IV. ПРОЧНОСТЬ
Бывает такое.
Лежит кружевной мост, смело переброшенный над трехсотметровой глубины провалом. Далеко одна от другой опоры, звенят стальные нити его переплетов. Ох, не обвалится ли он? Страшно ступить на поющие под ветром листы проложенной по нему дорожки. Но на него спокойно въезжает тяжелый состав. Напружится, чуть присядет на опорах мост. Нет, он не обрушится и под тройной такой тяжестью. Он прочно построен.
Звенит в небе сверхзвуковой самолет. Спросите у летчика, он скажет, как напряжена во время этого полета буквально каждая деталь самолета. Встречный воздух, ласково овевающий щеки и лоб велосипедиста, превращается почти в твердое тело, когда скорость приближается к скорости звука. Он стремится отломить крылья, скомкать фюзеляж этой дерзкой металлической птицы, отважившейся на таких скоростях вступить с ним, воздухом, в единоборство. Невидимые, но яростные вихри тщатся вызвать вибрацию, растрясти самолет, растащить на части. Но летчик спокоен — он уверен в прочности своей машины.
А бывает и другое. Каким незыблемым монолитом казалась еще вчера эта паровая турбина, и вот произошла авария. Искромсан металл корпуса, разорван в клочья. Срезаны, словно бритвой, тяжелые болты, казалось, навечно приковывавшие ее тело к бетонной скале фундамента. Отдельные детали разбросаны по всему турбинному залу, и некоторые через разбитое окно вылетели наружу…
История техники знает обрушившиеся гигантские мосты, обвалившиеся здания, сплюснутые ветром нефтехранилища и ангары. И нередко причиной оказывалась недостаточная прочность металла.
Прочность… Это главное свойство металла. Бронза вытеснила камень потому, что она оказалась прочнее камня, Железо вытеснило бронзу потому, что в этом споре оно оказалось прочнее.
Наряду с великой борьбой за металл идет и великая борьба за прочность металла. И немалы уже достигнутые успехи в этой борьбе.
Фокус? Нет, точный расчет!
Знаете ли вы, что целого ряда машин, ставших сегодня для нас повседневной реальностью, нельзя было бы построить, если бы их создатели могли оперировать только теми металлами и сплавами, которые существовали всего пятьдесят лет назад?
Невозможны были бы в этом случае мощные паровые турбины, лопатки которых испытывают чудовищные инерционные усилия, паровые котлы сверхвысоких параметров, при которых трубы работают на грани вишневого каления, высотные здания, корпуса которых выдерживают чудовищные напряжения, реактивный сверхзвуковой самолет, космическая ракета и т. д.
Да что там! Даже всем известную автомашину «Волгу» и то невозможно было бы изготовить из металлов, с которыми работали в начале века. А если бы ее все-таки построили, придав всем ее деталям тот же запас прочности, она оказалась бы тонн в пять весом! Тяжелая, неповоротливая…
Конечно, и достигнутые нами сегодня результаты прочности металла— не предел. И люди начала XXI века будут удивляться, как мы с нашими непрочными металлами смогли покорить воздушный океан и создать искусственную планету, и вычислять, какими бы неуклюжими стали их машины, если бы их сделать из нашего металла…
Будем же стремиться быстрее сделать наш металл таким же прочным, каким будет металл будущего века.
А что такое прочность металла?
Рассказывают, что, когда Бессемер получил первый слиток металла, продутый в контейнере струей воздуха, он схватил топор и трижды ударил по еще не остывшей чушке. Закаленное лезвие глубоко вошло в мягкое, податливое железо. Бессемер чуть не закричал от радости: ведь проведенная проба показала, что он действительно изготовил из чугуна мягкую сталь.
В наше время, конечно, этой пробы было бы недостаточно. У нас существуют целые большие лаборатории для выяснения механических свойств металлов, разработаны специальные приемы испытания прочности материалов, способности их сопротивляться различным нагрузкам. Существуют машины для проведения этих испытаний.
Одни из этих машин разрывают образцы металлов, имеющие строго определенные размеры и форму, растягивая их, как разрывают в руках непрочную веревку. Другие стискивают между своими стальными ладонями чугунные столбики до тех пор, пока они не начинают рассыпаться. Третьи обрушивают на образцы неожиданные мгновенные удары. Четвертые, наоборот, проводят испытание в течение целых недель и месяцев — они то напрягают образец, то отпускают его, и так раз за разом, тысячу раз в минуту, не давая ни секунды покоя, словно ждут, когда устанет металл от этой пытки. Есть машины, которые, не изменяя усилия, держат неделями и месяцами под напряжением испытываемый образец, к тому же нагретый до температуры красного каления. Какие только экзамены не устраивали ученые, чтобы точнее выяснить качества и возможности металлов!
