Stress
Tout composant, qu'il soit simple ou complexe, doit transmettre ou supporter une charge mécanique de quelque sorte. La charge peut être de l'un des types suivants : une charge appliquée de manière constante (charge « morte ») ; une charge qui fluctue, avec des changements lents ou rapides de magnitude (charge « vivante ») ; une charge appliquée soudainement (charge de « choc ») ; ou une charge due à un impact sous une forme quelconque. Le stress est une forme de charge qui peut être appliquée à un composant.
Définition du Stress
Lorsqu'un métal est soumis à une charge (force), il est déformé, peu importe la résistance du métal ou la légèreté de la charge. Si la charge est faible, la déformation disparaîtra probablement lorsque la charge sera retirée. L'intensité, ou le degré, de déformation est connue sous le nom de déformation. Si la déformation disparaît et que le métal revient à ses dimensions d'origine après le retrait de la charge, la déformation est appelée déformation élastique. Si la déformation persiste et que le métal reste déformé, le type de déformation est appelé déformation plastique. La déformation est discutée plus en détail dans un autre article de saVRee.
Lorsqu'une charge est appliquée à un métal, la structure atomique elle-même est déformée, étant comprimée, déformée ou étendue dans le processus. Les atomes composant un métal sont arrangés selon un certain motif géométrique, spécifique à ce métal ou alliage particulier, et sont maintenus dans ce motif par des forces interatomiques. Lorsqu'ils sont ainsi arrangés, les atomes sont dans leur état d'énergie minimale et tendent à rester dans cet arrangement. Un travail doit être effectué sur le métal (c'est-à-dire que de l'énergie doit être ajoutée) pour déformer le motif atomique (le travail est égal à la force multipliée par la distance parcourue par la force).
Le stress est la résistance interne, ou contre-force, d'un matériau aux effets déformants d'une force ou charge externe. Ces contre-forces tendent à ramener les atomes à leurs positions normales. La résistance totale développée est égale à la charge externe. Cette résistance est connue sous le nom de stress.
Bien qu'il soit impossible de mesurer directement l'intensité de ce stress, la charge externe et la surface à laquelle elle est appliquée peuvent être mesurées. Le stress (σ) peut être équivalent à la charge par unité de surface ou à la force (F) appliquée par surface transversale (A) perpendiculaire à la force comme indiqué dans l'équation ci-dessous.
où :
σ = stress (psi ou livres de force par po.2)
F = force appliquée (livres)
A = surface transversale (po.2)
Remarque
L'unité impériale de force est la livre-force (lbf), qui est différente de la livre-masse (lb) selon l'effet de la gravité. Sur la planète Terre, la livre-force est presque exactement la même que la livre-masse. Pour simplifier, les unités de livre-masse (lb) seront utilisées pour tous les calculs montrés.
L'unité métrique SI de force est le Newton. Le stress est exprimé en Newtons par mètre carré (N/m2).
Types de Stress
Les stress se produisent dans tout matériau soumis à une charge ou à toute force appliquée. Il existe de nombreux types de stress, mais ils peuvent tous être généralement classés dans l'une des six catégories suivantes : stress résiduels, stress structurels, stress de pression, stress d'écoulement, stress thermiques et stress de fatigue.
Stress Résiduels
Les stress résiduels sont dus aux processus de fabrication qui laissent des stress dans un matériau. Le soudage laisse des stress résiduels dans les métaux soudés.
Stress Structurels
Les stress structurels sont des stress produits dans les éléments structurels en raison des poids qu'ils supportent. Les poids fournissent les charges. Ces stress se trouvent dans les fondations et les structures de bâtiments, ainsi que dans les pièces de machines.
Stress de Pression
Les stress de pression sont des stress induits dans les récipients contenant des matériaux sous pression. La charge est fournie par la même force produisant la pression.
Stress d'Écoulement
Les stress d'écoulement se produisent lorsqu'une masse de fluide en écoulement induit une pression dynamique sur une paroi de conduit. La force du fluide frappant la paroi agit comme la charge. Ce type de stress peut être appliqué de manière instable lorsque les débits fluctuent. Un scénario de coup de bélier est un exemple de stress d'écoulement transitoire.
Stress Thermiques
Les stress thermiques existent chaque fois que des gradients de température sont présents dans un matériau. Des températures différentes produisent des expansions différentes et soumettent les matériaux à un stress interne. Ce type de stress est particulièrement notable dans les mécanismes fonctionnant à haute température qui sont refroidis par un fluide froid.
