התעייפות

דוגמה לשבר התעיפות

דוגמה לעקומת התעיפות של אלומיניום

עומס מתחלף

דיאגרמת גודמן המתוקנת

דיאגרמת גודמן המתוקנת

התעייפות היא תופעה של צבירת נזק בחומר מוצק כתוצאה מפעולת מאמץ מחזורי העמסה רבים. כתוצאה מצבירת הנזק יכול להיווצר השבר במאמצים נמוכים בהרבה ממאמץ הכניעה הרגיל של החומר.

תהליך ההתעייפות

התעייפות הוא מושג המתייחס להתנהגות של חומרים תחת עומס משתנה ולהרס של חומרים העמוסים בעומס משתנה. מהנדסי המאה ה-19 היו מודעים לתופעה אבל לא סיפקו לה הסבר והניחו שתכונות החומר משתנות בהשפעת העומס, כלומר שהחומר הופך לפריך. סיבת ההרס הידועה כתופעה של התעייפות היא היווצרות סדקים זעירים מיקרוסקופיים החודרים לעומק החומר, מקטינים את שטח החתך הנושא בעומס ויוצרים ריכוזי מאמצים.

שלבים

1. אתחול (Initiation): בשלב זה, כתוצאה מהמאמץ המחזורי מתחיל להיווצר סדק קטן. שלב זה קצר, ובדרך כלל אינו נמשך מעבר לחמישה גרעינים סביב נקודת ההתחלה. לעיתים, בהתאם לחומר ולסביבה, שלב זה אינו ניתן להבחנה.
2. התקדמות (Propagation): בשלב זה חלה התקדמות מחזורית בגידול הסדק, עד אשר החומר הנשאר חלש מידי כדי לשאת בעומס.
3. שבר (Fracture): החלק הנותר נשבר בפתאומיות כתוצאה מהעומס המופעל.

גבול ההתעייפות או חוזק ההתעייפות של החומר הוא המאמץ המרבי שהחומר עומד בו במספר גדול מאוד של מחזורי עומס, אין סוף מחזורים באופן תאורטי ומיליוני מחזורים באופן מעשי כאשר המספרים תלויים בסוג החומר. גבול ההתעייפות של החומר נקבע בניסיון להתעייפות המבוצע במכונה מיוחדת המעמיסה דגם קטן בעל מידות וצורה מוגדרים. הדגם נבדק תחת מאמץ כפיפה מחזורי. גורמים המשפיעים על גבול ההתעייפות הם סוג החומר ומצבו, סוג העומס, צורת מחזור העומס, מצב פני השטח והימצאות חריצים, קדחים ופינות חדות הגורמים לריכוז מאמצים. טבלאות או גרפים מגדירים את מקדמי ריכוז המאמצים המתאימים לפי הצורה והגודל.

תיאור גרפי של מאמץ ההתעייפות

נסמן:

• $\ \sigma _{max}$ - מאמץ מרבי
• $\ \sigma _{min}$ - מאמץ מזערי
• $\ \sigma _{a}$ - משרעת המאמץ
• $\ \sigma _{m}$ - מאמץ ממוצע

כאשר:

$\ \sigma _{m}={\frac {\ \sigma _{max}+\ \sigma _{min}}{2}}$

$\ \sigma _{a}={\frac {\ \sigma _{max}-\ \sigma _{min}}{2}}$

דיאגרמת גודמן המתוקנת מציגה בצורה גרפית את תחום המאמצים בו לא ייגרם הרס כתוצאה מהתעייפות.

נסמן:

• $\ S_{y}$ - מאמץ הכניעה של החומר
• $\ S_{u}$ - מאמץ ההרס של החומר
• $\ S_{e}$ - מאמץ ההתעייפות של החומר

לקריאה נוספת

• W. Schutz (1996). A history of fatigue. Engineering Fracture Mechanics 54: 263-300. DOI
• W.J.M. Rankine. (1842). On the causes of the unexpected breakage of the journals of railway axles, and on the means of preventing such accidents by observing the law of continuity in their construction. Institution of Civil Engineers, Minutes of Proceedings, 105-108. ספרו של המדען והמהנדס רנקין מייסד התחום.
• F. Braithwaite. (1854). "On the fatigue and consequent fracture of metals". Institution of Civil Engineers, Minutes of Proceedings, 463–474.
• Andrew, W. (1995) Fatigue and Tribological Properties of Plastics and Elastomers
• Dieter, G. E. (1988) Mechanical Metallurgy
• Little, R. E. & Jebe, E. H. (1975) Statistical design of fatigue experiments
• Joseph E. Shigley & Larry D. Mitchell, Mechanical Engineering Design, McGraw-Hill 1983. Chepter 7 pages 270 -353

---

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא התעייפות בוויקישיתוף

• שון קלי, עיפות החומר
• מאמרים ומחשבונים בנושא עיפות החומר
• עיפות המתכת
• מבחני עיפות החומר
• כשל עיפות של מתכות
• תכונות של עיפות החומר
• עיפות ושבר
• עייפות קפיץ עם דיאגרמת גודמן