Yorgunluk (malzeme)

Yorgunluk uygulamalı kuvvetler, titreşim, sağnakları: değişen çabalarının etkisi altında kısmının yerel hasar rüzgar ,  vb Parça, verilen kuvvetlere dayanacak şekilde tasarlanırken, kuvvetin kırılmasına neden olabilecek seviyelerden çok daha düşük seviyelerde bile değiştirilmesi, zamanla kırılmasına neden olabilir. Bir ise 6 mm çaplı  vidalı bir ton bir nesne tutabilir, diğer yandan arası bir 100 eğer kg nesnenin, asılı olan  aralıksız bir milyon kat.

Yorgunluk, zamanla değişen gerilmelerin veya gerilmelerin etkisi altında bir malzemenin yerel özelliklerini değiştiren bir süreçtir (mekanizmalar dizisi) . Bunlar çatlak oluşumuna ve muhtemelen yapının yırtılmasına neden olabilir . Yorulma, özellikle, malzemenin elastik sınırından çok daha az olabilen bir dizi gerilim değişimi ile karakterize edilir. Bir montajın yorulma arızasındaki ana aşamalar, çatlak başlatma (malzemede kusurlar mevcut değilse), çatlak ilerlemesi ve nihai arızadır.

Genellikle yorgunluktaki davranışı tahmin etmek için kullanılan parametreler ve dolayısıyla bir yapının arızalanması için döngü sayısı şunlardır: talebin genliği (yükleme veya empoze edilen gerilme), ortalama değeri, yüzey durumu ve içinde bulunduğu ortam yapı kullanılacaktır.

Yorulma çalışması teorik değerlendirmelere (özellikle kırılma mekaniği ) dayansa bile, esasen deneysel bir alandır. Bir malzemenin, bir parçanın, bir montajın, bir yapının karakterizasyonu çok sayıda test ve ölçüm gerektirir.

Tarihi

Listelenen ilk yorulma testleri , 1829'da Wilhelm Albert tarafından gerçekleştirildi ve maden şaft zincirleriyle ilgili . Gelen 1839 , Jean-Victor Poncelet ilk kez şekliyle “yorgunluğunu” kullanılır.

In 1842 , Bir aksın yorgunluk yetmezliği nedeniyle Meudon raylı felaket çalışmalarından gösterileceği gibi, William Rankine .

In 1852 , Ağustos Wöhler kırık tren akslarda çalışmalarına Ticaret Prusya Bakan tarafından yaptırılmış. Çalışmalarını Paris'te 1867 Evrensel Sergisinde sergiledi .

Gelen 1954 , SS Manşon ve LF Coffin, oligo-siklik yorgunluk (tekrar tekrar yükleme yakın çalıştı esneme sınırının malzemesi).

Metal bir parçanın yorulmasının tanımı

Bir zaman monoton stres uygulanan (bakınız gerilme (hemen hemen muntazam bir stres alanı ile) yumuşak bir numune üzerine testi) sünek metal bir ötesinde, stres değeri "olarak adlandırılan  elastik sınır  ve R" ve not e numune ile geri dönüşümsüz olarak deforme olmaya başlar , plastik deformasyon . Bir R daha stres daha yüksek uygulamak üzere devam eder e test parçası üzerinde, bu plastik deformasyon sonra hasar ve hasara neden stres “çekme direnci” ve belirtilen R çağrılan bir kırılma oluşturur m  ; R, m, R 'daha büyük olan e .

Bir parça tasarlarken, böylece gerilme R hiçbir zaman biri aşmayacak şekilde boyutlandırılmıştır e kısmının geri dönüşü olmayan bir deformasyonuna neden olur ve bu yüzden sistemin çalışmasını bozacağı. Öyleyse a fortiori böylece stres asla R m'yi aşmaz .

Bununla birlikte, bir siklik yükleme durumunda, bir R daha düşük stres değerleri için bir kaç çevrim sonrasında yırtılması (birkaç milyon döngüleri), gözlemler e .

Bazı malzemeler az R daha bir dayanıklılık sınırı e  : stres bu dayanıklılık sınırından daha az olması durumunda, bir kopma “asla” (. Genel olarak daha fazla yüz milyon devir daha az değil, makul bir süre içinde) gözlenir. Bazı malzemelerin dayanıklılık sınırı yoktur ve arıza her zaman, düşük gerilme değerleri için bile, az ya da çok uzun döngü sayısından sonra meydana gelir; bu özellikle alüminyum alaşımları için geçerlidir.

Bir parçayı tasarlarken, farklı bozunma modlarını göz önünde bulundurmalıyız:

• birden az döngüde statik kopma veya kopma (yükün artan fazında, yani sinüzoidal tipte bir döngü durumunda döngünün ilk çeyreğinde);
• sonraki işleme müdahale edebiliyorsa kalıcı deformasyon ( plastik deformasyon );
• ve yapı tekrarlanan baskılara maruz kalırsa:
  • 50.000'den az döngüde arızaya yol açan yüklemeler için oligosiklik yorgunlukta arıza;
  • 50.000 döngünün ötesinde geleneksel yorgunluk.

Bu farklı arıza modları, azalan genlik yüklerine karşılık gelir.

Yorulma hasarı, öncelikle değişen gerilmelerin en güçlü olduğu alanlarda, yani stres yoğunluğunun (delikler, çentikler ...) olduğu alanlarda meydana gelir.

Kırık yüzeyi mikroskop altında gözlemlersek, tipik bir fasiyeye sahibiz: Genel olarak her gerilmede çatlağın yayılmasına karşılık gelen paralel çizgiler, ardından son kırılmaya karşılık gelen bir yırtılma bölgesi görürüz.

Çatlak başlama ömrü, yayılma ile karşılaştırıldığında genellikle uzun bir süreye sahiptir. Düzgün bir örnek olması durumunda, yayılma ömrü düşüktür. Öte yandan, bir yapı için yayılma kısmı önemli olabilir. Bu nedenle iki aşama vardır:

• malzemenin tespit edilemeyen bir şekilde hasar gördüğü başlama aşaması (Not: yaygın olarak kullanılan bir anglicism "başlama" dır; bu terimin kullanımı Fransızca'da yanlıştır); hizmet ömrü, genellikle, malzemenin minimum özelliklerinin uygun bir seçimiyle, yapıda tespit edilebilir bir çatlağın başlaması olarak tanımlanır;
• arızadan önce denetimlerin gerçekleştirilebildiği çatlak yayılma aşaması; burası kırılma mekaniği alanıdır .

Düzgün bir çekme-basma test numunesinin yorulma hatası

Düzgün çekiş ve kompresyon test tüpü durumu temel bir durumdur. Gerçek durumlardaki kopmalar daha karmaşıktır, ancak bu çalışma temel kavramların anlaşılmasına ve kavramların uygulanmasına izin vermektedir.

Tamamen değişen tek eksenli yorulma testi

Basit bir gerilme testi , bir ilerleyen ve kesintisiz bir şekilde bir test parçası gerilme oluşur. Bu test, diğerlerinin yanı sıra, malzemelerin direnç çalışması için iki temel değer verir  :

• gerilme mukavemeti veya gerilme mukavemeti , R, m,  ;
• sünek malzemeler için elastik sınır R e .

