НАУКА О ПРОЧНОСТИ

УСТАЕТ ЛИ МЕТАЛЛ

Тремительно мчится паровоз. Пар гонит поршни по ци­линдрам. Штоки тянут и толкают шатуны. Все детали движутся быстро и непрерывно. Неужели никогда «не устают»?

Движется шток вперёд и назад. Сталь, из которой он сделан, то растягивается, то сжимается. Растяжение и сжатие сменяют друг друга, десятки и сотии миллионов растяжений н сжатий за долгую жизнь паровоза!

«Шток испытывает многократную знакопеременную нагрузку»,— скажет инженер. Растяжение сменяется сжатием—нагрузка меняет направление своего действия, меняет знак; и так много раз подряд.

Знакопеременным нагрузкам подвергается не только шток паровоза, но и многие другие детали машин: парово­зов, вагонов, двигателей, станков. Вот, например, ось ва­гона.. Колёса посажены на неё наглухо, и ось вращается вместе - с ними. Под тяжестью вагона ось изгибается. Материал верхней её части испытывает растяжение, а ниж­ней— сжатие. Но во время движения поезда ось вра­щается, и те волокна, которые только что находились на­верху и раствгивались, через долю секунды уже оказы­ваются внизу и. сжимаются. Такая нагрузка называется знакопеременным изгибом.

Нередко/знакопеременный изгиб порождается колеба­ниями детали. Например, удары струй пара в ротор паро­вой турбины вызывают дрожание лопаток. Частота коле­баний очень велика — до 200000 в минуту; лопатки дро­жат, словно струны. Двести тысяч изгибов в минуту, более ста миллиардов изгибов в год!

Осмотр деталей, разрушившихся под воздействием многократной-знакопеременной нагрузки, показывает, что даже пластичные материалы в этом случае разрушаются подобно хрупким.

Познакомимся с испытанием материалов на выносли­вость (так называют способность материалов сопротив­ляться многократным нагрузкам).

Для этой цели применяют специальные машины. Одна из таких машнн показана на рис. 26. На валу электромо­тора укреплены два патрона с образцами испытываемого металла. К свободным концам образцов подвешивают грузы, изгибающие образцы и вызывающие в материале определённые напряжения.

Патроны с образцами начинают вращаться. Грузы всё время отгибают их вниз. Благодаря вращению материал образца испытывает знакопеременный изгиб, подобно па­ровозной оси.

За один оборот завершается полный цикл изменения нагрузки. Несложный механизм. ведёт счёт оборотам. Вдруг образец с треском ломается. Специальное устрой­ство останавливает мотрр. Образец, прежде чем сломался, выдержал 1200 тысяч циклов.

Заменяем образцы новыми, такими же, как и первые. Уменьшаем напряжения в металле, сняв тяжёлые грузы и установив более лёгкие. Заработала машина, счётчик на­чал отсчитывать обороты. На этот раз образец до поломки выдержал почти 4 миллиона циклов. Вставляем новые образцы и ещё более уменьшаем напряжения. Начинаем опыт в третий раз. Врт уже счётчик показал 10 миллионов оборотов, а образец всё ещё работает. Сколько бы мы ни продолжали испытание, всё равно не дождались" бы раз­рушения образца.

Опыты, подобные вышеописанным, показывают, что, постепенно уменьшая нагрузку при каждой смене образ­цов, можно найти Такую величину напряжения, при кото - рой сталь выдерживает уже практически неограниченное число цикдрв нагрузки. Это напряжение называется пре­делом выносливости металла.

Результаты испытаний изображают в виде диаграммы выносливости (рис. 27). Вдоль горизонтальной оси диа­граммы откладывают число циклов нагрузки до момента разрушения образца, а вдоль вертикальной оси-—напря­жения, вызываемые в образце нагрузкой. На диаграмме видно, что по мере уменьшения напряжений возрастает число циклов нагрузки, необходимое для разрушения об­разца. Правая часть кривой идёт горизонтально. Это зна - 50 чит, что яри напряжений, равном пределу выносливости или меньшем, материал может выдерживать неограничен­ное число циклов нагрузки.

Если при работе паровоза знакопеременные напряже­ния в материале штока никогда не превышают предела выносливости, то шток будет работать неограниченно долго, он никогда не «устанет», не сломается. Если же на­пряжения в штоке превышают этот предел, то рано или поздно произойдёт катастрофа. И она случится не сразу, не при первом пробном пробеге паровоза, а через некото­рое время, может быть, через несколько месяцев или даже лет безупречной работы.

