ПРОЧНОСТЬ ПРИ УДАРЕ
Р |
Абота почти всякой машины сопровождается более или менее сильными ударами. Даже тиканье наручных часов, которое можно услышать, только поднеся их совсем близко к уху, есть не что иное, как удары друг о друга мельчайших деталей часового механизма.
Рис. 23. Эти два вала сделаны из одного материала и имеют одинаковый вес; но трубчатый вал вдвое прочнее сплошного. |
Понятно, что инженерам — создателям машин — совершенно необходимо знать, как удары влияют на материалы, из которых сделаны машины. И не только инженеры, но и манщиисты экскаваторов, водители автомобилей, машинисты паровозов должны знать, как переносят их машины ударные нагрузки; это поможет им увеличить срок службы деталей машин, испытывающих удары при работе.
Величина спокойной нагрузки измеряется в килограммах, тоннах или других единицах силы. Величину ударной нагрузки так измерять нельзя. Ударная нагрузка определяется количеством энергии, передаваемой в момент удара от одного тела к другому. Например, камень, падающий из ковша экскаватора в кузов самосвала, обладает в момент удара определённой кинетической энергией. Эта энергия прекращается в энергию упругой и остаточной деформации кузова, рессор, колёс и других несущих деталей автомобиля, а также самого камня. Поэтому способность того или иного материала противостоять ударным
Рис. 24. Диаграмма растяжения: а — вдастичного материала; б—хрупкого материала. Заштрихованная площадь пропорциональна работе разрушения образцов. |
Нагрузкам определяется уже не пределом его прочности, а энергией деформации, которая может быть накоплена в одном кубическом сантиметре материала до разрушения.
Знакомясь с испытанием материалов на растяжение, мы упоминали о том, что чем больше деформация и напряжение, тем больше энергия, накапливаемая в материале. Следовательно, наибольшую энергию перед разрушением сможет накопить пластичный материал, способный к большим деформациям (рис. 24).
Хрупкие материалы к пластическим деформациям неспособны, они разрушаются при очень небольших деформациях. Поэтому хрупкие материалы плохо противостоят ударам, даже если предел прочности этих материалов велик. Вот почему не Делают из чугуна автомобильных рессор, пружин, железнодорожных рельсов и других деталей
и изделий, подвергающихся ударным нагрузкам. Такие детали должны быть изготовлены из пластичного материала, например из стали.
Однако ударная прочность детали машины зависит не только от материала, но и от формы и размеров.
На рис. 25 слева мы видим два стержня. Они выточены из одного прутка стали. Их диаметры одинаковы, но они разные по длине: один вдвое длиннее другого. Испытание
Даёт одинаковые результаты: стержни разорвутся при одной и той же нагрузке. Иная картина получится, если стержни испытать на разрыв при ударной nai рузке. Для разрыва длинного стержня потребуется почти вдвое более сильный удар, чем для короткого. Как же это объяснить?.
Причина состоит в том, что к моменту разрыва удлинение короткого стержня почти вдвое меньше, чем у длинного. Эта разница в деформации и приводит к тому, что энергия удара различна для разрыва короткого и длинного стержней.
Таким образом, длинные детали лучше противостоят ударному растяжению, чем короткие. Например, длинный трос или болт выдержит большую ударную нагрузку, чем короткий.
Длинный стержень при ударной нагрузке оказался прочнее потому, что он способен к большим деформациям, чем короткий, он более «податлив». Такая Же картина наблюдается и тогда, когда детали подвергаются ударному изгибу, скручиванию и сжатию. Всегда ударную нагрузку легче воспринимают более податливые, как бы пружинящие детали. Поэтому там, где нужно смягчить удар, ставят рессоры, пружины, резиновые прокладки, т. е. детали, отличающиеся большой податливостью, принимающие на себя действие удара, предохраняющие от него остальные части машины.
Познакомимся ещё с одной особенностью ударной прочности. На рис. 25 справа показаны два стержня одинаковой длины, они изготовлены из стали одной марки. Нижний имеет одинаковый диаметр по всей длине, а у верхнего половина утолщена вдвое. На первый взгляд может показаться, что утолщённый стержень при ударе будет прочнее. Однако это не так. В действительности деталь без утолщения может выдержать растягивающий удар почти вдвое более сильный, чем деталь с утолщением.
Это объясняется тем, что под воздействием растягивающего удара только тонкая часть стержия будет испытывать пластическую деформацию и сильно удлинится. Толстая же часть останется упругой и деформируется очень мало. Таким образом, противодействовать удару, поглощая его энергию, будет главным образом тонкая часть, а утолщёияая половина стержня останется «безработной». Следовательно, утолщение не, только не повышает, а, наоборот, снижает прочность детали при действии удара, оно как бы выключает часть стержня из работы.