Yorgunluğu incelemek için, test parçası döngüsel, sinüzoidal bir şekilde değişen bir gerilime tabi tutulur. Temel test, "tamamen değişen" strese sahip bir testtir ve "R = -1'de test" adı verilir (aşağıya bakın): maruz kalınan stres şu şekle sahiptir:

σ(t)=σ-de×günah⁡(2πft){\ displaystyle \ sigma (t) = \ sigma _ {\ mathrm {a}} \ times \ sin (2 \ pi ft)}

ile:

• σ a  : σ ile karıştırılmaması gereken gerilme genliği, gerilme aralığı (Δσ = 2.σ a );
• ƒ: frekans.

Bir dolayısıyla σ stres genliği düzeltir bir , ve N rüptürü meydana kaç siklus sonunda bir bakar. Bu döngü sayısı normalde frekanstan bağımsızdır; ancak,

• yüksek bir frekans, özellikle paslanmaz çelikler ve polimerler için numunenin ısınmasına neden olabilir ve bu nedenle bir yandan beklenen bir kopmaya neden olabilir, bu nedenle dayanıklılık sınırı frekansla birlikte azalır;
• Öte yandan korozyon varlığında yavaş bir frekans kimyasal reaksiyonların gerçekleşmesine izin verir, dayanıklılık sınırı bu nedenle frekansla artar.
• bazı malzemeler yorgunluk-sünme etkileşimlerine karşı hassastır, bu nedenle frekansa bağımlıdır (daha kesin olarak, bir gerilim eşiğinin üzerinde geçirilen süreye), bkz. yorulma-sürünme paragrafı.

Genel olarak, kendimizi bir çelik için 30 Hz ve bir polimer için 3  Hz ile sınırlandırıyoruz  .

Test parçası rastgele kırılıyor. Eğer σ alternatif stres düzeyine deneme yapmanız belirli bir malzeme için, böylece edilir verilen: en az üç, ideal olarak yirmi. Uygulamada 3 ila 9 test parçası kullanılır.

Bu denemenin ana sınırlaması, süresi ve maliyetidir. Bu nedenle, genellikle test parçalarının sınırlı bir sayıda ve on milyon devir (10 sonra testleri durdurma 7 test parçası kırılmış olsa bile) ( censorship ): 30  Hz , bir test 3.3 x 10 sürer 5  s, yani üç gün ve yirmi saat. Polimerler için, daha düşük olan frekans, genel olarak, bir milyon döngü (10 sınırlıdır 6 ).

Bir metal için, kırılacak döngü sayısı N, normal bir yasayı izleyen rastgele bir değişkendir  ; bir polimer için, bir Weibull yasasını izler . Testler σ çeşitli stres genlik seviyelerinde yürütülmektedir bir . Bu nedenle, arızaya giden ortalama döngü sayısını σ a , N (σ a ) ' nın bir fonksiyonu olarak belirleyebiliriz . Bu noktalar, bir log-lineer diyagram ( N için 10 bazında logaritmik ölçek , σ a için lineer ölçek ) üzerine yerleştirilir ve Wöhler eğrisini veya SN eğrisini (gerilmeye karşı döngü sayısı) oluşturur .

Bu gibi, bu eğri malzemesinin davranışıyla ilgili bir trend verir, ama bir kullanımı: biz σ bir alternatif gerilim düzeyi için biliyoruz bir test parçalarının yarısından az eden bir dizi devir için ara verdi N (o a ), diğer yarısı, N (σ a ) ' dan büyük birkaç döngü için . Pratikte, bu nedenle, olasılıklı bir Wöhler eğrisi veya PSN eğrisi (olasılık, stres, döngü sayısı) kullanıyoruz  : bir dizi hata seçiyoruz - tipik olarak% 5 veya% 10 -, verilen bir güven seviyesi (1 - γ) seçiyoruz - tipik olarak% 90 ila 95 - ve karşılık gelen eğriyi çizeriz. Örneğin,% 5'ten daha az kopmaya sahip olduğumuzu% 95'e garanti ettiğimiz eğriyi çizeriz; böyle bir eğri bazen "tasarım eğrisi" olarak adlandırılır.

Bu test malzemeyi nitelendiriyor .

Bu malzemeden yapılan bir parça tek eksenli bir gerilim durumundaysa ve tamamen değişen bir yorgunluğa maruz kalıyorsa, bu eğri, parçanın ömrünü tahmin etmek veya parçayı bir ömre sahip olacak şekilde boyutlandırmak için kullanılabilir.

Yüzler ve yırtılma mekanizması

İdeal bir testte, numunenin kırık fasiyesinin iki bölgesi vardır: ipeksi görünümlü bir bölge ve kaba görünümlü bir bölge. İki bölge, gerilim eksenine dik bir düzlemdedir. Kopma aslında üç aşamadan oluşur:

• ilk aşama: çatlakların çimlenmesi; dışarıdan hiçbir şey görmüyoruz, ancak malzeme yerel olarak yavaş yavaş değişiyor; çatlaklar daha sonra, bir yer olan, oluşturulan maksimum kesme düzlemi ile, 45 ° numunenin ekseninden;
• ikinci aşama: çatlak yayılımı; en az bir çatlak kritik bir boyuta ulaşır ve yayılmaya başlar; yayılma, gerilmeye dik bir düzlemde gerçekleşir (açılma modu I);
  çatlak her döngüde ilerler, bu nedenle kırılma yüzlerine bir taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile bakarsak, yorgunluk çizgileri görürüz; yük değişirse (makinenin durdurulması ve yeniden başlatılması, hızın değiştirilmesi), çıplak gözle görülebilen, durma çizgisi adı verilen daha belirgin bir çizgi üretilir;
• üçüncü aşama: ani kopma; çatlak, parçanın dirençli bölümünü azalttı, gerilim gerilme mukavemetini aştı;
  bu nedenle, malzeme sünekse kaplara veya kırılma kırılgan ise yarılma düzlemlerine veya tanecik sınırlarına sahip olan son bir kırılma bölgesi vardır.

Wöhler eğrisinin modellenmesi

Stres büyüklüğü gerilme mukavemeti R yakınsa m , birkaç döngü sonrasında test parçası kırılır; "yarı statik" olarak bilinen kopmadan söz edilir. Statik kopma, 1/4 döngüdeki bir kopmadır (ilk yükselme sırasında).

Gerilme genliği elastik limit R e'nin büyüklüğündeyse, az sayıda döngüden sonra başarısızlık vardır. Wöhler eğrisinin sol kısmıdır, oligo-döngüsel yorgunluktan bahsediyoruz.

Daha sonra N ≥ 50.000 (5 x 10, belirli bir döngü sayıda başarısızlık alan gelir 4 ). Wölher eğrisinin azalan bir kısmı ve ardından yatay bir asimptot vardır. Σ sınır değeri olan "dayanıklılık sınır" olarak adlandırılır ve σ gösterilir D .

Eğriyi tanımlamak için genellikle analitik bir model N = ƒ (σ a ) kullanırız - Wöhler eğrisinin σ a = ƒ (N) olduğuna dikkat edin . Bir model kullanmak, eğriyi belirlemek için gereken deneme sayısını azaltır ve bir grafikteki okuma yerine formülün kullanılmasına izin verir. Bu, özellikle bir bilgisayarda hesaplama durumunda ilginçtir.

