НАУКА О ПРОЧНОСТИ

ЛЕЗВИЕ БРИТВЫ И КОМОК СЫРОЙ ГЛИНЫ

Сли прекратить испытание в тот момент, когда напряже­ние в металле достигло предела пропорциональности, и освободить образец, он примет свои первоначальные раз­меры,— удлинение исчезнет.

Деформация, исчезающая после снятия нагрузки, назы­вается упругой деформацией, а способность тел восстанав­ливать свою первоначальную форму после прекращения действия деформирующих сил называют упругостью.

*) Относительным удлинением называют отношение удлинения, возникшего при растяжении образца, к его первоначальной длине. Иными словами, это удлинение, приходящееся на долю каждого сантиметра образца.

Это ценное качество металла широко используется в технике. Работа всевозможных пружин, рессор и многих других деталей основана на упругости тел.

По своей природе упругая деформация металла пред­ставляет собой временное искажение его кристаллических решёток. Как только внешние нагрузки, вызвавшие дефор­мацию, прекратились, силы взаимодействия атомов тотчас же восстанавливают первоначальные очертания кристал­лических решёток и упругое тело принимает свою перво­начальную форму.

Упругость свойственна всем материалам. Но степень упругости каждого из них различна. Стремительно разги­бается лезвие безопасной бритвы: оно изготовлено из упругой стали. Иные свойства имеет, например, глина. Комок сырой глины на первый взгляд кажется лишённым упругих свойств. Однако на самом деле это не так. Глина обладает упругостью, хотя и очень малой.

В природе нет материалов Как абсолютно упругих, так и совершенно неупругих. Например, стальной пруток упруг, пока мы сгибаем его с небольшой силой. Но, увели­чивая изгиб всё сильнее и сильнее, мы скоро заметим, что пруток уже не распрямляется полностью, а остаётся немного согнутым.

Значит, некоторая деформация остаётся и после пре­кращения действия внешних сил. Этот вид деформации называют остаточной или пластической деформацией.

Пластическая деформация есть признак того, что напряжения в металле под действием нагрузки превысили величину, называемую пределом упругости. Состояние материала - при пределе упругости мы отметим на диа­грамме точкой Б (см. рис. 7).

Во время работы машин многие детали их не должны подвергаться сколько-нибудь заметным остаточным дефор­мациям. Конструктор должен сделать так, чтобы напряже­ния в таких деталях не превышали предела упругости материала.

Обратим внимание ещё на одно обстоятельство. Усилие пресса растягивает стальной образец, оно воздействует на стержень через захваты реверсора. Один из таких захва­тов перемещается по мере растяжения образца. Таким образом, видно, что образец деформируется под действием силы, точка приложений которой перемещается. Следова­тельно, при растяжении образца совершается работа. За
счёт этой работы в деформируемом теле накапливается энергия, называемая потенциальной. Слово «потенция» в переводе с латинского языка означает «возможность». Иначе говоря, потенциальная энергия скрыта в теле и мо­жет проявиться при известных условиях, переходя в дру­гие виды энергии.

В самом деле, когда действие силы прекращается и тело начинает восстанавливать свою форму, оно расхо­дует накопленную потенциаль­ную энергию, производя ту или иную работу.

Рассмотрим простой пример. Мы заводим часы, совершая при этом работу, без кото­рой невозможно деформировать пружину. Производимая нами работа накапливается в пружи­не в виде потенциальной энер­гии. Заведённые часы идут больше суток. В это время пру­жина отдаёт свои запасы энер­гии. Потенциальная энергия пружины расходуется на пре­одоление трения в часовом ме­ханизме. Одновременно пружи­на восстанавливает свою фор­му, которую она имела перед заводом.

Так и любая деталь машины или сооружения при деформации накапливает энергию и расходует её, восста­навливая свою форму.

Пресс продолжает растягивать образец, и автомат за­писывает все изменения деформации и напряжений. Обра­тимся снова к диаграмме, вычерчиваемой прибором. Перо прочертило небольшой криволинейный участок и теперь снова прокладывает прямую линию, но на этот раз уже не круто взбегающую вверх, а горизонтальную, отмечен­ную на диаграмме рис. 8 буквами В и Г.

Наступило состояние материала, называемое теку­честью. Напряжение, которое при этом испытывает ме­талл, называется пределом текучести. Сталь как будто потеряла способность противостоять усилию пресса. Ма­териал «течёт», говорят инженеры. Быстро нарастает

2 Ю. М. Ьогданоь
остаточная (пластическая) деформация, при которой происходят сдвиги слоев атомов в кристаллических зёрнах металла.

В кристаллической решётке каждого металла суще­ствуют определённые плоскости, по которым слои атомов сдвигаются легче, чем по другим направлениям. Они назы­ваются плоскостями наилегчайшего скольжения. На рис. 9 эти плоскости обозначены пунктирными линиями. Однако, как показано на этом же рисунке справа, не все плоскости наилегчайшего скольжения «работают» при пластической деформации.

