Oboseala (știința materialelor)

Oboseala este un fenomen mecanic de degradare progresivă a unui material supus unor sarcini variabile în timp (în mod regulat sau aleatoriu) care poate duce la eșecul acestuia ( eșec din cauza oboselii sau eșec din cauza oboselii ) chiar dacă a rămas în limita sa de elasticitate ., adică, în ciuda faptului că pe durata de viață utilă a materialului, intensitatea maximă a sarcinilor în cauză este menținută la o valoare semnificativ mai mică decât efortul de rupere sau de randament static (în absența ciclurilor de solicitare) a materialului în sine.

Descoperit și studiat istoric ca fenomen pur metalurgic (deci în domeniul materialelor metalice), ulterior termenul „oboseală” a fost folosit și pentru alte clase de materiale, precum materialele polimerice ^[1] sau materialele ceramice .

Se estimează că oboseala este fenomenul responsabil pentru marea majoritate a defecțiunilor în piesele mașinilor fabricate din material metalic în timpul funcționării: aproximativ 90% din defecțiuni urmează trăsăturile caracteristice defecțiunii la oboseală. ^[2]

Clasificare

În funcție de cauza declanșatoare, fenomenul oboselii poate fi împărțit în: ^[3]

Oboseala mecanică: datorită tensiunii mecanice repetate
- Oboseala prin vibrații
- Oboseala la coroziune
Oboseala termică: datorată variațiilor termice repetate, care induc stări de tensiune și compresie alternante în material.

Curbele Wöhler și limita de oboseală

Același subiect în detaliu: diagrama Wöhler .

Exemplu de curbă Wöhler generică: se poate vedea că pentru un număr zero de cicluri curba intersectează axa ordonată la sarcina de rupere statică

Primele studii asupra oboselii au fost efectuate la sfârșitul secolului al XIX-lea, în urma unei serii de spargeri „inexplicabile” ale axelor feroviare concepute pentru a rezista la sarcini (statice) mult mai mari decât cele la care a avut loc brusca lor funcționare. August Wöhler a simțit că fenomenul se datorează naturii ciclice a sarcinii la care a fost supusă axa ( îndoire rotativă ) și a încercat să reconstruiască starea de solicitare din laborator, raportând amplitudinea maximă a ciclului de solicitare cu numărul de cicluri că piesa a rezistat înainte de rupere: a obținut o serie de curbe bazate statistic, numite „ diagrame Wöhler ” și constituie instrumentul de bază pentru proiectarea componentelor mecanice supuse oboselii.

De exemplu, o piesă capabilă să reziste la 50 kg / mm² într-un mod static (adică în absența ciclurilor de solicitare) poate scădea la doar 10-12 kg / mm² dacă este supusă peste 100 de milioane de cicluri. Curba Wöhler împarte planul în două părți: pentru orice stare de deasupra curbei piesa suferă o defecțiune din cauza oboselii, în timp ce pentru orice stare de sub curbă piesa nu suferă o defecțiune din cauza oboselii.

Aceste diagrame arată pentru unele materiale existența unei limite inferioare de solicitare maximă sub care materialul nu se rupe din cauza oboselii chiar și pentru un număr „foarte mare” (ideal infinit) de cicluri. Această valoare a tensiunii se numește limita de oboseală a materialului. În practica inginerească, limita de oboseală este determinată pentru un număr foarte precis de cicluri, care, chiar dacă nu este infinită, corespunde unui anumit număr mare. De exemplu, în cazul aliajelor de cupru , limita de oboseală se referă la 100 de milioane de cicluri. ^[4]

Trebuie subliniat faptul că valorile obținute prin curba Wöhler se referă la eșantioanele utilizate în timpul testului; pentru componenta mecanică specifică, se introduc diferiți coeficienți de corecție care iau în considerare procesele de prelucrare (și posibilele stări de solicitare reziduală), dimensiunile, condițiile de funcționare, intensificarea solicitărilor în corespondența crestăturilor și alți factori care pot influența rezistența la oboseală a componentei în sine.

Mecanismul deteriorării oboselii

Micrografii care arată creșterea microfracturilor într-un material pe măsură ce numărul de tensiuni crește (Ewing & Humfrey, 1903).

În cazul materialelor metalice, oboseala este legată de fenomenele micro-deformărilor plastice ciclice locale induse de ciclul de solicitare. Acestea se datorează faptului că, datorită efectului diferitelor tipuri de micro crestături și / sau discontinuități ( limite ale granulelor , incluziuni nemetalice, compuși interstițiali, rugozitate la suprafață), valoarea solicitării poate depăși local rezistența la randament, chiar dacă sarcina macroscopică externă rămâne întotdeauna sub ea.