Eğrinin orta kısmını (çok sayıda döngü ile yorgunluk) tanımlayan en basit model olan Basquin modelini örnekleme yoluyla muhafaza edelim:

N⋅σ bir m = C log (N) = log (C) - m ⋅log (σ a )

burada C ve m , regresyon tarafından belirlenen parametrelerdir  ; 1 / m , 0.1 mertebesindedir. Wöhler eğrisinin yarı logaritmik bir ölçek kullandığını, Basquin yasasının ise log-log ölçeğinde bir çizgi verdiğini unutmayın.

Dayanıklılık sınırı ve ötesi

Ekonomik nedenlerden dolayı, test döngüsü belirli bir süre geçtikten sonra kesilir gördük (genellikle 10 ila 6 ya da 10 7 ). Sansürlü test yöntemi, dayanıklılık sınırının belirlenmesine izin vermez. Ek olarak, bazı malzemeler sıfır olmayan bir yatay asimptot gösterirken (özellikle çelikler), diğer yandan Wöhler eğrisinin diğerleri için (özellikle alüminyum alaşımları) 0'a doğru eğilimli olduğu izlenimine sahiptir. Açıktır ki, bazı malzemeler sıfır dayanıklılık sınırına sahiptir, dayanıklılık sınırına sahip değildir ve düşük bile olsa belirli bir gerilim genliği için parçanın yorulma nedeniyle kırılması için "yeterince uzun" beklemek yeterlidir.

Geleneksel sınır aslında döngü belirli bir sayıda, 10 sonra herhangi bir kopma olan en yüksek stres olarak tanımlanır 6 ya da 10 , 7 . Bunu saptamak için, kesilmiş test yöntemleri genlik σ stres yani bu, kullanılan bir değiştirilir iki test arasındaki.

Σ dayanıklılık sınır D (aşağıya bakınız), belirli bir gerilme oranı R için tanımlandığı gibidir, ve döngü geleneksel bir sayıda (tipik olarak 10 6 ya da 10 7 ).

Çelikler için, σ D'yi R m'nin bir fonksiyonu olarak veren ampirik bir formül vardır . İlk niyette, kişi şunları kullanabilir:

• çelikler için, σ D = R m / 2;
• alüminyum alaşımları için, σ D = R m / 3.

Nedenle malzeme 10'dan fazla at davranacağını nasıl bilinmemektedir 6 veya 10 7 döngüleri, ama soru ilgili? Aslında çoğu parça, en iyi ihtimalle dakikada birkaç, hatta saat veya gün başına birkaç baskıya maruz kalır; on milyon döngü on yılı veya bin yılı temsil eder. Öte yandan, teşvikten frekansı saniyenin düzenin ise, 10 7 döngüleri birkaç ay temsil buna örnek yüz milyon (10, döngü daha çok sayıda ilgilenen edilecek meşru 8 ).

Seçilen geleneksel döngü sayısı ötesinde (tipik olarak 10 6 veya 10 7 ya da hatta 10 8 ), sistem (yorgunluk daha başka bir mekanizma ile bir başarısızlık karşılaşacaklardır yani, bir "sonsuz" ömrü, sahip olduğu kabul edilir aşınma , korozyon , kaza).

Diğer sinüzoidal gerilmeler

Gerçek talebin tamamen değişmesi için hiçbir neden yoktur. Bu nedenle testler sinüzoidal bir gerilimle, ancak sıfır olmayan bir ortalamayla gerçekleştirilir. Daha sonra şunları tanımlarız:

• σ min ve σ max gerilmenin aldığı uç değerler;
• σ m ortalama değer, σ m = (σ min + σ maks ) / 2;
• gerilme oranı R = σ min / σ max .

Tamamen değişen bir gerilme için, σ m = 0 ve σ min = - σ max , dolayısıyla R = -1 olur.

Kelime açısından bakarsak,

• σ max <0 olduğunda oluklu basınç gerilmeleri ; o zaman R> 1'e sahibiz
• σ max = 0 olduğunda tekrarlanan sıkıştırma gerilmeleri ; o zaman R = + ∞ olur;
• σ min <0 ve σ max > 0 olduğunda değişen gerilim ; dönüşümlü olarak çekiş ve sıkıştırma vardır ve bu nedenle R <0;
• σ min = 0 olduğunda tekrarlanan çekme gerilmeleri ; o zaman R = 0'a sahibiz;
• σ min > 0 olduğunda dalgalı çekme gerilmeleri ; o zaman 0 <R <1 olur.

Oluklu basınç gerilmelerinde testlerin nadiren yapıldığına dikkat edilmelidir çünkü başarısızlık olasılığı düşüktür. Ek olarak, test makinesinin σ = 0 düzeyini uygun şekilde ayarlamak zordur, tekrarlanan gerilme gerilmelerindeki testler genellikle hafif pozitif bir σ min , tipik olarak R = 0.1 ila 0.5 ile gerçekleştirilir. R = 1 değeri, basit bir çekme testine karşılık gelir (σ min = σ max = σ m ).

Testler, bu nedenle R, belirli bir değeri için gerçekleştirilmektedir ve σ çeşitli genlik düzeyde olan bir .

Gerilme oranı R her zaman bir Wöhler eğrisinde görünmelidir.

Böylelikle her gerilme oranı için bir dayanıklılık limiti belirleyebiliriz, σ D (R).

Visko-elastik ve -plastik malzemelerin asimptotik davranışı

Viskoelastik ve viskoplastik malzemelerin bir akma noktası vardır . Stres döngüsü sırasında kişi bu sınırı asla aşmazsa, elastik davranıştan söz edilir.

Elastik sınır aşılırsa, stabilize yanıtlar olarak da adlandırılan birkaç asimptotik davranışımız olabilir:

• adaptasyon (sallanma)  : sertleşme , kişinin hızlı bir şekilde elastik bölgeye dönmesine neden olur;
• konaklama: Biri bir döngü vardır histeresisi tarafından Bauschinger etkisi  ;
• cırcır döngüsü  : deformasyon her döngüde artar, bu oligosiklik yorgunluğun alanıdır.

Haigh ve Goodman diyagramları

Belirli bir R değeri için dayanıklılık sınırının belirlenmesi birçok deneme ve dolayısıyla zaman ve paraya yatırım gerektirir. Bununla birlikte, belirli malzeme sınıfları için bir yasa belirlemeyi mümkün kılan birçok veriye sahibiz.

σ D = ƒ (R)

R m ve σ D (R = -1) değerlerinden. Bu ilişki daha çok formda ifade edilir

σ D = ƒ (σ m )

sahip olduğumuzdan beri

σ m = σa⋅ (1 + R) / (1 - R).

En basit biçim Goodman'ın doğrusal yasasıdır:

σ D (R) = σ D (R = -1) ⋅ (1 - σ m / R m )

Bu eğriyi takip ediyoruz

• ya bir diyagramda (σ m , σ a ), Haigh diyagramıdır;
• ya bir diyagramda (σ m , σ min veya maks ), bu Goodman diyagramıdır.

Dolayısıyla, belirli bir durumda isek (σ m = a  ; σ a = b ),

• ( a  ; b ) noktasını Haigh diyagramına yerleştiririz; eğer bu nokta doğrulama bölgesinde ise (σ D = ƒ (σ m ) eğrisinin altında ), o zaman tasarımın doğrulandığını, parçanın direnç göstereceğini düşünüyoruz;
• ya da Goodman'ın diyagramında [( a  ; a - b ) parçasını yerleştiririz ; ( a  ; a + b )] - ( a  ; a ) - noktasında ortalanmış segment ; Segment, doğrulama bölgesi içindeyse (σ min = ƒ (σ m ) ve σ max = ƒ (σ m ) eğrileri arasında ), o zaman tasarımın doğrulandığını ve parçanın direnç göstereceğini düşünürüz.

