Fatigue des métaux

Structural Engineering

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Summary

Source : Roberto Leon, département de génie Civil et environnemental, Virginia Tech, Blacksburg, VA

L’importance d’étudier la fatigue du métal dans les projets d’infrastructure civile a été mis sous les projecteurs par l’effondrement du pont Silver au Point Pleasant, Virginie-occidentale en 1967. Le pont suspendu de chaînes eyebar au-dessus de la rivière Ohio s’est écroulé pendant l’heure de pointe du soir, tuant 46 morts à la suite de la défaillance d’un seul eyebar avec un petit défaut de 0,1 pouce. Le défaut a atteint une longueur critique après avoir répété les conditions de chargement et a échoué de façon fragile, causant l’effondrement. Cet événement a retenu l’attention de la communauté des ingénieurs pont et souligné l’importance de la vérification et la surveillance de fatigue en métal.

Dans des conditions normales de service, un matériau peut être soumis à de nombreuses applications des charges de service (ou tous les jours). Ces charges sont généralement au maximum 30 % - 40 % de la résistance à la rupture de la structure. Cependant, après l’accumulation de charges répétées, à magnitude sensiblement inférieure à la résistance à la rupture, un matériau peut éprouver ce qu’on appelle la rupture par fatigue. Rupture par fatigue peut survenir soudainement et sans déformation préalable significative et est liée avec craquelure et propagation rapide. La fatigue est un processus complexe, avec de nombreux facteurs qui affectent la résistance à la fatigue (tableau 1). Cette complexité souligne la nécessité intégrante d’inspection systématique et approfondie des structures soumises à des charges répétées telles que les ponts, les grues et presque tous les types de véhicules et des aéronefs.

Soulignant les conditions Propriétés des matériaux Conditions environnementales
  • Type de stress
  • Amplitude de contrainte
  • Contrainte moyenne
  • Fréquence
  • Contraintes combinées
  • Histoire des contraintes
  • Concentration de contraintes (encoches)
  • Contact de roulement
  • Taille
  • Type de matériel
  • Conditions de surface
  • Taille de grain
  • Température
  • Corrosion

Le tableau 1. Facteurs qui influent sur la fatigue

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Structural Engineering. Fatigue des métaux. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

  1. Obtenir cinq spécimens A572 Grade dans les dimensions et la configuration de la machine appropriée pour la machine de Moore faisceau rotative utilisée. Dans ce cas, nous utiliserons une rotation configuration en porte-à-faux avec des échantillons de 2,40 à cou long et 0,15 po. de diamètre avec une petite section 0,50 po de longueur et 0,04 po de diamètre minimal.
  2. Pour les dimensions de l’éprouvette et la configuration de la machine, calculer le poids nécessaire pour produire la flexion varie de stress égal à ±75 %, ± 60 %, ± 45 %, ± 30 % et ± 15 % de la limite d’élasticité nominale du matériau utilisé si la contrainte inférieure est prise comme zéro stress. Pour cette expérience nous allons utiliser un acier A572 avec un Fy = 50 ksi, avec un seul spécimen testé à chacune des plages de stress. Une rage de stress de ±15 % correspond à ± (0,15 * 50 ksi) = ±7.5 ksi. Nombreux spécimens plus devront être testés à chaque gamme de contrainte pour obtenir des données statistiquement valides.
  3. Monter le premier spécimen dans la machine ; dans ce cas nous devons insérer la section à col près du milieu de la poutre et l’aligner soigneusement afin que le faisceau tourne sur son centre de gravité. Le spécimen en porte-à-faux est chargé à l’extrémité à l’aide d’un point de charge générée par un ensemble de ressorts et dont la valeur est contrôlée par un dynamomètre piézoélectrique. La charge est appliquée à travers un roulement afin que la force est toujours vers le bas comme le faisceau tourne. La vitesse de la machine est fixée à 1400 RPM, le compteur cycle est réglé à zéro, et le test a commencé. La vitesse, la taille de l’échantillon et la contrainte appliquée varie avec la machine d’essai.
  4. Attendre jusqu'à ce que le spécimen échoue et noter le nombre de cycles jusqu'à la rupture.
  5. Répéter pour les autres spécimens.