În special, daunele cauzate de oboseală au loc în următoarele etape:

inițierea fracturii : această primă etapă, numită și așezare microstructurală , are ca efect stabilizarea ciclului de histerezis plastic al masei metalice (micșorarea sau lărgirea acestuia în funcție de materiale, dacă predomină întărirea sau înmuierea) și, în consecință, stabilizarea unor mecanici și caracteristici fizice ale aceluiași. Alunecările „dezordonate” ale planurilor cristaline ale metalului sunt localizate în benzi dispuse la 45 ° în raport cu direcția efortului aplicat, generând micro-intruziuni și micro-extruziuni. Fractura începe aproape întotdeauna pe suprafața piesei și se datorează neregularităților de suprafață de orice fel, de exemplu micro-crăpături și micro-crestături. Chiar dacă suprafața este lovită și toate neregulile care pot declanșa fractura sunt eliminate, materialul însuși recreează neregulile de la sine. De fapt, chiar dacă sarcina este mai mică decât puterea de curgere , apar tensiuni locale mai mari care declanșează fenomene de alunecare; acest lucru determină apariția protuberanțelor pe suprafața materialului. Chiar și atunci când tensiunea σ este inversată, protuberanțele nu reintră, deoarece formează oxizi care le împiedică mișcările și deoarece, fiind întărite, ar fi nevoie de o σ mai mare pentru a le face să intre din nou.
În faza ulterioară de nucleație , micro-intruziunile și micro-extruziunile determină declanșarea deteriorării cauzate de oboseală. De fapt, pe partea de jos a acestor micro-intruziuni eforturile sunt amplificate datorită efectului de crestătură , astfel încât materialul din acel punct va ceda cu ușurință și se vor forma micro-fisuri. Acestea tind să se unească, formând fisura reală, care este considerată nucleată când atinge o adâncime de aproximativ 0,1 mm.
Propagarea fisurilor : fisura se propagă pentru o mică întindere de-a lungul direcției de 45 ° a defectelor de extrudare, apoi traseul său continuă într-o direcție ortogonală față de direcția externă. În special, după nucleația fisurii, propagarea acesteia are loc transgranular (ca o fractură fragilă ) și perpendiculară pe cea a stresului maxim (nu mai este la 45 °); la fiecare ciclu de stres fisura avansează cu un „pas” și uneori lasă urme caracteristice, numite „dungi”. În vârful clicei, eforturile sunt intensificate. Dacă materialul este dur , există deformare plastică și propagare a fisurilor ca în cazul fracturii ductile; raza de randament la vârful fisurii crește și, în consecință, σ max scade (<σs), oprind fisura însăși. Această oprire și repornire a fisurii pentru fiecare ciclu dă naștere la formarea liniilor de plajă tipice zonei de propagare.
Fractura finală : avansarea fisurii duce la o scădere progresivă a secțiunii rezistente; atunci când secțiunea rezistentă este redusă și dimensiunea fisurii atinge valoarea secțiunii critice a materialului, există fractura finală de impact datorată supraîncărcării (statică).

Exemplu de spargere a unei piese care a suferit o defecțiune din cauza oboselii

Propagarea fracturii se observă cu ușurință la orice obiect rupt de oboseală. Un obiect rupt de oboseală va avea de fapt două suprafețe diferite la secțiunea de rupere:

suprafață crăpată : parte a suprafeței rupte care este perfect netedă, catifelată și strălucitoare pentru ochi;
suprafața de rupere datorată prăbușirii : porțiune discontinuă, încrețită, plină de cratere mici și opacă la ochi, această parte a pauzei a avut loc din cauza supraîncărcării și poate prezenta gâtul .

Factori metalurgici de influență

Limita de oboseală este legată de stresul de rupere R _m și indirect de factorii care o modifică, care sunt:

compoziție: pentru R _m nu prea mare, compoziția nu afectează în mod deosebit, în timp ce cu R _m mare există o rezistență mai mare la oboseală a oțelurilor aliate ;
mărimea cristalului: în medie o structură fină duce la o creștere a R _m și, prin urmare, la limita de oboseală;
morfologie: sunt favorizate structurile globulare și lamelare (pe măsură ce distanța lamelelor scade); cea mai bună structură este cea a sorbitului ; austenita reziduală și incluziunile nemetalice sunt factori negativi;
bobul implică o rezistență mai mică la oboseală pentru un specimen obținut transversal față de direcția de rulare ;
întărire: deși provoacă o creștere a R _m , nu este recomandat deoarece provoacă în mod colateral o creștere a defectelor și, prin urmare, a micro-fisurilor.