Eğer nokta güvenlik bölgesinin dışındaysa, sınırlı ömür bölgesi olan “tehlike bölgesi” içindeyiz (N kesinti <10 7 ); tasarım doğrulanmamış.

Böylece Haigh ve Goodman'ın diyagramları, saf alternatif çekiş ve kompresyonda (R = -1) elde edilen sonuçların tüm durumlara (tüm R değerleri) ekstrapolasyonunu mümkün kılar.

Misal

İlk örneğe geri dönelim . Bir S235 çeliğimiz var, bu nedenle garantili bir elastik sınır R e = 235  MPa ve garantili bir gerilme mukavemeti R m = 370  MPa (bkz. Wikilook Çelikler, Fiziksel özellikler, Genel amaçlı çelikler ). Dayanıklılık sınırı aşağıdaki formülle verilir ( bkz.Dayanıklılık sınırı> Çelik durumu ):

σ D (R = -1) = 370⋅ (0,50 - 1,3⋅ × 10 −4 ⋅370) = 171  MPa .

Çubuğun maruz kaldığı maksimum stres değerinde:

σ max = F / S = 23 400/100 = 234  N / mm 2 .

Tekrarlanan bir çekiş (R = 0) durumundayız, bu nedenle elimizde:

σ m = σ a = σ max / 2 = 117  MPa .

Goodman'ın lineer yasası kullanılırsa, bu durumda dayanıklılık sınırı şu değerdedir:

σ D (R = 0) = 171⋅ (1 - 117/370) = 116,9  MPa .

Σ a ≃ σ D (R = 0) olduğunu görüyoruz, bu nedenle sınırsız ömür bölgesinin sınırındayız.

Daha karmaşık stres durumları

İlginç olsa bile, çekiş ve sıkıştırmada pürüzsüz test numuneleri durumu birkaç gerçek durumu temsil eder. Yukarıdaki hususları , diğer gerilim türlerine maruz kalan kiriş tipi parçalara genişletebiliriz .

Diğer basit taleplerin durumu

Yorulma testlerinin gerçekleştirilebileceği başka basit gerilmeler de vardır: dönüşümlü düzlem bükme, bükme-dönüş - dönen bir şaft statik bükülmeye maruz kalır, uzunlamasına lifler her dönüşte gerilme ve sıkıştırmaya maruz kalır -, dönüşümlü büküm.

Testleri bir malzeme sınıfı üzerinde toplayarak, bir referans durumun dayanıklılık sınırından belirli bir gerilim için dayanıklılık sınırını hesaplamayı mümkün kılan katsayılar belirlenebilir. Örneğin, çelik için tek eksenli çekiş sıkıştırmasını referans alarak:

• burulma: 0.67 × σ D  ;
• çekiş sıkıştırma: 1 × σ D  ;
• rotasyonel eğilme: 1.11 × σ D  ;
• Bükme düzlemi: 1.17 x σ D .

Nitel açıdan bu anlaşılabilir bir durumdur:

• burulma mukavemeti, çekme mukavemetinin yaklaşık yarısı değerindedir (Tresca kriterine göre 1 / √3 = 0,577 katı), ancak nötr elyafa yakın lifler çok az gerilim görür, bu nedenle bir kusur bulunursa, bu neden olmaz katsayısının "yükselmesini" sağlayan bir çatlak;
• döner bükme durumunda, dış lifler çekme-sıkıştırmaya maruz kalır, ancak nötr liflere yakın lifler çok az gerilim görür, bu nedenle bir kusur varsa, katsayı "Yükselt" yapan bir çatlamaya neden olmaz;
• düzlemsel bükme: döner bükme durumunda, dışarıda bulunan tüm lifler gerilir; Düzlemsel bükülme durumunda, dışarıda bulunan ancak nötr tabakaya yakın olan lifler çok az gerilir, bu nedenle buradaki kusurlar çatlamaya neden olmaz ve bu da katsayının "yükselmesine" neden olur.

Stres konsantrasyonlarını hesaba katmak

Bir kiriş ani bir kesit değişimi gösterdiğinde, gerilim değişir ve yerel olarak nominal gerilimden daha yüksek değerler alır (bu, kuvveti bölüme veya efor momentini ikinci dereceden momentle bölerek hesaplanır). Bu, gerilim konsantrasyon katsayısı K t ile dikkate alınır  :

σ max = K t × σ adı

Yorulma durumunda, bu tür şekillere (oluk, omuz, delme vb.) Sahip numuneler üzerinde testler yapılabilir. Bir stres konsantrasyonu katsayısı K f bulunduğunda az K'den daha t benzer koşullar altında gerçekleştirilir. Geleneksel olarak, katsayı dayanıklılık sınırına uygulanır:

σ D = σ D0 / K f ile K f ≤ K t

σ D0 , referans geometri için dayanıklılık sınırıdır (düz bir numunede).

Çelikler için duruma göre çizelgeler vardır.

Kirişin boyutlarını dikkate alarak

Yorulma testleri, tipik olarak 6 ila 10 mm olan küçük çaplı test numuneleri üzerinde gerçekleştirilir  . Bir parçanın enine kesiti daha büyükse, hizmet ömrü daha kısadır:

• bir yandan, temerrüde düşme olasılığı daha yüksektir;
• öte yandan, burulma veya bükülme durumunda, belirli bir stres seviyesine maruz kalan çevre daha büyüktür, bu nedenle bir kusur olma riski daha da artar.

Bu, bir abaküs tarafından sağlanan K e ölçek faktörü ile dikkate alınır :

σ D = K e × σ D0 .

K e faktörü , çapın azalan bir fonksiyonudur.

Yüzey durumunu dikkate alarak

Çatlamanın başlaması yüzeyde meydana gelir ve yüzey kusurları gerilme konsantrasyonları oluşturur. Bu nedenle , ortalama pürüzlülüğe R a değil , toplam pürüzlülüğe ( R t) bağlı olan bir K s yüzey koşulu faktörü tanımlıyoruz  :

σ D = K s × σ D0

Test numuneleri özenle işlendiğinden K s faktörü 1'den küçüktür. Bir abaküs tarafından R t ve gerilme mukavemeti R m'nin bir fonksiyonu olarak verilir .

Basitleştirilmiş hesaplama yöntemi

Yukarıdaki hususlar, aşağıdaki koşullar altında yorulmaya maruz kalan bir parçanın kullanımını basitçe doğrulamayı mümkün kılar:

• parça tek eksenli bir gerilme durumuna maruz kalır; tipik olarak, basit gerilimlere maruz kalan bir kiriştir: çekiş-sıkıştırma, düzlemsel bükme, döner bükme, burulma;
• parça, ortalama gerilme σ m ve gerilme genliği σa bilinen bir sinüzoidal fonksiyonla tanımlanabilen gerilmelere maruz kalır  ;
• parça, gerilme koşulları altında dayanıklılık sınırı bilinen bir malzemeden yapılmıştır (gerilme tipi, σ m ve verilen σ a ); veya
  parça çelikten yapılır ve gerilme mukavemeti Rm bilinir .