Дело в том, что ещё при образовании кристалла из расплавленной массы металла строгий порядок располо­жения атомов в решётке кое - где нарушается, образуются местные сдвиги атомов, сла­бые точки кристалла. Именно там, где имеются эти «изъя­ны», в кристаллической ре­шётке и происходят при де­формации металла пластиче­ские сдвиги.

О том, что пластическая деформация представляет со­бой сдвиг слоёв металла, сви­детельствует и внешний вид испытуемого образца. При наступлении текучести его зеркально отполированная поверхность 'как будто мутнеет, покрывается сеткой тон­чайших бороздок. Эти линии, впервые обнаруженные зна­менитым русским металлургом Д. К. Черновым,— не что иное, как следы пластических сдвигов в кристаллах, рас­положенных у поверхности образца.

Появление пластического сдвига ен. ё не означает раз­рушения металла. Сдвинувшиеся с. к и кристаллов ещё прочно сцеплены друг с другом. Металл «потёк», но до разрыва образца ещё далеко.

Пластическая деформация отличается тем, что она нарастает без увеличения вызвавших (ё нагрузок и, сле­довательно, без увеличения напряжений, тогда как для нарастания упругой деформации необходимо постоянное увеличение напряжений в металле.

Горизонтальная линия диаграммы (см. рис. 8) на участке текучести -— свидетельство того, что в образце происходит быстрый рост пластической деформации.

Пластическая деформация, в отличие от упругой, не исчезает и после прекращения действия нагрузки: она остаётся; поэтому её и называют остаточной деформацией.

Простая модель поможет нам выяснить связь и разли­чие между упругой и пластической деформациями. На рис, 10 изображена стальная проволока длиной в 1 м,

2*

Растягиваемая грузами, которые мы накладываем на пло­щадку. Площадь поперечного сечения проволоки 1 мм2. Положив на площадку гирю 10 кг, мы не заметим на глаз удлинения проволоки, однако с помощью точного прибора нам удалось бы обнаружить, что проволока растянулась примерно на полмиллиметра. Положим ещё одну такую же гирю. Удлинение увеличится до I миллиметра. Снимем гири с площадки, и* прибор тотчас покажет, что проволока сократилась до своей первоначальной длины — один метр; деформация исчезла. Это была упругая деформация.

Положим теперь на площадку груз 30 кг. Мы легко заметим на глаз, что проволока начала вытягиваться. Удлинение продолжается, хотя мы и не подкладываем больше гирь на площадку. Удлинение прекратится, когда проволока растянется примерно на 100 мм. Когда же-мы снимем гири, то не заметим уменьшения длины проволоки; и только тщательное измерение позволит установить* что её длина уменьшилась приблизительно на полтора милли­метра. Осталось удлинение на 98,5 миллиметра. Это — остаточная, пластическая деформация. Итак, величина упругой деформации при нагрузке 30 кг составляла пол­тора миллиметра; эта деформация исчезла, как только мы сняли нагрузку.

, - Однако продолжим рассмотрение текучести материала.

Предел текучести, т. е. напряжение, при котором зна­чительно возрастает остаточная деформация, представляет собой очень важный показатель свойств материала. При испытаниях предел текучести тщательно фиксируют и за­писывают в «паспорт металла».

Если растягивать образцы из высокоуглеродистой стали, меди и многих других металлов, то на диаграмме нельзя заметить горизонтального участка, говорящего о наступлении текучести. В таких случаях за предел теку­чести условно принимают напряжение, при котором оста­точное удлинение образца составляет 0,2% его первона­чальной длины.

Но и для мягкой стали состояние текучести кратковре­менно. Посмотрите на диаграмму рис. 11. После точки Г Перо уже движется вверх. Сталь как будто бы снова обрела способность сопротивляться растяжению. Насту­пило, как говорят, «упрочнение» металла.

Но Теперь дело идёт совсем не так, как в начале испы­тания. Образец сильно вытягивается, он уже удлинился

Примерно на одну шестую своего первоначального раз - ' мера, т. е. в десятки раз больше, чем к началу текучести. ; А между тем напряжение возросло меньше чем вдвое по.=■ сравнению с пределом текучести.

Наблюдая за образцом, легко заметить, что стержень в одном месте начинает сужаться, образуется так называе - , мая «шейка». С появлением шейки прекращается и подъём пера. Достигнув наивысшей точки (на рис. 11 — точка Д),

Оно начинает постепенно опускаться. Линия диаграммы идёт вниз. Падает усилие пресса, растягивающее образец.

Гайка пресса продолжает вращаться. Нарастают пла­стические сдвиги, шейка постепенно вытягивается, стано­вится всё тоньше и, наконец, разрывается. Сопротивление материала пластическому сдвигу и счерпано. Образец раз­рушен, испытание окончено.

Наибольшее напряжение в поперечном сечении об­разца, замеченное при испытании, называют пределом прочности материала. Именно эту величину прежде всего учитывает конструктор, выбирая материал для деталей будущей машины. Разумеется, прочность различных мате­риалов далеко не одинакова.

