Конструкции, или почему не ломаются вещи

Одной из наиболее коварных причин, при которой конструкция теряет свою прочность, является так называемая "усталость" - постепенно накапливающийся эффект действия циклических нагрузок. Возможные драматические последствия усталости металла впервые обыграл Киплинг в 1895 г. в репортаже о событиях в Бискайском заливе, когда из-за появления усталостной трещины на конце гребного вала отвалился винт "Гроткау". Киплинг вышел из моды, но интерес широкой публики к усталости металлов был возрожден в 1948 г. романом Невила Шьюта "Путь закрыт". Отчасти своим успехом эта книга, как и поставленный по ней фильм, несомненно, обязаны характеру героя - мистера Хани, этого типичнейшего ученого, а отчасти трем катастрофам самолетов "Комета", которые произошли вскоре одна за другой. Как заметил когда-то Вистлер, "Природа крадется за искусством". Обстоятельства аварий с "Кометами" отличались от описанных в романе только значительно большим числом жертв, эти катастрофы нанесли серьезный урон английской авиационной промышленности.

В действительности, первые инженерные знания об усталостных эффектах носят столетнюю давность. Уже вскоре после промышленной революции было замечено, что движущиеся части машин выходят из строя при таких нагрузках, которые были бы совершенно безопасны в случае, если бы они были неподвижными. Чрезвычайно опасными были разрушения осей железнодорожных вагонов, которые неожиданно ломались без видимых причин после некоторого времени эксплуатации. Этот эффект вскоре стал известен как "усталость".

В середине XIX в. служащий немецких железных дорог Вёлер (1819-1914) провел классические исследования этой проблемы. На фотографии герр Вёлер выглядит именно так, как должен был, на наш взгляд, выглядеть типичный немецкий железнодорожный служащий того времени, но это не помешало ему проделать весьма полезную работу.

Как уже отмечалось в гл. 4, даже большие локальные напряжения не приведут к росту трещины, если ее длина не превышает "критической длины Гриффитса", поскольку рост трещины в этих условиях потребовал бы затрат энергии, превышающих работу разрушения материала. Однако в случае циклических нагрузок внутри кристаллической структуры металла происходит постоянная перестройка, в чем-то похожая на перестройку, возникающую в местах концентрации напряжений. Это приводит к уменьшению работы разрушения металла, и трещина, хотя и очень медленно, растет, даже если ее длина значительно меньше "критической".

Таким образом, крошечные, не видимые глазом трещинки могут появиться в любом отверстии, выемке или нерегулярности в напряженном металле и начать распространяться дальше, никак не изменяя внешнего вида детали. Рано или поздно такая "усталостная трещина" достигает критической длины. При этом скорость ее распространения возрастает и трещина быстро проходит через весь материал, часто с очень серьезными последствиями. Уже после разрушения усталостную трещину сравнительно легко распознать по характерному полосчатому виду поверхности усталостного разрушения. Однако до разрушения начало усталостного процесса проследить практически невозможно.

Естественно, металловеды проводят многочисленные испытания материалов на усталость, для чего разработано очень много различных типов испытательных машин. Общепринято рассматривать усталостные свойства материала при знакопеременных напряжениях (±s), которые обычно возникают, например, во вращающихся осях любого транспортного средства. (Существуют способы преобразования этих результатов применительно к другим условиям циклического нагружения.) Величину знакопеременного напряжения ±s обычно откладывают на графике в зависимости от логарифма числа n циклов нагружения, при котором произошло разрушение образца. Этот график называют усталостной кривой (или ±s-n-диаграммой). Типичная усталостная кривая для обычной стали показана на рис. 155.

Рис. 155.

Типичная усталостная кривая для железа или стали.

Можно заметить, что с увеличением n разрушающее напряжение сначала падает, но после примерно миллиона циклов выходит на постоянный уровень, называемый "пределом усталости". Миллион циклов нагружения для осей автомобиля или вагона эквивалентен пробегу примерно 3000 км, а для двигателя машины, коленчатый вал которого, конечно, вращается быстрее ее колес, - примерно 10 ч работы.

Существование определенного предела усталости для материалов типа железа и стали весьма удобно для инженера. Если машина сделала 10⁶

или 10⁷

оборотов, для чего может понадобиться лишь несколько часов, то появляется надежда, что она будет работать почти бесконечно. Но усталость материала - это опасность, которая всегда нуждается в специальном рассмотрении.

Алюминиевые сплавы не имеют определенного предела усталости, их усталостная прочность непрерывно падает с ростом n, как показано на рис. 156. Вследствие этого они более опасны в применении, что в какой-то мере оправдывает стародавнее предубеждение к ним и предпочтение им стали.