Basitleştirilmiş yöntem şunlardan oluşur:

• referans geometri için Haigh diyagramını çizin (6 mm'lik düz test parçası  );
• gerilim konsantrasyon faktörlerini K f , pürüzlülüğü K s ve ölçeğini K e belirlemek  ;
• σ mn ve σ an nominal gerilmeleri belirlemek  ;
• düzeltilmiş gerilmeleri belirle
  • σmvs=Kf×σmdeğil{\ displaystyle \ sigma _ {\ mathrm {mc}} = \ mathrm {K_ {f}} \ times \ sigma _ {\ mathrm {mn}}},
  • σ-devs=KfKeKs×σ-dedeğil{\ displaystyle \ sigma _ {\ mathrm {ac}} = {\ frac {\ mathrm {K_ {f}}} {\ mathrm {K_ {e}} \ mathrm {K_ {s}}}} \ times \ sigma _ {\ mathrm {an}}} ;
• (σ mc  ; σ ac ) noktasını Haigh diyagramına yerleştirin.

Burada K i katsayılarının σ m ve σ a gerilmelerine uygulandığı ve σ D sınırına uygulanmadığı fark edilir , bu da Haigh diyagramının izini sürmek zorunda kalmaz . Ayrıca, yalnızca gerilim konsantrasyon faktörünün ortalama gerilimi σ m etkilediğine dikkat edin .

Bu yöntem, bir tasarımın - nokta güvenlik bölgesinde olması gerekir - ve mesafeden viraja kadar bir güvenlik katsayısının belirlenmesini mümkün kılar. Ancak beklenen bir yaşam süresinin belirlenmesini mümkün kılmamaktadır.

Değişken genlikli yükler

Üç eksenli stres altında yorgunluk

Yorgunluk tahmini

Bir yapının yorulma ömrünü tahmin etmek karmaşık bir sorundur.

İlk sorun, malzemenin karakterizasyonudur. Bunun için, tekrarlanabilir olması için gerçekleştirmesi kolay olması gereken testler kullanılır . Bu, "yorulma eğrileri" oluşturmayı mümkün kılar.

İkinci sorun, stresin karakterizasyonudur; çalışmanın özellikleridir. Malzeme testlerinin tek yönde tek bir sinüzoidal yükleme kullandığına dikkat edin; ancak, havacılık örneğini alırsak, bir dizi kalkış ve iniş, tek eksenli bir sinüzoidal yasadan başka bir şey değildir.

Üçüncü sorun, yapının karakterizasyonudur. Bu, bir test tüpünden çok farklıdır… Dış yüklemeyi (yukarıdaki istek) bilerek, yapı içindeki (gerilme alanı) gerilme durumunu gösterebilmek gerekir. Genellikle malzemelerin direncini kullanırız (yapısal tasarım). En basit durumlarda, hesaplamaları elle yapabilirsiniz, ancak genellikle bir bilgisayar hesaplaması kullanmanız gerekir. Sonlu eleman yöntemi (FEM veya İngilizce FEM) en çok kullanılan bir yöntemdir, ancak en basit durumda analitik yöntemler de bulunmaktadır, sınır integral denklem metodu (El veya İngiliz BIE olarak). Fotoelastisimetri ve gerinim ölçerler gibi deneysel yöntemler de kullanılmaktadır .

Ancak yapının durumu aynı zamanda üretim sürecini de içerir. Özellikle, kristallerin (metaller için) veya zincirlerin (polimerler için) düzenlenmesi anizotropiler (gerilim yönüne bağlı olarak farklı davranışlar) yaratır. Ayrıca, üretim süreci artık gerilimler oluşturabilir. Bu nedenle, kütle içinde işlenmiş bir dökümhane, dövme veya makine parçası kökten farklı bir davranışa sahiptir. Başlangıç ​​gerilme alanı, üretim sürecinin simülasyonu ile belirlenebilir, X-ışını kırınım ölçümü ile doğrulanabilir.

Son olarak, yapının bir geçerlilik kriteri oluşturmak gerekir. Yorulma başarısızlığı, geniş bir dağılım gösteren istatistiksel bir olgudur. En basit durumlarda, yapıdaki maksimum eşdeğer gerilimin malzemenin yorulma eğrisinden belirlenen bir sınırlayıcı değeri aşmaması gerektiği söylenebilir. Ancak bu kriter her zaman yeterince kesin değildir.

Hesaplamaların testlerle doğrulanması önemlidir. Elbette komple sistemler üzerinde testler yapabiliriz, ancak bu süreç genellikle karmaşık ve uzundur. Alt montajlarda veya hatta izole edilmiş parçalar üzerinde testler yapmak daha önemlidir: bu, hızlandırılmış testlerin gerçekleştirilmesini mümkün kılar. İvme, gerçek yükten daha hızlı döngüleri içerebilir, ancak aynı zamanda eforun artması da olabilir. Bir kişi ayrıca karmaşık bir gerilimi daha basit bir gerilimle değiştirebilir, ancak eşdeğer bir hasar yaratarak, yorgunluk eşdeğerliğinden söz edilir [1] .

Yorulma eğrileri

Ortalama gerilimi ve değişen gerilimi ile karakterize edilen periyodik bir yüklemeye sahip pürüzsüz numuneler üzerinde yapılan testler, malzemenin kırılması için döngü sayısının tanımlanmasını mümkün kılar. Bir döngünün 1 / 4'ündeki kırılma, çekme testinin sonucudur , maksimum gerilim (ortalama gerilim artı alternatif gerilim) çekme kopma sınırına ulaştığında elde edilir. Wöhler eğrileri biçiminde, alternatif gerilimin genliği Sa ve N arasındaki ilişki, her bir R değeri için arızaya kadar geçen döngü sayısı, yük oranı; Gerekirse testler farklı sıcaklıklar için tekrarlanır. Yük oranı R, minimum gerilim (ortalama gerilim eksi alternatif gerilim) ile maksimum gerilim (ortalama gerilim artı alternatif gerilim) arasındaki orandır. Dayanıklılık sınırı SaD (R), altında yorgunluğun olmadığı alternatif gerilim değeridir.

İkincil faktörler, arızaya kadar olan döngü sayısını etkiler N: yüzey durumu, yükleme sıklığı, test parçasının boyutu. Ayrıca, testten önce yorulma testi numunelerinin hazırlanması, sonuçların güvenilirliğini garanti altına almak için çok önemlidir. Bir yapının ömrünü incelemek için, uzun ömür sağlayan (> 50.000 döngü) yüklemeler için Wöhler eğrileri kullanılabilir. En kısıtlı yerlerde değişken yerel tensörü ortalama ve tek eksenli eşdeğerine dönüştürmek için gereklidir. Daha yoğun yüklemeler için, cırcır etkisine yol açan yorulma testleri (her döngüde kalıcı deformasyonların birikmesi), empoze edilen zorlamadaki testler bunların yerine geçer. Ortalama gerilimi ve değişken gerilimi ile karakterize edilen, elde edilen stabilize stres döngüsü, oligosiklik alanda Wöhler eğrilerinin uzatılmasını mümkün kılar. Bir yapı veya çentikli bir test tüpü söz konusu olduğunda, değişken lokal tensörün en yüklü yerlerde ortalama ve tek eksenli eşdeğerine dönüştürülmesi gerekir. Dahası, eğer plastikleşme varsa, bunun sadece yerel olduğu varsayılır: stabilize olan ve ortalama tensörü ve onun alternatif tensörü ile karakterize edilen bir gerilim döngüsü vardır; Böylece ortalama tensör, elastik limitin lokal olarak aşılması durumunda bir başlangıç ​​gerilim durumundan (artık gerilimler) ve plastiklikten etkilenebilir.