Rupture par fatigue dans les structures métalliques qui subissent un chargement cyclique peut survenir sans avertissement à des charges nettement inférieures à la résistance à la rupture d’une structure. Il est difficile de modéliser ce comportement, il est donc important d’évaluer les caractéristiques de fatigue dans le laboratoire et pour surveiller la fatigue des fissures dans le champ.

L’effondrement du pont enjambant la rivière Ohio argent apporté l’importance de la fatigue du métal à l’attention de la communauté des ingénieurs en 1967. Le pont a échoué de façon fragile en raison de la fatigue par corrosion, tuant 46 personnes. La rupture par fatigue est survenue dans une connexion eyebar non visible aux inspecteurs et était probablement dû à un vice de fabrication.

Rupture par fatigue peut arriver comme matériaux l’expérience de nombreux cycles de charges pour les contraintes qui peuvent être seulement 30 à 40 % de leur résistance à la traction. Crack croissance et la propagation au cours de ce type de chargement cyclique peuvent entraîner la rupture par fatigue soudaine avec quelques signes avant-coureurs. La fatigue est un processus complexe présentant plusieurs facteurs effectuant la résistance à la fatigue.

Cycle élevé, faible contrainte gamme conditions sont vérifiées dans l’équipement ou de structures avec des pièces mobiles ou des charges, comme les voitures sur les ponts ou tournantes dans une usine de fabrication. Oligocyclique, fatigue gamme stress élevé se produit dans des situations telles que tremblements de terre.

Cette vidéo illustre le besoin d’essais en laboratoire des matériaux et suivi de structures soumises à des stress répétés de faible, mégacyclique chargement pour éviter catastrophique fatigue échecs.

Une fissure de fatigue généralement initie à un angle de la contrainte normale, mais puis tourne et pousse perpendiculaire à la contrainte de traction de principe. La fissure se propage sous contrainte de traction, ou pure, mais pas sous la contrainte de compression.

Après chargement répété, la fente atteint une longueur critique et tout à coup, elle se propage à la vitesse du son, menant à l’échec immédiat. La fissure initiale produit caractéristique plage marques sur la surface de fracture de fatigue. Une surface plus rugueuse de la fracture est produite sur la surface du matériau qui tombe en panne subitement.

Rupture par fatigue est définie par le nombre de cycles et de la plage de stress à l’échec. La gamme de contrainte appliquée augmente, le nombre de cycles jusqu'à la rupture diminue. La plupart des métaux et des alliages ferreux ont une limite d’endurance au-dessous duquel ils n’échoueront pas quel que soit le nombre de cycles. Les cycles sous une contrainte particulière est aléatoire au chargement cyclique de la vie réelle. Pour cette raison, il y a plus d’une gamme de stress et plus d’un numéro correspondant, qui représentent des cycles à l’échec.

Règle du mineur est utilisée en définissant un ensemble de gammes de stress et cycles dans ces gammes de regroupement. Le nombre de cycles attendus de chargement est divisé par cycles jusqu'à la rupture pour chaque gamme de stress et additionné. Si la somme est supérieure à 1, rupture par fatigue est possible. Bien qu’il n’y a aucun fondement physique à cette équation, il est utile pour la conception technique. Un grand nombre de gammes de stress et de cycles jusqu'à la rupture peut être testé en utilisant un test de faisceau rotatif.

Dans ce test, un cantilever en flexion de configuration est utilisé alors que le spécimen est tourné. La charge à appliquer est déterminée à l’aide de la limite d’élasticité pour calculer un ensemble de gammes de stress. Par exemple, un acier de construction typique a une limite d’élasticité de 50 ksi, et le calcul de la première gamme de tension de plus ou moins 15 % donne une charge de plus ou moins 7,5 ksi. Cette charge est appliquée et l’échantillon des expériences pleine tension et compression totale durant chaque révolution.

Une courbe S-N est produite de la gamme stress concernant la valeur de log du nombre de cycles jusqu'à la rupture. Dans la section suivante, nous allons tester des spécimens en acier utilisant une machine de faisceau plus tournante pour produire une courbe S-N pour le matériel.

Obtenir cinq spécimens de grade A572 à tester avec un setup de cantilever tournante sur une machine à faisceau rotative Moore. Les dimensions des spécimens utilisés et les distances entre les points de chargement sont propres à la machine d’essai utilisée.