Prin urmare, structurile neomogene și lamelare creează concentrații mai mari de solicitări în material și, prin urmare, sunt mai riscante; de exemplu perlitul are o structură care agravează rezistența la oboseală.

În general, oțelurile călite și călite sunt mai rezistente la fracturi fragile.

Incluziunile sunt dăunătoare dacă sunt cantitative și cu geometrie lamelară. În general, o piesă obținută prin solidificare sub vid este, prin urmare, mai rezistentă decât o piesă obținută prin turnare .

Factori mecanici de influență

Toate cele legate de exercițiul și dimensionarea piesei metalice sunt considerate factori mecanici.

Deoarece fisura începe adesea pe suprafața piesei, extinderea acesteia din urmă este proporțională cu probabilitatea de inițiere. Finisarea suprafeței este fundamentală: Limita teoretică de oboseală este în general definită, cantitatea Lf = σR / 2, totuși aceasta este o dată foarte indicativă, care este utilizată atunci când curbele Wöhler nu sunt cunoscute și pentru materiale cu aceeași structură și compoziție.

Este necesar să se elimine canelurile lăsate de uneltele de prelucrare, deoarece se creează în ele o concentrație de solicitări. Cu toate acestea, o suprafață bine lustruită aduce avantaje semnificative numai asupra pieselor din oțeluri de înaltă rezistență, pentru care prelucrarea precisă este, prin urmare, esențială. De asemenea, trebuie subliniat faptul că este, de asemenea, important să preveniți coroziunea ulterioară să creeze nereguli de suprafață.

Prezența stărilor de solicitare reziduală a compresiei de suprafață este favorabilă: de fapt, acestea se opun intensificării solicitărilor, în tracțiune, la vârful fisurii, ceea ce face mai dificilă atingerea σ _s . Statele de tensiune superficială sunt obținute prin călire de suprafață , nitrurare , carburare și tratamente mecanice de deformare ( alice Prelucrare stropire , laminare sau macinare ). Trebuie doar să fii atent să nu favorizezi formarea de micro-fisuri sub piele.
Pe măsură ce temperatura crește, R _m scade și, prin urmare, rezistența la oboseală (numai oțelul carbon are excepție, când între 100 și 300 ° C prezintă o creștere a rezistenței); dacă, totuși, scade prea mult, avantajele sunt reduse sau anulate prin creșterea coeficientului de sensibilitate la crestătură . Mai mult, pentru temperaturi deosebit de scăzute, apare fenomenul fragilității care constă într-o reducere bruscă a caracteristicilor ductile ale materialului până la punctul în care tensiunea de rupere a materialului coincide mai întâi cu stresul de randament mai mic și apoi pentru temperaturi chiar mai mici cu tensiune.de randament superior. În cazul în care se produce o defecțiune la constricție (în cazul unui test de tracțiune), „temperatura de ductilitate zero a materialului” este fixă.
În timpul fazei de proiectare și construcție este întotdeauna bine să se evite defectele de sculptură, muchii, variații ale secțiunii, totuși este întotdeauna bine să se facă conexiuni cu raze semnificative.

Cu toate acestea, cel mai important lucru este finisarea suprafeței. Există o scădere notabilă a limitei de oboseală pe măsură ce neregulile de suprafață cresc. O acțiune foarte accentuată în scăderea limitei de oboseală este efectuată de o coroziune care este simultană cu stresul de oboseală, atât de mult încât dauna continuă să crească cu numărul de cicluri indiferent de stresul aplicat.

Forma piesei are, de asemenea, o importanță asupra vieții de oboseală: fiecare ușoară variație a secțiunii, determinând concentrațiile de solicitare și localizând deformările, acționează întotdeauna în sensul unei scăderi nete a limitei de oboseală, motiv pentru care găurile au o acțiune dăunătoare. crestături și margini ascuțite.