Alternatif tensörün ilgili değişmezi, sapmasının ikinci değişmezi, yani von Mises kısıtlamasıdır . Ortalama tensörün ilgili değişmezi onun izidir: aslında, eksenel simetrik test numuneleri üzerindeki burulma testleri, plastisite olmadığında, burulma yorgunluğunun ortalama burulmadan etkilenmediğini gösterir. Hidrostatik basınç plastisiteyi etkilemezken pozitif olduğunda yorgunluk ömrünü azaltır. Yorgunluğa neden olan yük varyasyonudur, yorgunluk hasarı ortalama hidrostatik basınç ile ağırlıklandırılır (ortalama tensör izinin üçte birine eşittir).

Yukarıdaki varsayımlara uygun olarak, periyodik bir yükleme elde etmek gerekir.

• Von Mises anlamındaki maksimum gerilme seviyesi düşükse (elastik sınırın% 60'ından az), kuvvet içinde bir döngüsel yükleme gerçekleştirilir.
• Von Mises anlamındaki maksimum gerilme seviyesi daha yüksekse, periyodik yükleme sırasında kararlı bir gerilme-gerinim döngüsü elde etmek için uygulanan gerinimde testler yapılır.

Yukarıda tanımlanan değişmezlerle karakterize edilen ortalama ve değişen stabilize döngüler, gerçekleştirilen yorgunluk testinin başarısızlık döngülerinin sayısı ile ilişkilidir.

Yorulma kriterleri, iki değişmezin bire bir şekilde birbirine bağlanması için birleştirilmesinden oluşur.

Yorulma eğrileri, farklı yük oranları için (minimum gerilim / maksimum gerilim oranı), bire bir yolla arıza döngülerinin sayısını alternatif bir gerilim genliğine bağlar.

Yorulma kriterinden, yük oranı ne olursa olsun, etkili bir alternatif gerilme, arıza döngülerinin sayısı ile ilişkilendirilebilir: birleşik bir eğri elde edilir.

Yorulma testleri genellikle düz numuneler üzerinde yapıldığından, değişmezlerin tanımı açıktır.

Herhangi bir yükleme için, aşağı yukarı gerekçelendirilmiş ayrışmalar ( yağmur akışı sayma tipi algoritma ), eşdeğer döngüsel yüklemeler elde etmeyi mümkün kılar.

Genel olarak, salınımların periyodunun ve kesin biçiminin, kabul edilebilir döngü sayısı üzerinde hiçbir etkisi olmadığı kabul edilir. Öte yandan, yorulma mukavemeti birçok faktör (yüzey durumu, rastgele nedenler, yük tipi, sıcaklık, gerilme konsantrasyonu,…) tarafından değiştirilebilir ve bu da ek çalışmalara yol açabilir.

Yorulma testi sonuçlarının istatistiksel yönünü hesaba katmak zorunludur.

• Oligosiklik alanda, ömürler genellikle 1/741 olasılığa karşılık gelen ortalama değer eksi üç standart sapma ( m - 3σ) ile veya 1/1000 olasılığa karşılık gelen B0.1 tanımı ile tanımlanır. havacılık endüstrisinde olduğu gibi kontrollü üretim süreçleri için, ortalama değer ile m - 3σ ile tanımlanan minimum değer arasında 2,5 faktörü vardır .
• Geleneksel yorgunlukta dağılım, oligosiklik yorgunluğun dağılımından daha büyüktür.
• Minimum SaD dayanıklılık sınırı, ortalama dayanıklılık sınırının yaklaşık yarısıdır.

İkincil faktörler (yüzey durumu, artık gerilmeler, vb.), Hizmet ömrü arttığında daha güçlüdür.

Yapısal detayların yorulması

Yapının analizi, stres durumlarının her noktada incelenmesini gerektirir. Genellikle geometrideki varyasyonlar (çentikler, delikler vb.) Sırasında yorgunluğu sınırlayan durumlar elde edilir. Bu nedenle yaşam beklentisi, yapısal ayrıntıların incelenmesine dikkat edilmesini gerektirir.

En ayrıntılı hizmet ömrü tahmin yöntemi, yukarıda açıklandığı gibi yalnızca düz numunelerde, empoze edilen kuvvetle veya empoze edilen zorlamada elde edilen yorulma sonuçlarını kullanır. Bir yapıyı analiz etmek için, yapının ilk gerilme durumundan kaynaklanan, yükleme nedeniyle plastikleşme durumunda gerilmenin yeniden dağılımından kaynaklanan yerel döngüsel gerilme durumunun ve yüklemenin aynı süreyi verdiği varsayılır. aynı gerilim döngüsüne maruz kalan pürüzsüz bir test parçasınınkinden daha çatlak başlangıcı. Çoğunlukla test numunesinin çatlak yayılma ömrünün ihmal edilebilir olduğu varsayılır.

Yapıların hesaplanması, ortalama gerilme ve elastik modda hesaplanan alternatif gerilme ile karakterize edilen her bir döngüye veya gerekirse, ortalama gerilimi değiştirecek olan plastikliğe bağlı gerilmenin yeniden dağıtılmasına erişmeyi mümkün kılar. Karşılık gelen SN eğrileri genel olarak, yük oranının her bir değeri için aşağıdaki denklemle açıklanır; burada a ve k, verilen orta gerilim ve sıcaklıkta malzemenin karakteristik değerleridir ve açıklanan pürüzsüz numuneler üzerindeki testlerden elde edilir. aşağıda, yukarıda, stres veya empoze edilen zorlanma durumunda:

DEĞİL=b(R)×S-de-k(R) ; S-de>S-deD(R){\ displaystyle \ mathrm {N} = b (\ mathrm {R}) \ times \ mathrm {S_ {a}} ^ {- k (\ mathrm {R})} \; \ \ mathrm {S_ {a}} > \ mathrm {S_ {aD}} (\ mathrm {R})}

• S aD  : dayanıklılık sınırı;
• R, yük oranı = minimum stres / maksimum stres.

R

• elastik hesaplama ve 50.000 döngüden daha büyük bir dizi döngü için başlangıç ​​gerilme durumu ile verilir;
• döngü sayısı 50.000 döngüden azsa plastikleştirmeden sonra hesaplanır.

Tek eksenli durumda, çentiğin altındaki R yük oranı, yaklaşık 1000 döngüden oluşan bir dizi döngü için -1'e doğru eğilim gösterir: bu, ortalama gerilimin gevşemesidir; bu nedenle, R 'oranının (dış kuvvetlerin yük oranı) farklı değerleri için çentikli test parçalarıyla elde edilen Whöler eğrilerinin tümü, düşük sayıda döngüde (oligosiklik yorgunlukta) R' = - Alternatif yorulma testinin 1'i. Düzgün numunelere uygulanan düşük döngü sayısıyla gerinim testleri sırasında, ortalama gerilmede de gevşeme vardır, R ayrıca -1'e doğru eğilim gösterir; bu testler, düşük devir yorgunluğunda yapısal ayrıntılara verilen hasarın temsilcisi olarak kabul edilir. Geleneksel yorgunlukta, empoze edilen kuvvet testleri uygundur çünkü test sırasında R varyasyonu yoktur.

