НАУКА О ПРОЧНОСТИ

ПРОЧНОСТЬ ПРИ УДАРЕ

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.

Понятно, что инженерам — создателям машин — со­вершенно необходимо знать, как удары влияют на мате­риалы, из которых сделаны машины. И не только инжене­ры, но и машинисты 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

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 раврушаются 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 изделии, 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 их на разрыв при постепенно увеличивающейся нагрузке

Даёт одинаковые результаты: стержни разорвутся при од­ной и той же нагрузке. Иная картина получится, если стержни испытать на разрыв при ударной гшрузке. 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 на - блюдается 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 стержня будет испы­тывать пластическую деформацию и сильно удлинится. Толстая же часть останется упругой н деформируется очень мало. Таким образом, противодействовать удару, поглощая его энергию, будет главным образом тонкая часть, а утолщённая 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.