Tratamente preventive

Fisurile de oboseală se nuclează aproape întotdeauna (cu excepția unor cazuri tipice, cum ar fi oboseala datorată contactului ciclic în angrenaje ) pe o suprafață liberă a piesei în cauză: aceasta se datorează unei combinații de cauze (la suprafață tensiunile cauzate de îndoire sau torsiune ; la suprafață există în general defecte microscopice precum rugozitatea suprafeței care acționează ca micro crestături și favorizează declanșatorul ...). Pentru a preveni deteriorarea cauzată de oboseală sau pentru a îmbunătăți rezistența la aceasta, în general se utilizează tratamente precum:

laminare sau împușcare , care creează tensiuni reziduale de compresiune la suprafață, care tind să închidă orice micro-fisuri și să încetinească evoluția deteriorării;
carburarea , nitrurarea sau întărirea suprafeței, pentru a întări (și, prin urmare, a consolida) stratul de suprafață al piesei fără a înfășura inima;
măcinare sau lepuire , pentru a minimiza rugozitatea suprafeței.

De asemenea, este necesar, în faza de proiectare a unei componente care va trebui să reziste la oboseală, să aveți grijă de proiectarea acesteia, astfel încât să nu prezinte crestături sau variații bruște ale secțiunii care pot amplifica local solicitările și în acest fel favorizează nucleația fisurilor.oboseala.

Analiza eșecului oboselii

Crăpătură pe un piston

Un piston din aluminiu al unui motor diesel cu injecție directă are o fisură în interiorul unui segment gol; există, de asemenea, o gaură de lubrifiere în vecinătate. Cauza inițierii fisurilor poate fi în mod rezonabil concentrația tensiunilor, de fapt există mai multe margini ascuțite la nivel local.

Prin disecția piesei în cauză și observarea suprafeței crăpate, se pot observa semnele caracteristice ale unei defecțiuni datorate oboselii: liniile de creastă și liniile de oprire frontale (liniile de plajă).

Liniile caracteristice de fractură

În imagine, liniile de creastă, tipice nucleației, sunt evidențiate în roșu: de fapt, acestea provin din gât și se observă o intensificare în apropierea găurii ( efect de crestătură ). Liniile negre, numite linii de oprire frontale, reprezintă avansarea frontului de fractură.

O mărire sub microscopul metalografic permite vizualizarea și mai detaliată a liniilor de creastă de la periferie, în timp ce liniile de oprire pot fi văzute ca o variație a luminozității suprafeței (datorită schimbării planului).

Mărire la microscopul metalografic

Zona fragilă de eșec nu este cunoscută deoarece nu a existat o ruptură completă a piesei: de fapt secțiunea rezistentă cu geometrie toroidală și-a păstrat integritatea pentru un sector mult mai mare decât cel fisurat.

Evident, sarcinile statice nu au depășit limita de rezistență a secțiunii reziduale, deci nu a existat nici o rupere de impact.

Oboseala în materialele polimerice

Pentru materialele polimerice , fenomenul oboselii este complicat de natura lor viscoelastică . Dependența de timpul de răspuns al materialului în ceea ce privește deformările la o solicitare aplicată înseamnă că, supus unei sarcini ciclice sinusoidale variabile, la starea de echilibru, un material polimeric va avea o schimbare de fază "delta" între tendința solicitări aplicate și cea a deformațiilor. Mărimea acestei schimbări de fază depinde de cât de elastic este comportamentul mai degrabă decât vâscos: în cazuri extreme, schimbarea de fază va fi zero (comportament perfect elastic) sau egal cu un sfert de perioadă (comportament perfect vâscos).

Cursul de timp al tensiunilor și deformărilor într-un material viscoelastic stresat ciclic: rețineți schimbarea de fază "delta".

Această schimbare de fază înseamnă că, la fiecare ciclu de stres, materialul eliberează energie datorită histerezisului viscoelastic : această energie este disipată sub formă de căldură, care poate fi, de asemenea, considerabilă și poate duce polimerul, la nivel local, să depășească temperatura de tranziție. .

Ciclul de histerezis viscoelastic într-un material polimeric stresat ciclic: aria închisă de ciclu corespunde energiei specifice disipate.

Debutul fenomenelor termice ale acestei entități mută problema de la nivelul pur mecanic al oboselii la cel al fenomenelor termice: materialul, încălzindu-se din ce în ce mai mult, cedează mai degrabă prin fluare sau înmuiere locală, mai degrabă decât oboseală. În acest caz vorbim de „defecțiune termică din cauza oboselii” .
Dacă, pe de altă parte, ciclul de histerezis este suficient de redus sau materialul are proprietăți termice astfel încât să-i permită disiparea căldurii produse într-un mod stabil, atingând o temperatură de echilibru care nu este prea mare, atunci aspectul mecanic al fenomenul predomină și vorbim despre „defecțiuni mecanice datorate oboselii” .