Stress de Fatigue
Les stress de fatigue sont dus à l'application cyclique d'un stress. Les stress peuvent être dus à des vibrations ou à des cycles thermiques.
L'importance de tous les stress est augmentée lorsque les matériaux qui les supportent sont défectueux. Les défauts tendent à ajouter un stress supplémentaire à un matériau. De plus, lorsque les charges sont cycliques ou instables, les stress peuvent affecter un matériau plus sévèrement. Les stress supplémentaires associés aux défauts et aux charges cycliques peuvent dépasser le stress nécessaire pour qu'un matériau échoue.
Types de Stress Appliqué
L'intensité du stress à l'intérieur du corps d'un composant est exprimée comme l'un des trois types de charge interne de base. Ils sont connus sous le nom de traction, compression, et cisaillement. L'image ci-dessous illustre les différents types de stress. Mathématiquement, il n'y a que deux types de charge interne car le stress de traction et de compression peuvent être considérés comme les versions positive et négative du même type de charge normale.
Cependant, dans la conception mécanique, la réponse des composants aux deux conditions peut être si différente qu'il est préférable, et plus sûr, de les considérer comme des types séparés.
Comme illustré dans l'image ci-dessous, le plan d'un stress de traction ou de compression est perpendiculaire à l'axe d'opération de la force dont il provient. Le plan d'un stress de cisaillement se situe dans le plan du système de force dont il provient. Il est essentiel de garder ces différences bien claires à la fois dans l'esprit et dans le mode d'expression.
Types de Stress Appliqué
Stress de Traction
Le stress de traction est un type de stress dans lequel les deux sections de matériau de chaque côté d'un plan de stress tendent à se séparer ou à s'allonger comme illustré dans l'image ci-dessus (Traction).
Stress de Compression
Le stress de compression est l'inverse du stress de traction. Les parties adjacentes du matériau tendent à se presser les unes contre les autres à travers un plan de stress typique comme illustré dans l'image ci-dessus (Compression).
Stress de Cisaillement
Le stress de cisaillement existe lorsque deux parties d'un matériau tendent à glisser l'une sur l'autre dans n'importe quel plan typique de cisaillement lors de l'application d'une force parallèle à ce plan comme illustré dans l'image ci-dessus (Cisaillement).
L'évaluation des propriétés mécaniques est effectuée en abordant les trois types de stress de base. Parce que les charges de traction et de compression produisent des stress qui agissent à travers un plan, dans une direction perpendiculaire (normale) au plan, les stress de traction et de compression sont appelés stress normaux. Les désignations abrégées sont les suivantes.
Pour les stress de traction : "+SN" (ou "SN") ou "σ" (sigma)
Pour les stress de compression : "-SN" ou "-σ" (moins sigma)
La capacité d'un matériau à réagir au stress de compression ou à la pression est appelée compressibilité. Par exemple, les métaux et les liquides sont incompressibles, mais les gaz et les vapeurs sont compressibles. Le stress de cisaillement est égal à la force divisée par la surface de la face parallèle à la direction dans laquelle la force agit, comme montré dans l'image précédente (Cisaillement).
Deux types de stress peuvent être présents simultanément dans un plan, à condition que l'un des stress soit un stress de cisaillement. Dans certaines conditions, différentes combinaisons de types de stress de base peuvent être présentes simultanément dans le matériau. Une paroi de récipient sous pression a un stress de traction à divers endroits en raison de la température et de la pression du fluide agissant sur la paroi. Un stress de compression est appliqué de l'extérieur à d'autres endroits sur la paroi en raison de la pression extérieure, de la température et de la constriction des supports associés au récipient. Dans cette situation, les stress de traction et de compression sont considérés comme des stress principaux. Si présent, le stress de cisaillement agira à un angle de 90° par rapport au stress principal.
Résumé
Les informations importantes de ce chapitre sont résumées ci-dessous.
Résumé du Stress
- Le stress est la résistance interne d'un matériau aux effets déformants d'une force ou charge externe.
- Il existe trois types de stress :
Le stress de traction est un type de stress dans lequel les deux sections de matériau de chaque côté d'un plan de stress tendent à se séparer ou à s'allonger.
Le stress de compression est l'inverse du stress de traction. Les parties adjacentes du matériau tendent à se presser les unes contre les autres.
Le stress de cisaillement existe lorsque deux parties d'un matériau tendent à glisser l'une sur l'autre lors de l'application d'une force parallèle à ce plan.
- La compressibilité est la capacité d'un matériau à réagir au stress de compression ou à la pression.