Борис Ляпунов - Борьба за скорость

Нагрузки, которые приходится испытывать деталям машин, разнообразны: это и растяжение, и изгиб, и кручение, и сжатие. Все они вызывают напряжения в металле.

Можно рассчитать, какими будут эти напряжения. Но как узнать, выдержит ли их металл?

Здесь слово предоставляется теоретическим расчетам, которые проверяются опытом. Образец из металла укрепляется в зажимах испытательной машины. Растет напряжение. Сначала металл стойко сопротивляется нагрузке. Металлический стерженек слегка удлиняется, он как бы поддается силе, но еще крепка — связь между его частичками, еще велики внутренние силы. Потом металл перестает удлиняться, хотя нагрузка растет. В металле идут невидимые глазом процессы. И вдруг в одном месте, примерно в середине, он начинает утончаться и сразу рвется.

Отмечено напряжение, при котором разорвался образец. Это предел прочности. Зная его, конструктор сможет сделать машину прочной. Он так рассчитает каждую деталь, чтобы нигде действующее напряжение не превысило этого предела. Мало того, он намеренно обеспечит «запас прочности», сделает части машин более прочными, чем нужно.

Каким брать этот запас, вопрос далеко не праздный. Ведь расчетом всего не предусмотришь. Еще недавно зарубежные инженеры называли этот запас «коэффициентом незнания». Я не знаю, что может случиться, и потому застраховываюсь от аварии — вот что это значило.

А о прошлом и говорить не приходится. Громоздкие, тихоходные машины прошлого века, да и начала настоящего — вот результат такой перестраховки. Незнание — ее причина.

Однако случалось, что машины выходили из строя, хотя нагрузки не превышали допустимых, а запас прочности, казалось бы, гарантировал от неожиданностей. Части машин разрушались гораздо раньше, чем рассчитывали. Жизнь машины внезапно обрывалась.

Причину стали искать — и нашли в условиях работы самих машин.

Нагрузка не остается все время постоянной. Она меняется или по величине, или по направлению. Металл детали может, например, то растягиваться, то сжиматься и притом много раз за время работы машины.

Напряжения в лопатках турбин меняются в минуту от 3 до 200 тысяч раз!

И металл «устает». Слабые места — те, прочность которых ниже, чем у остальных, начинают сдавать. А такие слабые места всегда есть, потому что металл состоит из множества мельчайших кристалликов, которые не все одинаково прочно связаны друг с другом.

Стоит такому непрочному соединению разрушиться, и усталостная трещинка растет, пока, наконец, вся деталь не ломается.

Советские исследователи, изучавшие свойства металлов, пришли к выводу, что усталостная прочность зависит от многих причин, среди которых немалое место занимает тщательная обработка поверхности. И здесь слово предоставляется технологам, которые находят способы бороться с усталостью, упрочняя поверхность деталей.

Исследования советских ученых в области прочности имеют важнейшее значение в борьбе за долговечность машин.

В лаборатории прочности .

Без преувеличения можно сказать, что новая высокоскоростная техника во многом обязана своим рождением успехам науки о прочности металлов.

Из года в год, из десятилетия в десятилетие растут напряжения в машинах.

Еще сравнительно недавно мы имели дело с нагрузками в 1–2 тонны на квадратный сантиметр. А уже сейчас нагрузка выросла до 4 тонн, и не за горами время, когда и эта нагрузка увеличится еще в 2–4 раза.

Ведь непрерывно растут скорости в машинах. Их части двигаются иногда со скоростью винтового самолета. Пройдет еще немного времени, и они будут двигаться со скоростью реактивного самолета. И если бы инженер прошлого века попробовал построить современную машину, используя для этого обычные марки стали, железо и чугун, эта машина разлетелась бы на куски. Когда, например, работает мощная паровая турбина, на лопатки турбинного колеса действует сила в десятки тонн. Она стремится оторвать лопатки, разрушить турбинное колесо.

Однако металл турбины выдерживает эту огромную нагрузку. Он работает, кроме того, при высокой температуре — пар поступает на лопатки перегретым примерно до 500° и даже выше. Можно ожидать, что в ближайшие годы температура пара в турбинах возрастет до 700–800°, а газа в газовых турбинах — до 1000°.

Пар или газ разъедает металл, потому что действует на него химически. А когда пар остывает, мельчайшие водяные частички, несущиеся со сверхзвуковой скоростью, истирают металл, разрушая его.

Лопатки турбины могут к тому же вибрировать, колебаться с большой частотой, так как пар или газ поступает на них прерывистой струей.

Пожалуй, если бы я попробовал перечислить и объяснить все, что мы требуем от металла турбины, это заняло бы целую главу. А коротко это займет одну строчку: прочность — механическую, химическую, вибрационную, тепловую.

Таким прочным металлом располагает современный инженер.

Железо выдерживает напряжение всего 2 тонны на квадратный сантиметр. А теперь существуют сплавы железа — стали, выдерживающие 20 тонн на квадратный сантиметр. В 10 раз удалось увеличить прочность железа! Прочность легких авиационных алюминиевых сплавов в 8 раз больше, чем у чистого алюминия.

Сплавы жаропрочные переносят температуры до 1000°. Сплавы холодостойкие не теряют прочности при температурах, близких к абсолютному нулю, к минус 273°. Технике нужны сплавы для работы при давлении в сотни и тысячи атмосфер и при глубоком вакууме, когда давление близко к нулю, — и такие сплавы есть теперь.

Этот перечень можно значительно продолжить.

Словом, выбор у современного инженера неизмеримо больше, чем у его предшественников. Прочность — одно из главнейших свойств, важных для машиностроителя, — выросла у основных материалов в 5— 10 раз.

Как добилась техника таких успехов?

Учение о свойствах и поведении металлов стало путеводной звездой для металлургов, создателей новых сплавов. Новые способы исследования и испытаний дали им возможность заглянуть во «внутренний мир» металла. И все это позволяет ныне «управлять» металлом, менять его свойства сознательно, в нужную нам сторону.

Может быть, слово «управлять» и вызовет улыбку, когда речь идет не о машине, а о мертвом металле. Но какое еще слово могло бы так же точно выразить то, что творят металлурги!

В центробежных воздушных машинах (компрессорах) металл работает при десятках тысяч оборотов в минуту. Он обладает огромной прочностью при невысоких температурах.

В камерах сгорания ракетных двигателей металл работает при 1000°. Он жаростоек при небольших нагрузках, ведь камера неподвижна.