Ces dimensions peuvent varier selon votre propre configuration de test. Nos spécimens sont 2,40 pouces de longueur et 0,15 pouces de diamètre. La petite section à col de chaque spécimen est 0,50 pouces de longueur et 0,04 pouces de diamètre.

Montez le premier spécimen dans la machine avec la section à col près du milieu de la poutre. Mesurer la distance entre le centre de l’échantillon et le point de charge. Alignez soigneusement les spécimens afin que le faisceau tourne librement et sans vaciller et ensuite appliquer une charge à la fin en porte-à-faux. Le spécimen en porte-à-faux est chargé à l’extrémité à l’aide d’un point de charge générée par un ensemble de ressorts et dont la valeur est contrôlée par un dynamomètre piézoélectrique. La charge est appliquée à travers un roulement afin que la force est toujours vers le bas comme le faisceau tourne.

La vitesse de la machine est fixée à 1400 RPM, le compteur de cycles est défini sur 0, et le test est mis en marche. La vitesse, la taille de l’échantillon et contrainte appliquée varie avec la machine d’essai. Attendre jusqu'à ce que le spécimen échoue et noter le nombre de cycles jusqu'à la rupture. Retirer l’échantillon défaillant de l’ordinateur de test et d’inspecter ses surfaces de rupture.

Répétez, tester un échantillon à chacune des plages de stress à tester. Nombreux spécimens plus devront être testés à chaque gamme de contrainte pour obtenir des données statistiquement valides.

Totaliser des gammes de tension et le nombre de cycles et reporter les résultats. La limite d’élasticité réelle de l’échantillon était 65,3 ksi, et sa résistance à la traction était 87,4 ksi. Plages de tension indiquées ici correspondent à entre 23 % et 92 % de rendement.

Les données indiquent que pour une gamme de stress au-dessus de 15 ksi et cycles de moins de 100 000, il y a une diminution dans la relation linéaire entre la contrainte et le logarithme du nombre de cycles. Le meilleur ajustement ligne puis indique pour une gamme de contrainte de ksi 25, le nombre de cycles jusqu'à la rupture est environ 31 000.

Ci-dessous une gamme de tension de 15 ksi, aucune panne n’est indiquée. Ceci est considéré comme la limite d’endurance. La fiabilité de la limite d’endurance peut être améliorée en testant plusieurs spécimens entre 10 ksi et 20 ksi.

Si l’historique de chargement cyclique d’un pont est supposée se composent d’un certain nombre de cycles et de gammes de stress, et nous connaissons le comportement en fatigue des matériaux, nous pouvons utiliser la règle de Miner pour calculer les cycles à l’échec.

Comme prévu, le pourcentage de sage, les plus hautes chaînes de stress ont un impact beaucoup plus grand sur l’accumulation de dommages. La structure semble être près de sa capacité nominale de vie fatigue comme valeur est proche de 1.0.

Maintenant que vous apprécierez les rôles de charges cycliques, essais et surveillance de rupture par fatigue, nous allons jetez un coup d’oeil aux exemples de comment les structures des effets que nous utilisons tous les jours de fatigue.

Ponts d’expérience chargement cyclique tous les jours. Une défaillance catastrophique a été heureusement évitée sur le pont de la rivière Brandywine à Wilmington dans le Delaware. Une fissure importante découverte par un jogger sur le sentier ci-dessous en 1997 a été trouvée de multiplication d’un défaut de m. wield. Les réparations ont été faites et le pont continue d’exploiter les 6 voies de circulation tout en étant surveillé dans son utilisation.

Ingénieurs submergé fuselage dans une piscine à simuler la pressurisation et la dépressurisation après que 3 avions a explosé en vol dans les années 1950. Il a été déterminé qu’après plusieurs chargement en raison de la concentration de contraintes dans les coins des fenêtres, rupture par fatigue a eu lieu. En conséquence, conception moderne des avions inclut les coins ronds pour contrecarrer cette force et de réduire la concentration de contraintes.

Vous avez juste regardé Introduction de JoVE à la Fatigue des métaux. Vous devez maintenant comprendre l’idée de chargement cyclique et son effet sur la rupture par fatigue des métaux.

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