Наиболее распространенным и важным является испытание на растяжение. Оно осуществляется обычно на специальных прессах. В зажимное устройство такого пресса вставляется образец строго определенной формы и размеров. Пресс позволяет постепенно равномерно увеличивать нагрузку и автоматически замерять удлинение образца под влиянием этой нагрузки. Тонкая стрелка одного из механизмов этого пресса вычерчивает на миллиметровой бумаге кривую, взглянув на которую, специалист сразу скажет, какое удлинение образца соответствует тому или иному растягивающему усилию пресса.
Понаблюдаем и мы за движением стрелки во время такого опыта. Проходит испытание образец, выточенный из стали. Лаборант измерил его размеры, убедился, что они соответствуют принятому стандарту. Щелчок запорного механизма — и образец в прессе. Включение рубильника, загудел электромотор, и образец начинает растягивать вое увеличивающаяся сила. Вздрогнуло и поползло по желтой сетке миллиметровки перо самописца.
Оно выписывает прямую линию. Это значит, что удлинение образца прямо пропорционально увеличению растягивающего усилия. Вверх и вверх движется перо, чуть наискось пересекая линии клеток. Если сейчас отпустить груз, перо самописца по этой же самой линии вернется в исходную точку: стальной образец примет те же размеры, что и до начала испытаний. Это называется упругой деформацией. При такой деформации под влиянием напряжения несколько искажается расположение атомов в кристаллической решетке, но как только мы снимаем напряжение, они возвращаются на свои места, и все остается как было.
И вдруг прямая линия кончается. Перо поворачивает, описывая плавную кривую, и вот оно уже снова движется по прямой, но не пересекающей наискось клетки миллиметровки, а параллельно одной из линий. Это значит, что удлинение образца продолжается, хотя растягивающая сила остается прежней.
Найдем на вычерченной диаграмме точку (А), где начала искривляться прямая линия. Эта точка соответствует тому усилию, при котором кончилось пропорциональное усилию удлинение образца. Поэтому она и называется пределом пропорциональности.
Если снять нагрузку с образца, перешедшего предел пропорциональности (Б), перо самописца не вернется в исходную точку по уже пройденному пути. Оно прочертит прямую, параллельную линии пропорционального удлинения. Это значит, что образец после снятия нагрузки не вернется к исходным размерам — он окажется несколько длиннее. Величина, на которую он станет теперь больше, называется остаточным удлинением. Она равна всему тому удлинению, которое образец получил после того, как перешагнул через точку предела пропорциональности. Особенно интересна горизонтальная прямая (В — Г) — тот участок диаграммы, который отображает продолжающееся удлинение образца при одном и том же напряжении.
«Материал „течет“», — говорят инженеры. Он словно бы потерял способность сопротивляться нагрузке. И вдруг течение металла прекращается. Металл, будто устыдившись своего малодушия, обретает новые силы для сопротивления. Нет, он не сдается так просто, он еще поборется! Линия, вычерчиваемая самописцем, снова поворачивает вверх (Г — Д). Перо выписывает сложный зигзаг, который становится все отложе, и…
Так сопротивляется растяжению сталь…
Взгляните на наш образец. Трудно приходится ему! На его прежде ровной поверхности отчетливо виднеется сужение, шейка. Удлинение его становится все больше, хотя нагрузка и не увеличивается, а наоборот, уменьшается. Кривая, пройдя кульминационную точку, поворачивает вниз. И сухой треск, вроде пистолетного выстрела, возвещает, что образец разрушен (Е). Он разорвался как раз в том месте, где образовалась шейка, сужение. Испытание закончено.
Проводивший его лаборант измеряет величины характерных точек диаграммы и заносит их в паспорт металла. Он записывает предел текучести, предел прочности — то максимальное напряжение, которое еще выдерживал металл. Он измеряет длину обрывков образца и вычисляет относительное удлинение его в результате испытаний. Все это будет чрезвычайно важно знать тем инженерам и конструкторам, которые захотят применить эту марку стали в машинах, механизмах, сооружениях. Конечно, в паспорте металла, который вы можете найти, раскрыв справочные таблицы, стоят не конкретные цифры этого испытания, а полученные в ряде испытаний и отнесенные к единице поперечного сечения металла — к квадратному миллиметру или квадратному сантиметру.