Geleneksel hasarı n döngü tarafından oluşturulan Madenci anlamında tanımlayarak biraz farklı bir şekil vermek uygundur.

D=değilDEĞİL=değilb(R)×S-dek(R){\ displaystyle \ mathrm {D} = {n \ over \ mathrm {N}} = {n \ over b (\ mathrm {R})} \ times \ mathrm {S_ {a}} ^ {k (\ mathrm { R})}}

Örneğin Smith-Watson-Topper kriteri SWT, yorgunluk döngüsü için etkili gerilimi dikkate alır:

σeff=E×ϵ-de×σm-dex{\ displaystyle \ sigma _ {\ mathrm {eff}} = {\ sqrt {\ mathrm {E} \ times \ epsilon _ {\ mathrm {a}} \ times \ sigma _ {\ mathrm {max}}}}}

ile

• E , Young modülü  ;
• ε a , değişen tür;
• σ max , maksimum gerilim = ortalama gerilim + alternatif gerilim.

Böylece, R yük oranı ne olursa olsun, arızaya kadar olan döngü sayısının birleşik bir formülasyonu elde edilir:

DEĞİL=b×(21-R×S-de)-k ; S-de>S-deD×21-R{\ displaystyle \ mathrm {N} = b \ times \ left ({\ sqrt {\ frac {2} {1- \ mathrm {R}}}} \ times \ mathrm {S_ {a}} \ sağ) ^ { -k} \; \ mathrm {S_ {a}}> \ mathrm {S_ {aD}} \ times {\ sqrt {\ frac {2} {1- \ mathrm {R}}}}}

Çelik veya titanyumda, dayanıklılık sınırı S aD sıfır değildir, altında artık yorulma olmayan döngü genliği: yapı sonsuz sayıda çevrimi destekler.

Madenci kuralı

Yorulma durumundaki bir yapının genel analizi durumunda, yükleme, çok çeşitli genliklere sahip döngülerden oluşabilir. Yükleme, yağmur akışı sayma algoritmasına göre kısmi döngülere ayrılır . Prensibi, azalan maksimumlar ve minimumlar arasında eşleştirme yapmaktır. Her bir kısmi döngü hasarla ilişkilidir. Hasar veya hasarın farklı tanımları vardır, fiziksel veya geleneksel bir anlamı olabilir. Madenci anlamındaki geleneksel hasar, periyodik bir yükleme için gerçekleştirilen döngü sayısı ile aynı yükleme altında kopmayı içerecek döngü sayısı arasındaki oranla tanımlanır.

Madenci kuralı veya Palmgren-Miner'in kuralı, karşılık gelen hasarların ek olduğunu belirtir, doğrusal birikimden söz ederiz. Bu nedenle kopma, her bir genliğe ilişkin hasarın toplamı birliğe ulaştığında meydana gelir.

Pratik olarak, hesaplama ilkesi, döngüleri genliklerin ve periyotların birbirine yakın olduğu ve bir görünüm sıklığının tahmin edilebileceği kategorilere ayırmaktan ibarettir. Verilen çalışma süresini bu frekansla çarparak kategorinin olası süresini elde ederiz. Bu süreyi karşılık gelen dönemlerin ortalamasına bölerek, kısmi bir hasarın hesaplanmasını mümkün kılan bir dizi döngü elde edilir. Geriye sadece kısmi hasarı eklemek ve toplamın birlikten daha az olduğunu kontrol etmek kalıyor.

Madenci kuralı, suçlamaların uygulanma kronolojisinin, yani düzenin hiçbir etkisinin olmadığını varsayar.

Büyük genlikli yorulma testi döngüleri, ardından arızaya kadar küçük genlik ve ardından gelen büyük genlik, birikimin doğrusal olmadığını, çünkü değişmez olduğunu gösterir.

Bununla birlikte, birçok durumda, farklı genlik döngüleri karıştırılır, döngülere ayrıştırma için yağmur akışı algoritması ile birlikte en çok kullanılan doğrusal birikimdir.

Bu algoritma, yüklerin uygulama zamanlamasını değiştirerek değişmezliği ihlal eder.

Bir çatlağın yayılma yasası

Malzemede bir tekillik olabilir, iki kökene sahip olabilir:

• ilk üretim hatası
• yorgunluk nedeniyle tespit edilebilir bir çatlağın başlaması .

Onun boyutu ile karakterize edilir a ve şekli.

Bu çatlak yayılacaktır, bu nedenle yükleme kritik boyut a c'ye kadar değişkense a artacaktır .

Paris yasası, yayılmasını düzenleyen en basit yasadır. Ol

• N döngü sayısı;
• ΔK bir döngü boyunca gerilim yoğunluğu faktörünün değişimi;
• C ve m , malzemeye bağlı katsayılardır;

sahibiz

d-dedDEĞİL=VS(ΔK)m{\ displaystyle {\ frac {\ mathrm {d} a} {\ mathrm {d} \ mathrm {N}}} = \ mathrm {C} (\ Delta \ mathrm {K}) ^ {m}}

Kritik boyutu a c , malzemenin karakteristiği K IC ile bağlantılıdır , tokluk , yapının kırılgan kırılmasına neden olur:

KbenVS=F×σ×π×-devs{\ displaystyle \ mathrm {K_ {IC}} = \ mathrm {F} \ times \ sigma \ times {\ sqrt {\ pi \ times a _ {\ mathrm {c}}}}}

burada σ, çatlağa normal bir yöndeki etkili bir gerilmedir ve F, a biçim faktörüdür.

Çentikli örnekler

Yapının en basit örneği, çentikli bir numunedir. Yaşam süresi tahmini, önlem almanın gerekli olduğunu göstermektedir. Nominal gerilim, harici torsörün bir bileşeni için kiriş varsayımı altında minimum bölümde hesaplanan gerilmedir. Böylece gerilim, bükülme ve burulmadaki nominal gerilmeler tanımlanabilir ... Tanım gereği, test parçasının çentik katsayısı Kt , minimum bölümdeki maksimum asal gerilim ile bu aynı bölümdeki nominal gerilim arasındaki orandır. harici torsorun aynı bileşeni. Bu tanım, bu nedenle yorgunluk ömrünü tahmin etmek için uygun değildir.

Bu nedenle, torsörün her bir bileşeni üzerindeki çentiğin altındaki çift eksenli gerilim durumunu belirlemek için test örneğini yeniden hesaplamak gerekir. Torsörün bileşenlerine karşılık gelen çift eksenli durumlar kümesi ile, Von Mises'in gerilimi ve herhangi bir harici değişken için periyodik olarak değişen ve ortalama değerler için tensörün izi belirlenebilecektir. Böylece, bir yükleme döngüsü üzerindeki etkili stres tanımlanabilir.

Yorulma-korozyon

Yorgunluk fenomeni, korozyonla daha da kötüleşebilir  : belirli bir ortamda yorulmaya çok dirençli ve korozyona çok iyi olan bir malzeme, yorgunluk ve korozyonun birleşik etkisi altında feci bir şekilde parçalanabilir.

Ayrıntılı Yorulma-korozyon makalesine bakın .

Yorgunluk-sürünme

Yüksek sıcaklıkta, sürünme fenomeni, yükleme sabit olsa bile yapının deformasyonuna neden olur. Yorulma ile kombinasyonu, pürüzsüz numunelere verilen hasarı artırabilir. Öte yandan, yapılarda sürünerek ortalama gerilme gevşemesine bağlı yorulma hasarını azaltabilir.

