Джеймс Гордон - Конструкции, или почему не ломаются вещи

Такие большие корабли, как современные танкеры, рассчитаны на эксплуатацию в течение примерно 15 лет, и, как правило, их дешевле разрезать на металлолом, чем красить. Срок службы автомобилей по той же причине обычно еще меньше. Правда, для некоторых конструкций можно использовать нержавеющую сталь, но она не всегда спасает от коррозии, к тому же она дорого стоит и значительно труднее обрабатывается. Кроме того, нержавеющую сталь отличают невысокие усталостные свойства.

Именно это послужило одной из причин широкого использования алюминиевых сплавов. Но во многих случаях жесткость алюминия оказывается все же недостаточной, не говоря уже о его высокой стоимости. Существенным недостатком являются также и трудности со сваркой. Некоторые социалистические страны видят за алюминием большое будущее и вкладывают значительные средства в развитие его производства. В 1961 г. лондонская биржа была взволнована контрактами между "Тьюб инвестментс" и "Бритиш алюминиум". Однако рынок алюминия не расширился в той мере, которой ожидали заинтересованные в этих сделках бизнесмены. Кроме того, производство алюминия требует значительно больших энергетических затрат, чем производство стали.

Даже если свойства материала, используемого в конструкции, со временем не ухудшаются, ее надежность все же зависит от различного рода случайностей, которые не всегда можно предвидеть. Многие конструкции разрушаются только при исключительных обстоятельствах (корабль - при чрезвычайно высоких волнах, самолет - при бешеном порыве ветра) и может пройти очень много времени, прежде чем это произойдет. Для некоторых сооружений фатально лишь необычное стечение нескольких обстоятельств. Для моста это может быть совпадение сильного ветра с чрезмерно интенсивным потоком транспорта. Хотя вероятность подобных ситуаций необходимо предвидеть, зачастую проходят годы, прежде чем они реализуются, и действительно, ненадежное сооружение может простоять долгие годы лишь потому, что оно так и не испытало настоящих нагрузок.

Конечно, инженеры, с ответственностью относящиеся к делу, в своих расчетах пытаются предвидеть необычайные ситуации, но очень часто пиковые нагрузки являются результатом того, что страховые компании называют "волей божьей" [123] А.П. Херберт определил "волю божью" как "то, чего не может ожидать ни один разумный человек" . .

Если корабль врежется в большой мост и при этом пострадает и мост, и корабль, как это произошло не так давно в Тасмании, то трудно сказать, что же именно нужно было учесть проектировщикам и моста, и корабля. Эта проблема относится не к конструкторам, а к местному отделению ассоциации судоводителей. Нельзя также сделать самолет, на котором не отразилось бы столкновение с горой. Мы хотим (до определенной степени, конечно) иметь такой автомобиль, чтобы, налетев на кирпичную стену, не нанести ущерба здоровью пассажиров, но не следует думать, что сам автомобиль после этого окажется годным к дальнейшему использованию.

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.