Oboseala și elemente de mecanica ruperii

CAPITOLUL 1. NOTIUNI INTRODUCTIVE

1.1. Introducere

Se cunoaşte faptul că, atunci când solicitarea este statică, o piesă sau structură poate prelua sarcinile din funcţionare dacă acestea nu depăşesc o anumită valoare considerată maximă. Din practică s-a constatat faptul că, dacă solicitarea este variabilă, ruperea poate interveni la valori mult mai mici ale sarcinii aplicate decât cea utilizată pentru solicitarea statică. Cele mai multe echipamente şi componente structurale sunt supuse la sarcini repetate, fluctuante, variabile, a căror mărime este cu mult sub sarcina de rupere determinată prin încercare statică. Exemple de echipamente şi structuri supuse la încărcare prin oboseală includ: pompe, vehicule, utilaje, instalaţii de foraj, avioane, poduri, nave, etc. Fenomenul de distrugere prin oboseală a pieselor şi structurilor este binecunoscut. Distrugeri prin oboseală au fost observate încă din secolul al 19-lea când s-au efectuat şi primele investigaţii. O cercetare demnă de remarcat în acest domeniu a fost cea efectuată de August Wöhler. El a observat că o încercare unică, la o valoare a sarcinii mai mică decât sarcina de preluare statică a unei structuri, nu produce deteriorări ale acesteia. Dacă aceeaşi sarcină a fost repetată de mai multe ori, solicitarea de acest tip poate conduce la deteriorare completă. In acel moment, ruperea prin oboseală era considerat un fenomen misterios datorită faptului că nu se putea vedea şi pentru că distrugerea apărea fără a da un avertisment anterior. În secolul 20, am învăţat că repetarea sarcinilor de încărcare poate conduce la startul unui mecanism de oboseală în material care va conduce la nucleerea unei microfisuri, dezvoltarea acesteia, şi care, în cele din urmă se va finaliza cu distrugerea piesei sau structurii. Istoria structurilor de până acum a fost marcată de numeroase cedări la oboseală a organelor de maşini, a vehiculelor în mişcare, a structurilor sudate, a avioanelor, etc. De-a lungul timpului astfel de cedări au cauzat accidente catastrofale, cum ar fi explozii sau colapsul complet al unui pod sau a altor structuri mai mari.

1.2. Noţiuni de proiectare a structurilor solicitate prin oboseală

O structură ar trebui să fie concepută şi produsă în aşa fel încât, pe durata funcţionării acesteia să nu apară cedări. O proiectare judicioasă ţinând cont de fenomenul de oboseală va trebui să asigure proprietăţi satisfăcătoare cu privire la durata de viaţă, şi siguranţa în exploatare. Acestea presupun o mai mare atenţie la detalii, alegerea unor materiale mai puţin sensibile la oboseală, îmbunătăţirea suprafeţei materialului prin tratamente termice, alegerea unor tipuri alternative de concentratori, niveluri mai scăzute ale tensiunilor de solicitare la sarcini dinamice. Alte tipuri de abordări în ceea ce priveşte proiectarea pieselor ce lucrează la oboseală sunt reprezentate de calculul duratei de funcţionare (cu siguranţă intrinsecă), proiectare în vederea prevenirii distrugerilor catastrofale sau în timp (protecţie la coroziune), reducerea sarcinilor dinamice în serviciu, etc. Spectrul de posibilităţi este larg şi este datorat numărului mare de variabile care

afectează comportamentul la oboseală al unei structuri. Scenarii de proiectare „împotriva” oboselii sunt influenţate de întrebările generate de beneficiar: de exemplu, îmbunătăţirile legate de proiectare sunt rentabile pe termen lung, îmbunătăţirile sunt previzibile?, etc. In cadrul proiectării se preferă, în general, proceduri standardizate de calcul pentru previziuni ale rezistenţei la oboseală, durata de viaţă, propagarea fisurii şi rezistenţa reziduală. Procedurile standardizate pot fi utile, dar trebuie să se accepte faptul că ar putea implica un risc considerabil de rezultate nesatisfăcătoare. Principalul motiv îl reprezintă faptul că astfel de proceduri de calcul pornesc de la unele condiţii generalizate, care, de obicei, nu sunt similare cu condiţiile problemei. Peste aceste proceduri se intervine cu înţelegerea, experienţa şi judecata inginerilor pentru a evalua semnificaţia rezultatelor acestora. Trebuie să se ţină seama de faptul că astfel de predicţii au o precizie şi fiabilitate limitate. În cazurile în care apar unele îndoieli cu privire la rezultate, este util a se efectua teste la oboseală care să vină în sprijinul calculelor anterioare. Afirmaţii de genul "Experimentele nu mint niciodată" sunt bine cunoscute. De obicei un experiment este superior oricăror calcule teoretice. Din păcate, un experiment dă rezultate aplicabile la condiţiile acelui experiment. Întrebarea care se pune este dacă respectivele condiţii de testare sunt o reprezentare realistă a condiţiilor în serviciu? Ca urmare, dacă proiectarea „împotriva” oboselii se face prin analize, calcule sau experimente, acest lucru necesită o cunoaştere profundă a fenomenului de oboseală în structuri şi materiale şi o mare varietate de condiţii care pot afecta funcţionarea la oboseală. Un diagramă bloc, ce cuprinde aspectele legate de procedurile de proiectare la oboseală este prezentată în figura 1.1. Fig. 1.1. Diagrama proiectării la oboseală a structurilor [Jaap Schijve, Fatigue of structures and materials -2010, pg. 5].

Prima coloană conţine teme majore de proiectare, în timp ce în coloana a doua sunt enumerate diverse aspecte ce conţin informaţii de bază. Informaţiile din ultimul câmp al acestei coloane pot fi utilizate pentru selecţia materialelor, tratamente de suprafaţă aplicate, variabile de producţie, şi, de asemenea, pentru probleme de proiectare în detaliu. Pentru a se ajunge la o evaluare a calităţii la oboseală a unei structuri, trebuiesc făcute anumite predicţii. O altă condiţie este aceea de a avea informaţii relevante cu privire la sarcinile de oboseală. Acest lucru presupune efectuarea unui număr de paşi, începând cu consideraţii privind utilizarea structurii în serviciu, care sunt urmate de determinarea tensiunilor pentru zonele cele mai solicitate la oboseală. O problemă specială o reprezintă modul de contabilizare a efectelor mediului. Datele experimentale utilizate în previziuni sunt, în general, obţinute în condiţii de laborator în care frecvenţa solicitării este destul de mare.