עייפות חומרים ועקומת S–N, הסבר מלא

איך עייפות קורית

סדק מתחיל בריכוז מאמצים, בשריטה או בהכללה, בדרך כלל על פני השטח. כל מחזור עומס מגדיל אותו קצת. כשהחתך שנשאר כבר לא יכול לשאת את העומס, החלק נשבר בבת אחת. משטח השבר מראה את זה: סימני גלים חלקים איפה שהסדק התקדם, ואחריהם אזור מחוספס איפה שהחלק נכנע סופית.

רוב הכשלים המכניים בשטח הם כשלי עייפות. צירים, קפיצים, ריתוכים, ברגים ומבני מטוסים מתוכננים קודם כל נגד עייפות, ורק אחר כך נגד חוזק סטטי.

איך קוראים עקומת S–N

משרעת המאמץ S משורטטת מול מספר המחזורים עד הכשל N, בסקלה לוגריתמית. לפלדות יש גבול עייפות: מאמץ שמתחתיו הן שורדות ללא הגבלה, בערך חצי מחוזק המתיחה בדגם ניסוי מלוטש. לאלומיניום אין גבול עייפות אמיתי, ולכן מצטטים עבורו חוזק לאורך חיים קבוע, לעיתים קרובות 5 כפול 10⁸ מחזורים.

חלק אמיתי חלש יותר מהדגם המלוטש. מקדמי מרין מורידים את גבול העייפות בגלל גימור פני השטח, גודל, סוג העמסה, טמפרטורה ואמינות, ומשטח מעובד גס לבדו יכול לעלות רבע ויותר.

מאמץ ממוצע וקו גודמן

מאמץ ממוצע במתיחה מקצר את חיי העייפות; מאמץ ממוצע בלחיצה עוזר, וזו הסיבה ששיחול בכדוריות (shot peening) עובד. קו גודמן מחבר את גבול העייפות על ציר המאמץ המחזורי לחוזק המתיחה על ציר המאמץ הממוצע, והוא בדיקת התכן השמרנית המקובלת.

דוגמה עם מספרים

לפלדה עם S_ut של 600 MPa יש גבול עייפות של כ־300 MPa בדגם ניסוי. נניח שמקדמי מרין יחד נותנים 0.6, כלומר S_e שווה 180 MPa. תחת σ_a של 80 MPa ו־σ_m של 100 MPa, גודמן נותן 80/180 ועוד 100/600, בערך 0.61, ולכן מקדם הביטחון הוא כ־1.6.

טעויות נפוצות

• לתכנן לפי גבול העייפות של הדגם המלוטש בלי מקדמי מרין.
• להתעלם מהמאמץ הממוצע, מה שגורם לבורג או לקפיץ להיראות בטוחים יותר ממה שהם.
• להניח שלאלומיניום יש גבול עייפות כמו לפלדה.