Väsymisprosessi

Väsymisprosessi, tai väsymisvaurioprosessi, viittaa materiaalin kykyyn sietää toistuvaa tai jatkuvaa kuormitusta ilman vurmista ylikuormitusta. Se on monimutkainen, akuutin murtuman etäisyyksi kasvava prosessi, jossa vauriot kasaantuvat ajan myötä. Väsymisprosessi voi johtaa murtumaan jopa kuormituksen keskiarvosta ja pienemmistä kuormitusresursseista kuin staattinen vetolujuus.

Prosessi jaetaan tyypillisesti kolmeen vaiheeseen. Ensin tapahtuu väsymisaloitus (initiaatio), jossa pienet halkeamat syntyvät kuormituksen seurauksena usein pinnan läheisyyteen, säröjen tai epäpuhtauksien sekä seuraamuksien, kuten jännityskeskittymien, vaikutuksesta. Tämän jälkeen alkaa halkeaman kasvu (propagaatio), jonka nopeus riippuu kuormituksesta, materiaalin mikro rakenteesta ja ympäristötekijöistä. Lopuksi halkeama saavuttaa kriittisen koon, jolloin tapahtuu äkillinen loppumurtuma, mikä johtaa rakenteen vajaaan käyttökelpoisuuteen.

Säätäviä tekijöitä ovat kuormituksen amplitudi ja keskimääräinen jännitys, taajuus, ympäristötekijät (korroosio, kuumuus, kosteus), lämpötila, pintakäsittely ja jäännöslämmöt sekä materiaalin mikro- ja makrorakenne sekä epäpuhtaudet. Materiaalit ja kuormitusolosuhteet voivat aiheuttaa erityyppisiä väsymisilmiöitä, kuten korkea- ja matalasyklinen väsymys sekä terminen väsymys.

Väsymisvastaanottoa tutkitaan käyttämällä S-N-käyriä (Wöhler-käyt) ja Halkeaman kasvua kuvaavia malleja, kuten Parisin lakia. Kaltaisissa laskuissa voidaan soveltaa Minerin vauriointilaskentaa sekä keskimääräisen jännitteen korjauksia, kuten Goodman tai Soderberg. Tunnistus ja ehkäisy perustuvat materiaalin valintaan, suunnittelun varovaisuuteen, pinnanlaatuun, jäännöslämpötiloihin ja säännölliseen tarkkailuun sekä ei-tähdentelyyn, kuten ultraäänellä tai fluoresoivalla penetranttikuvauksella.

Väsymisprosessi on keskeinen tekijä monien rakenteiden suunnittelussa ja huollossa, erityisesti lentokoneissa, autoissa ja kantavissa teräsrakenteissa.