

trekspan-fingen en van ongunstige spanningstoestanden. Zodra

1. Harrison, J. D. en Smith, G. C.: ,,An investigation into the

effect of H2 on the fatigue-behaviour of M.S., Bar and

Weld Metal".

BWRA report no. E/9/66, 1966.

Literatuur

Ic-7

zu dan zichtbaar worden, is het gevaar meestal

gewe-ken.

Voor brosse breuken geldt trouwens hetzelfde. De

aan-wezigheid van een zichtbaar bros breukje is in zeker

op-zieht een goed teken, namelijk dat het materiaal daar ter plaatse in staat was een lopend bros breukje tot

stoppen te brengen.

Bij grote plaatconstructies staan we nu voor het dilemma dat kleine scheurtjes gevaarlijk kunnen zijn, maar dat ze niet of nauwelijks op te sporen zijn, terwijl de gemak-kelijk te vinden grotere scheuren weinig gevaar inhou-den. Een oplossing van de moeilijkheid is het volledig

voorkomen van scheurtjes, door alle lasfouten te

ver-mijden of op te sporen en te repareren, en alle discon-tinuïteiten zorgvuldig af te ronden. Hoeklassen zijn hele-maal uit den boze; die zijn meer defect dan las. Verder moeten alle lassen en brandranden geslepen worden. Dit is vanzelfsprekend een uiterst dure oplossing; bovendien niet in overeenstemming met de huidige praktijk en dus ook niet noodzakelijk. De huidige kwaliteit van

mate-rialen en lastechniek is blijkbaar voldoende orn

las-fouten, mits niet te erg en teveel, te kunnen accepteren. Voor constructies die aan wisselende belastingen worden

blootgesteid, zoals schepen betekent dit dat men dan

tevens de aanwezigheid van kleine scheurtjes (vroeg of laat) tolereren moet.

De consequentie uit deze praktijk is, dat men dan grotere

scheuren zéker kan accepteren.

In de vliegtuigbouw heeft men het heel wat rnoeilijker; daar ligt de kritische scheurlengte in de orde van grootte

van enkele centimeters. Toch is daar het fail-safe de-sign" volledig ingeburgerd (fail safe betekent dat er

failures mogen zijn, als ze de safety maar niet in gevaar

brengen).

Het merkwaardige is nu dat velen rustig in cen vliegtuig

stappen, waarin zieh misschien diverse niet zichtbare

scheurtjes bevinden, terwijl zij niet met een schip zouden reizen waarin grotere scheuren zitten. Toch zijn de

scheur-ties in het vliegtuig veel gevaarlijker dan de scheuren in

het schip.

Het zal vermoedelijk nog lang duren voordat de psycho-logische bezwaren, verbonden aan ,,crack.design" over-wonnen zullen zijn. Dit geldt vooral voor de bemanning

van schepen.

Overigens, men kan crack-design nu ook weer niet

blm-del'ings toepassen. In de voorgaande hoofdstukken is dit

al tot uiting gekomen bij het bespreken van

span-ningsvrij maken en het lassen met grote warmtetoevoer. Zehs bij gebruik van staalsoorten met eco lage scheur-stoptemperatuur zijn dergelijke constructies niet geheel

veilig. In de scheepsbouw staat men het E.G. en E.S.

lassen daarom niet toe in de berghouts- en kimgangen. Aan de kwaliteit van bet materiaal en de lassen van die platen worden dan zo hoge eisen gesteld dat eventueel elders ontstane scheuren met grote waarschijnlijkheid tot staan kornen. ,,Crack-arresters" zijn dus nog steeds ,,in" en terecht.

2. Nibbering, J. J. W. en Lalleman, A. W.: ,,Low-cycle

fatigue tests at low temperature with E.G-welded 34 mm

plates of st. 52 Nb".

S.S.L.-rapport no. 143a; 11W doc. X-593-70, mci 1970.