Mechanics of Materials: Lesson 16 - Fatigue and Creep Failures with S-N Diagram

Summary

Dans cette vidéo, l'hôte et Sweety expliquent deux modes de défaillance des matériaux : la **creep** et la **fatigue**. La creep est une déformation lente et dépendante du temps, causée par une charge continue sur un matériau, notamment à température élevée, pouvant conduire à des fissures ou des fuites après des années d’exposition. La fatigue, quant à elle, se produit lorsqu’un matériau est soumis à des cycles répétitifs de tension et compression, entraînant une défaillance après un certain nombre de cycles. Le diagramme **S-N** est présenté pour montrer comment ces phénomènes influencent la durée de vie des matériaux selon le stress appliqué. Un contenu essentiel pour les ingénieurs en matériaux.

Takeaways

• 😀 Le **creep** est une défaillance dépendante du temps qui se produit sous une charge continue, bien en dessous de la limite d'élasticité, surtout à des températures élevées.
• 😀 Un exemple de creep est la **pâte à modeler** qui s'étire sous son propre poids, illustrant comment un matériau peut se déformer lentement sans force supplémentaire appliquée.
• 😀 Le **creep** peut se produire sur des périodes très longues, comme dans les chaudières où des matériaux peuvent échouer après des milliers d'heures de cycles thermiques.
• 😀 **Le fatigue** résulte d'une charge cyclique répétée sur un matériau, où il est soumis à des cycles de tension et de compression.
• 😀 Un exemple courant de fatigue est **les feux de circulation** qui oscillent sous l'effet du vent, créant une charge cyclique sur les boulons qui les maintiennent.
• 😀 Les **câbles Ethernet** sont également un bon exemple de fatigue, où un simple tab casse après plusieurs cycles de tension.
• 😀 Un **charnière vivante** est un exemple de fatigue bien conçue, comme celles sur les bouteilles en plastique, qui peuvent supporter des milliers de cycles sans se casser.
• 😀 Le **diagramme S-N** (stress-Nombre de cycles) montre la relation entre la contrainte (S) et le nombre de cycles (N) avant une défaillance due à la fatigue.
• 😀 **L'acier** peut supporter un nombre infini de cycles à une contrainte inférieure à 27 KSI, tandis que **l'aluminium** échoue beaucoup plus rapidement à des contraintes plus élevées.
• 😀 Le **fatigue** peut entraîner des défaillances après seulement quelques cycles, surtout à des niveaux de contrainte élevés, comme pour l'aluminium.
• 😀 Un matériau avec une contrainte inférieure à 19 KSI, comme l'aluminium, pourrait théoriquement durer indéfiniment, même soumis à des charges cycliques.

Q & A

Qu'est-ce que la déformation par fluage (creep) ?

Le fluage est une défaillance dépendante du temps des matériaux, qui se produit lorsqu'un matériau est soumis à une charge continue, mais inférieure à sa limite d'élasticité, souvent à des températures élevées. Cela peut entraîner une déformation progressive et éventuellement une rupture après une période prolongée.

Comment le fluage est-il illustré dans la vidéo ?

Dans la vidéo, le fluage est illustré par l'exemple de la pâte à modeler. En la maintenant dans une position, la pâte s'allonge progressivement sous son propre poids, ce qui montre comment un matériau peut se déformer avec le temps sans force supplémentaire appliquée.

Quel est l'exemple réel de fluage mentionné dans la vidéo ?

Un exemple réel de fluage est celui du verre, qui, lorsqu'il est soumis à une charge continue, peut commencer à se déformer avec le temps, comme dans le cas des chaudières où les matériaux subissent des cycles de chaleur prolongés.

Qu'est-ce que la défaillance par fatigue ?

La fatigue est la défaillance d'un matériau sous des charges cycliques répétées, même si la contrainte appliquée est inférieure à la limite d'élasticité. Ce type de défaillance résulte du chargement et du déchargement répétés du matériau.

Comment le phénomène de fatigue est-il illustré dans la vidéo ?

Le phénomène de fatigue est illustré par plusieurs exemples, comme celui des feux de circulation sous l'effet du vent, où les boulons subissent des charges alternées de tension et de compression, ou encore les clips plastiques des câbles Ethernet qui se cassent après de multiples cycles de manipulation.

Qu'est-ce qu'un diagramme S-N et pourquoi est-il important ?

Le diagramme S-N (Stress-Number of cycles) montre la relation entre la contrainte (S) et le nombre de cycles (N) qu'un matériau peut supporter avant de se rompre. Il est crucial pour comprendre la résistance à la fatigue d'un matériau et prédire le nombre de cycles avant une défaillance.

Que signifie la relation entre le nombre de cycles et la contrainte dans un diagramme S-N ?

Dans un diagramme S-N, la contrainte (S) est tracée sur l'axe vertical, tandis que le nombre de cycles (N) est tracé sur l'axe horizontal. Les matériaux peuvent supporter un nombre infini de cycles à des contraintes faibles, mais au fur et à mesure que la contrainte augmente, le nombre de cycles avant la défaillance diminue.

Pourquoi le diagramme S-N montre-t-il que l'acier peut durer indéfiniment sous une faible contrainte ?

L'acier, lorsqu'il est soumis à une contrainte inférieure à 27 KSI (kilopounds per square inch), peut résister à un nombre infini de cycles de chargement et de déchargement sans se rompre, ce qui signifie qu'il est extrêmement durable sous des charges faibles répétées.

Quels matériaux sont mentionnés dans la vidéo comme étant particulièrement sensibles à la fatigue ?

L'aluminium est un exemple de matériau particulièrement sensible à la fatigue. Il peut se casser après un nombre limité de cycles sous une contrainte relativement faible, contrairement à l'acier qui peut résister à beaucoup plus de cycles.

Comment les ingénieurs utilisent-ils la connaissance du fluage et de la fatigue pour concevoir des matériaux ?

Les ingénieurs utilisent les connaissances sur le fluage et la fatigue pour concevoir des matériaux et des structures capables de supporter des charges continues ou cycliques sans se rompre prématurément. Par exemple, en tenant compte du comportement à long terme sous chaleur (fluage) ou des contraintes répétées (fatigue), ils peuvent sélectionner les matériaux les mieux adaptés à chaque application.