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.
Далеко не каждый металл и сплав ведут себя так, как эта сталь. Если бы мы испытывали медный образец, мы увидели бы, что прямая, соответствующая упругому удлинению, пошла бы значительно отложе — меньшее усилие вызвало бы большую деформацию. Горизонтального участка, соответствующего пределу текучести, у него не было бы совсем. Чугунный образец очень скоро лопнул бы, едва-едва перешагнув за свой предел упругости.
Самые разнообразные кривые можно получить, испытывая различные материалы на растяжение. Ведь весьма различны их свойства. Лезвие безопасной бритвы, согнутое в кольцо, — отпустите пальцы — со звоном распрямится, без всяких остаточных деформаций. Алюминиевая или медная проволока покорно примет любую форму, которую вы ей придадите. Трудно разорвать руками стальную проволоку, но можно разорвать медную и т. д. и т. п.
Металл работает, устает, ползет…
Конечно, одним испытанием прочности материала на растяжение нельзя представить себе полной характеристики всех возможностей материала. Например, чугун, такой непрочный на растяжение, оказывается, совсем неплохо выдерживает сжатие. Поэтому приходится производить целый ряд испытаний, прежде чем удастся заполнить все клетки справочника, выяснить все прочностные характеристики металла.
Какие нагрузки приходится испытывать деталям машин, частям конструкции в их, так сказать, практической жизни? Да самые различные! Но все их можно свести к нескольким простым. Вот они.
Первое — это, конечно, растяжение. Видели вы в Москве подвесной Крымский мост через Москву-реку? Если окажетесь рядом с ним, обязательно посмотрите. Его главный пролет подвешен к гигантской металлической конструкции, укрепленной на установленных с обеих сторон моста массивных стойках. Так вот, стальные стержни, на которых подвешен мост, испытывают растягивающее усилие от веса моста. Как говорят инженеры, эти стержни работают на растяжение. На растяжение работает и гигантская цепь, к которой подвешены эти стержни. А вот массивные стойки опоры этой цепи работают на сжатие.
Сжатие — это второй очень важный и часто встречающийся вид нагрузки.
В какие только передряги не случается попадать металлу!
На сжатие работают фундаменты домов и машин, опоры мостов и ферм. Трудно сказать, работающих на сжатие или на растяжение деталей больше встречается инженеру?
Изгиб — еще одна важная форма нагрузки. На изгиб работают рельс, переброшенный вместо мостика через реку, ферма подъемного крана, подающего грузы на стройке, крылья самолета, которыми он «опирается» о воздух.
Работа на изгиб детали отличается от работы на сжатие и на растяжение. Там в работе участвует на равных основаниях все сечение детали. Узнать напряжение в каждом участке сечения можно, просто поделив общее усилие на площадь сечения. А при изгибе всегда остается центральный слой, который почти не работает. Если его извлечь, прочность детали на изгиб почти не уменьшается.
О скручивании — еще одном виде нагрузки — можно получить представление, вспомнив, как выжимают мокрое белье. Скручивание — тоже одна из распространенных нагрузок. На скручивание работают бесчисленные оси машин и многие детали конструкций.
Скручивание обладает той же особенностью, что и изгиб, — далеко не все участки сечения вала равно участвуют в сопротивлении внешнему скручивающему усилию. Особенно лениво ведет себя центр — реальная область вокруг оси вращения. Чем дальше от этой воображаемой линии, тем большее напряжение испытывает металл при скручивании. И само собой очевидно, что трубка равной массы металла будет несравненно лучше работать, чем сплошной стержень.
Есть и еще один — последний — вид статической нагрузки — сдвиг. На сдвиг «работает» железный лист, разрезаемый ножницами. Но, помимо статических, детали машин испытывают массу и динамических нагрузок. Взрывающийся в цилиндрах двигателя бензин ударяет в поршень, тот передает толчок шатуну, затем коленчатому валу и т. д. Даже тиканье ваших наручных часов — это непрерывные звуки ударов. И, конечно, инженерам необходимо знать, как ведут себя металлы при таи называемых ударных нагрузках.
Статические нагрузки мы измеряем в килограммах, приходящихся на единицу площади. Ударные нагрузки характерны мгновенностью действия. Поэтому очень часто они измеряются количеством кинетической энергии, которую израсходовали при ударе, или, иначе, количеством работы, которую при этом совершили.
Хрупкие материалы обычно плохо противостоят ударам. Интересную особенность сопротивления пластических металлов этому виду нагрузки нельзя здесь не отметить.
Возьмите две стальные тонкие проволочки — одну короткую, другую раза в три длиннее. Привяжите сначала короткую к гвоздю или ручке двери и попробуйте ее рывком оборвать, привязав свободный конец к палочке, за которую удобно схватиться рукой. А теперь этим же способом попробуйте разорвать длинную. Вряд ли вы не почувствуете разницы в требующемся усилии. Длинную разорвать окажется куда труднее, чем короткую. Она лучше пружинит и смягчает ваш рывок.
Однако разрушить металл может не только статическое усилие, превосходящее предел прочности данного металла, не только динамический удар определенной энергии. Металл можно разрушить, то нагружая его, то разгружая, то вновь нагружая бесчисленное количество раз, хотя максимальная величина нагрузки и не будет слишком большой. А такие нагрузки встречаются в технике очень часто. Вспомните паровую турбину — струи пара из сопла ударяют в ней о лопатки. Лопатки начинают вибрировать. До 200 тысяч таких вибраций в минуту испытывает лопатка. И хотя максимальная величина вызываемой ими нагрузки, к тому же длящейся каждый раз очень недолго, значительно ниже предела прочности, ее длительное повторение может разрушить металл.
Опыты показали, что для чугуна и стали есть предел выносливости— величина меньшая такой переменной нагрузки, сколько бы раз ее ни прилагали к металлу, все равно его не разрушит. А большая — разрушит, например, через 50 млн. колебаний. Еще большая — через 4 млн. и т. д.
И эту характеристику металла надо знать, и эти испытания провести. Ведь сколько деталей машин работает у нас сейчас в условиях такой пульсирующей знакопеременной нагрузки! В их числе и оси поездов, и кривошипно-шатунные механизмы двигателей внутреннего сгорания, и рессоры автомобилей.
Разрушение металла от такого рода нагрузок называется усталостным разрушением. Металл как бы устает сопротивляться надоедливым нагрузкам и разрушается. Такое разрушение начинается со случайной царапины, трещины, неровности, проведенной резцом при снятии стружки. У этой царапины происходит местная концентрация напряжений. Раз за разом углубляется трещина, и наконец деталь ломается. Обычно это бывает абсолютно неожиданно: ведь невозможно увидеть снаружи развивающуюся в детали трещинку.
Предел выносливости — максимальное напряжение, еще не вызывающее разрушения металла, обычно в 2–3 раза ниже предела прочности, нередко ниже даже предела текучести этого металла.
Величина предела выносливости определяется свойствами изучаемого металла, но и в очень значительной степени состоянием его поверхности. Если образец имеет грубо обточенную поверхность, предел выносливости окажется для него меньшим, чем для другого образца, отличающегося только чистотой поверхности — отшлифованной или отполированной. Это и понятно: ведь разрушение начинается с концентрации напряжений в какой-нибудь трещинке, а если ее нет, металл будет работать дольше.