Но отличаются материалы один от другого не только прочностью. Каждый из них под воздействием усилий

3 Ю. М. Богданов

Деформируется и разрушается по-своему, в зависимости от присущих именно ему качеств.

Стальной стержень прежде чем разорваться, сильно вытягивается (для некоторых марок стали удлинение перед разрывом превышает 30%). В основном это удли­нение проходит за счёт пластической (остаточной) дефор­мации, так как сталь пластична, способна к большим остаточным деформациям. В этом свойстве заключается большая ценность стали.

Пластичность материала — весьма важное свойство, позволяющее наиболее полно использовать его прочность в деталях машин и сооружений. Деталь из пластичной стали при чрезмерном увеличении нагрузки сигнализирует своей постепенной деформацией о приближении момента поломки. Пластичные материалы хорошо противостоят действию ударов, толчков, неизбежных при работе многих машин. Благодаря способности металла к пластической деформации, мы можем его ковать, прокатывать, делать из него трубы и проволоку, штамповать кузовы легковых автомобилей, выполнять сотни других операций обработки.

Чем больше остаточное удлинение, тем пластичнее материал. Но есть материалы, почти неспособные к оста­точным деформациям, они непластичны, хрупки. Их разру­шение при растяжении происходит не в результате разви­тия пластических сдвигов, а за счёт отрыва частиц мате­риала друг от друга. Растягивая чугунный образец, мы увидим, что он лопнет, не удлинившись и на сотую долю первоначального размера. Чугун, стекло, камень разры­ваются внезапно, без заметного удлинения и без образо­вания шейки.

Хрупкость — отрицательное свойство материала. Тем не менее, многие хрупкие материалы находят широкое при­менение в технике. Чугун, камень, кирпич, бетон хрупки, они легко разрушаются при растяжении или ударе, но зато вполне удовлетворительно работают па сжатие, выдерживая большую нагрузку. Поэтому инженеры, зная свойства различных материалов, умело используют их положительные качества и находят каждому из них целе­сообразное применение.

Испытание металла на растяжение даёт важнейшие сведения о его прочности и пластичности. Результаты опыта помогают конструктору правильно выбрать наилуч­ший материал для деталей машины или сооружений.

Чтобы создать лёгкую и прочную машину, инженеры стремятся возможно полнее использовать прочность мате­риала, заставить металл деталей работать с наибольшим напряжением, не допуская, однако, разрушающего напря­жения. Как правило, детали машины не должны подвер­гаться заметным остаточным деформациям. Чтобы выпол­нить эти условия, необходимо знать предел прочности, предел текучести и пластичность материалов, из которых будут изготовлены детали машины. Все эти сведения н добываются в лабораториях по изучению прочности.

Испытание материалов на растяжение представляет собой один из видов многочисленных и разнообразных опытов, проводимых в лаборатории прочности. Без этих исследований пе создаются машины и coopj-жеиия.

Подобно тому, как аэродинамика и гидродинамика, т. е. науки, помогающие строить шлюзы, плотины, корабли и самолёты, не могут обойтись без исследований в аэро­динамических трубах, опытных бассейнах и каналах, так и наука о сопротивлении материалов не может развиваться без изучения свойств материалов в лабораториях

«Как ни совершенно крыло птицы, оно никогда бы пе смогло поднять её ввысь, не опираясь на воздух. Факты — это воздух учёного, без них вы пикогда не сможете взле­теть. Без них паши «теории» — пустые потуги». Эти слова замечательного советского ученого академика И. П. Пав­лова справедливы для любой области науки. Сопротивле­ние материалов — не исключение из этого правила, и в нем решающее слово принадлежит опыту.

Мы уже говорили о том, что многие хрупкие мате­риалы, плохо сопротивляясь растяжению, способны вы­держивать большие сжимающие нагрузки. В лаборатории изучают хрупкие материалы, подвергая их сильному сжатию.

Образцы из хрупких материалов берут для испытания на сжатие в виде кубиков или коротких толстых цилиндри - • ков. Допустим, что"кубик сделан из бетона. Его кладут иод прссс и постепенно увеличивают нагрузку.

Линия на бумажном листе, обёрнутом вокруг бара­бана, ползёт вверх до тех пор, пока нагрузка пе достиг­нет разрушающей величины. Образец ломается, у него выкрашиваются бока, он становится похож на две пира­миды, обращенные друг к другу вершинами. По-ипому ве­дёт. себя под прессом чугунный цилиндрик. Оп разру­шится, рассечённый наклонными трещинами. А цилиндрик из мягкой стали не раздробится, а сплющится в лепешку.

Результаты- испытания бетона и чугуна на сжатие по­казывают, что чугун примерно вчетверо, а бетон — в де­сять раз прочнее при сжатии, чем при растяжении.

Но нередко конструкциям приходится работать одно­временно и на сжатие и на растяжение. В этих случаях их часто делают из двух материалов, обладающих требуе­мыми свойствами. Например, железобетон представляет собой сочетание стали и бетона. В нём сталь (арматура) отлично противодействует растяжению, а окружающий её бетон — сжатию.