Внезапность, неожиданность поломки деталей машин от «усталости» делает такие аварии особенно опасными.

Важно отметить, что предел выносливости мате­риала всегда меньше его предела прочности (обычно в 2—3 раза), зачастую даже меньше предела текучести.

Знакопеременная многократная нагрузка гораздо опас­нее для-прочности металла, чем спокойная. Это объяс­няется тем, что уже при сравнительно небольших напря­жениях в отдельных зёрнах металла, менее прочных, чем другие, появляются пластические сдвиги - При многократ­ной смене напряжения эти сдвиги дают начало мякроско-' пической трещине. В дальнейшем трещина постепенно растёт, и в конце концов деталь, ослабленная трещиной, ломается.

Появление трещины остаётся незамеченным, так как деталь в целом не испытывает пластических деформаций, металл до самого момента разрушения работает нор­мально.

Борьба с «усталостью» металла приобретает особенно важное значение в наше время, когда значительно увели­чились скорости работы разнообразных машин. Чем больше скорость, тем чаще сменяется нагрузка, тем больше число её циклов за время службы машины и тем разрушительнее последствия излома движущейся детали.

Своевременно обнаружить развивающуюся трещину, чтобы сменить повреждённую деталь, почти невозможно. Поэтому машина должна быть сделана так, чтобы появ­ление трещины усталости в течение нормального срока службы машины было исключено. В решении этой задачи участвуют и металлурги, и конструкторы, проектирующие машины, и технологи, выбирающие способы изготовле­ния деталей, и люди, управляющие работой построенной машины.

При остываяии стали, выплавленной на металлургиче­ском заводе, а также при прокатке и ковке внутри ме­талла иногда Образуются трещины или пустоты. На по­верхности их не видно. Из такого металла будет изготов­лена деталь машины. Небольшая трещина или пустота незначительно снизит прочность детали, работающей при спокойной нагрузке. Но если деталь будет работать при знакопеременной нагрузке, трещина быстро увеличится и деталь очень ско'ро сломается.

Вот почему слитки и поковки, идущие на изготовление ответственных частей машин, в особенности таких крупных многотонных деталей, как валы турбогенераторов, круп­ных электромоторов и двигателей, обязательно прове­ряются на отсутствие внутренних трещин и пустот. Для этой цели существуют специальные приборы — дефекто­скопы, позволяющие обнаружить невидимые глазу внут­ренние пороки металла.

Однако не только невидимые трещины являются опас­ными. Подобно трещинам, очаг разрушения создают острые надрезы или выточки на поверхности деталей, шпо­ночные канавки валов, резкие изменения диаметра вала (рис. 28). Это учитывает конструктор, разрабаты­вая чертежи детали, подвергающейся знакоперемен­ным нагрузкам. Он старается придать ей ' по возмож­ности плавные очертания, избежать выточек с острыми 52 углами, резких Переходов от. тонкой части к утолщени­ям и т. п.

Небрежная, грубая обработка деталей также может стать причиной появления трещин. Например, после гру­бой обточки на. поверхности детали остаётся след резца, неглубокая спиральная канавка, похожая на резьбу болта. Если её не ликвидировать, то впоследствии на дне такой канавки легко образуется трещина усталости. Вот почему технологи обязаны заботиться о том, чтобы сгладить следы обточки последующей шлифовкой, а в особо ответ­ственных случаях даже полировкой. Полированная деталь

Выдержит знакопеременную нагрузку, в полтора-два раза большую, чем грубо обточенная.

Но вот изготовлены все детали. Машина собрана и от­правлена на стройку, в шахту, в колхоз, на железную до­рогу. Здесь за машиной надо следить — чистить и смазы­вать её, не давать ржаветь стальным деталям. Пятна ржавчины не только портят внешний ввд; ржавчина, разъедая гладкую поверхность, создаёт очаг разрушения, слабое место, на котором легко появится и разовьётся ги­бельная трещина усталости.

Но, разумеется, ни плавйые очертания, ин полирован­ная поверхность, ни хороший уход не спасут деталь от разрушения при воздействии многократной знакоперемен-

Г»з

Ной нагрузки, если конструктор не обеспечит ей необходи­мую прочность правильным выбором поперечных разме­ров. Принимая во внимание, что предел усталости металла гораздо ниже предела прочности, конструктор, рассчиты­вая деталь, подвергающуюся опасности разрушения от усталости, берёт коэффициент запаса от 5 до 15, в зави­симости от материала и условий работы детали. Пра­вильно рассчитанная деталь будет надёжно работать при многократной знакопеременной нагрузке.