Çözümler

Yorulma arızasının önlenmesi, farklı bileşenlerin kontrolüne dayanır:

• yük bilgisi
• odanın tasarımı:
  • malzeme seçimi
  • şekil optimizasyonu: gerilme konsantrasyonu, yüzey durumu
  • sıcaklık kontrolü
  • üretim sürecinin kontrolü (malzemenin minimum özellikleri)
  • artık gerilmelerin kontrolü
  • servis ömrü ve muayeneler arasındaki sürelerin tahmini (kırılma mekaniğine dayalı hasar toleransı)
• kullanımının kontrolü: periyodik muayeneler, ilk varsayımların doğrulanması (sıcaklıklar, yükleme)

Misal

Biz 1 bir bölümü ile, bir çelik germe çubuğu dikkate  cm 2 . Bu 23,500 daha büyük bir kuvvet ile aniden çekilir ise  N (2.35 kütlesinin ağırlıkça eşdeğer  t ), çubuk sunar geri dönüşü olmayan bir deformasyon ( plastik deformasyon ); 37.000 N'luk (3,7 t'ye eşdeğer  ) bir kuvvet için kırılır  - bunlar standart bir S235 çeliği için garantili değerlerdir , gerçek güç normalde biraz daha yüksektir.

Şimdi bu çubuğu 23.400 N (2.34  t ) kuvvetle çektiğimizi varsayalım  ; parça sorunsuz bir şekilde direnir ve geri dönüşü olmayan herhangi bir deformasyon göstermez. Ama bu çekişi on milyon kere tekrar edersek, parçanın kırıldığını görürüz. Yorgunluk kopmasından bahsediyoruz.

Her gerilmede, parça kısa vadeli sonuçları olmayan mikro hasara uğrar, ancak bu hasar birkaç yüz binlerce döngü boyunca birikir ve arızaya yol açar.

Bu tür tekrarlanan gerilimler, bir motorun çalıştırma ve durma aşamalarına, hızdaki değişikliklere, bir yapı üzerindeki rüzgarın ani rüzgarlarına , yüzen yapılardaki (tekneler, petrol platformları ) şişmelere , bir cihazın genişlemesinin etkilerine karşılık gelebilir. ısıtır ve soğutur (örneğin bir kazan ), tekrarlanan temaslara (dişliler, bilyeli yatağın yolundaki bilyalar ), bir araç için yolun tümseklerine , bir uçağın iniş takımları için kalkış ve inişlere , küçük parçalar için titreşimlere (sabitleme braketleri, bir elektronik devrenin kablosu )…

Uygulama alanları

• Havacılık  : uçaklar , döngüsel kalkış-tırmanma-iniş-iniş kısıtlamalarına tabidir; bu, su bombardıman uçakları gibi özel kullanım koşullarıyla daha da kötüleşir  ;

• Denizde dalga yorgunluğu , özellikle petrol tesisatlarında felaketlere yol açabilir;
• kırık bir kemiklerde nedeniyle sporcuların yorgunluğa;
• yük kaldırma kancasının kırılması.
• Bir aksın agresifliğini o aksın yarattığı hasar olarak tanımlamak için yol kaplamalarının boyutlandırılmasında madenci ek hasar kanunu kullanılır . Belirli bir trafik için, farklı spektrum akslar arasında ağır vasıtalar dikkate alınır tahmini ortalama saldırganlık elde etmek.
• Madenci kuralı, basınçlı ekipman alanına özgü işlerle (özellikle kaynaklı montajlar için) desteklenir, ekipmanın kullanım döngülerinden kaynaklanan yorgunluğa göre ekipmanın hizmet ömrünü belirlemeyi mümkün kılar. ( AUXeCAP kazan yapımı hesaplama yazılımı ).
• Artık gerilmeleri kontrol ederek eksantrik mili üretim sürecinin optimizasyonu

Kurgu eserlerinde

Romanın kahramanı kalkışı Yasak tarafından Nevil Shute ( 1948 ) Farnborough araştırma merkezinde bir marjinal kim keşfeder yeni İngilizce orta mesafeli, Rutland Ren Geyiği , hediyeler yorgunluk fenomen belirli bir güvenlik açığı (bir uyarıcı fikir çünkü Comet ) 1954 yılında böyle bir kusur kurbanı olacaktır. Bu roman 1951'de Fantastik Yolculuk adıyla ekrana getirildi .

Notlar ve referanslar

1. standart bir M6 sınıf 8,8 vida 17.9 bir çekirdek bölümüne sahip  m 2 ve bir akma mukavemeti 640  MPa Bu 17.9 x 640 = 11.456 bir kuvvetten plastik deforme nedenle,  N = 1145,6  daN .
2. Çetim 1999 , s.  145
3. İdeal olarak, birkaç yüz test parçalarını olurdu ve bu nedenle ortalama için kesin bir değere sahip olacaktır , N ve en yüksek değeri p  yetmezliği%. Uygulamada, az sayıda test parçası vardır ve bu nedenle, rasgele değişken N'nin ortalamasını ve standart sapmasını belirlemede bir hata vardır.
4. Phi 2002 , s.  925
5. Çetim 1999 , s.  325
6. Çetim 1999 , s.  149-165
7. Çetim 1999 , s.  166-178
8. Çetim 1999 , s.  179-220
9. Çetim 1999 , s.  321-341
10. "  Nasıl yorgunluk bir malzemeyi karakterize etmek  " üzerine MetalBlog ,6 Haziran 2017
11. "  AUXeCAP FATIGUE - muafiyet, basitleştirilmiş ve ayrıntılı analiz  " , AUXeCAP üzerinde ,4 Haziran 2018(erişim tarihi 15 Eylül 2020 )
12. orijinal başlık: No Highway , İngilizceden Geneviève Méker tarafından çevrilmiş ve basımları okudum, der. "Ben 'okundu n o  316, Paris, 1968.

Kaynakça

 : Bu makale için kaynak olarak kullanılan belge.

• (içinde) Jean Philibert vd. , Metalurji: cevherden malzemeye , Paris, Dunod ,2002, 2 nci  baskı. , 1177  s. [ baskıların detayı ] ( ISBN  2-10-006313-8 ) , "IV-7, V-11" , s.  913-928, 1104-1110
• A. Brand vd. , Yorulma ile ilgili teknolojik veriler , Senlis, CETIM,1999, 4 th  Ed. , 383  s. ( ISBN  2-85400-470-1 )
• Bastien Weber , Endüstriyel yapıların herhangi bir yük altında çok eksenli yorulması: doktora tezi (mekanik) , Lyon Ulusal Uygulamalı Bilimler Enstitüsü,1999( çevrimiçi okuyun )
• (tr) JA Ewing ve JCW Humfrey , "  Metallerin tekrarlanan gerilme değişimleri altında kırılması  " , Londra Kraliyet Cemiyeti Bildirileri (1854-1905) , cilt.  71,1903, s.  79 ( DOI  10.1098 / rspl.1902.0065 , özet )

Ekler

İlgili Makaleler

• Kırılma mekaniği
• Materyallerin kuvveti
• Meudon demiryolu felaketi

Dış bağlantılar

• Mekanik Endüstriler Teknik Merkezi'nin (CETIM) sahasında yorgunluğa giriş
• SWT Kriteri
• Yorgunluğa adanmış web sitesi
• Sürdürülebilirlik için yazılım sitesi