Конструкции, или почему не ломаются вещи - Гордон Джеймс Эдвард. Страница 67
Таким образом, крошечные, не видимые глазом трещинки могут появитьсяв любом отверстии, выемке или нерегулярности в напряженном металле и начатьраспространяться дальше, никак не изменяя внешнего вида детали. Рано илипоздно такая "усталостная трещина" достигает критической длины. При этомскорость ее распространения возрастает и трещина быстро проходит черезвесь материал, часто с очень серьезными последствиями. Уже после разрушенияусталостную трещину сравнительно легко распознать по характерному полосчатомувиду поверхности усталостного разрушения. Однако до разрушения начало усталостногопроцесса проследить практически невозможно.
Естественно, металловеды проводят многочисленные испытания материаловна усталость, для чего разработано очень много различных типов испытательныхмашин. Общепринято рассматривать усталостные свойства материала при знакопеременныхнапряжениях (±s), которые обычно возникают, например,во вращающихся осях любого транспортного средства. (Существуют способыпреобразования этих результатов применительно к другим условиям циклическогонагружения.) Величину знакопеременного напряжения ±sобычно откладывают на графике в зависимости от логарифма числа nциклов нагружения, при котором произошло разрушение образца. Этот графикназывают усталостной кривой (или ±s-n-диаграммой).Типичная усталостная кривая для обычной стали показана на рис. 155.
Рис. 155. Типичная усталостная кривая для железа или стали.
Можно заметить, что с увеличением n разрушающеенапряжение сначала падает, но после примерно миллиона циклов выходит напостоянный уровень, называемый "пределом усталости". Миллион циклов нагружениядля осей автомобиля или вагона эквивалентен пробегу примерно 3000 км, адля двигателя машины, коленчатый вал которого, конечно, вращается быстрееее колес, - примерно 10 ч работы.
Существование определенного предела усталости для материалов типа железаи стали весьма удобно для инженера. Если машина сделала 106или 107 оборотов, для чего может понадобиться лишь несколькочасов, то появляется надежда, что она будет работать почти бесконечно.Но усталость материала - это опасность, которая всегда нуждается в специальномрассмотрении.
Алюминиевые сплавы не имеют определенного предела усталости, их усталостнаяпрочность непрерывно падает с ростом n, как показано на рис. 156. Вследствиеэтого они более опасны в применении, что в какой-то мере оправдывает стародавнеепредубеждение к ним и предпочтение им стали.
Рис. 156. Сплавы цветных металлов, например сплавы алюминия или латунь,обычно не имеют фиксированного предела усталости.
Катастрофы с "Кометами", которые произошли в 1953 и 1954 гг., вызвали,конечно, вполне оправданную тревогу. Расследование этих инцидентов, предпринятоеАрнольдом Холлом совместно с большой группой экспертов, представляет собойклассический образец не только инженерного исследования, но и глубоководныхспасательных работ. Разрозненные части одного из самолетов, упавшего вСредиземное море, приходилось собирать на дне и поднимать с глубины околосотни метров. Спасателям удалось собрать практически все, и бесчисленныеобломки самолета покрыли пол большого ангара в Фарнборо. При этом, насколькоя помню, максимальный размер обломка не превышал 60-90 см.
"Комета" была одним из первых самолетов, имевших фюзеляж с наддувом,чтобы избавить пассажиров от дискомфорта, связанного с резким перепадоматмосферного давления при изменении высоты. Сегодня мы уже забыли, чтопрежде, пролетая над горами, приходилось обедать в кислородной маске. Всамолетах с наддувом фюзеляж представляет собой цилиндрический сосуд стонкими стенками, перепад внутреннего и наружного давления для этого сосударастет с каждым набором высоты и падает с каждым снижением самолета.
Роковая ошибка конструкторов "Кометы" состояла в том, что в этих условияхони не обратили достаточного внимания на опасность "усталости" металлав местах концентрации напряжений. Фюзеляж "Кометы" был изготовлен из алюминиевыхсплавов, а предыдущий опыт фирмы "Хэвиленд" относился к производству восновном деревянных самолетов, в том числе и триумфального "Москито". Яне хочу предположить даже на минуту, что конструкторы фирмы "Хэвиленд"ничего не знали об усталости, но, возможно, именно опасность усталостиалюминиевых сплавов не проникла достаточно глубоко в сознание коллектива.Дерево гораздо менее чувствительно к усталости, и в этом заключается одноиз больших его преимуществ.
В каждой из этих аварий трещины, образуясь скорее всего около небольшихотверстий в фюзеляже, медленно и незаметно развивались, пока их длина недостигала "критической длины Гриффитса". После этого обшивка мгновенноразрушалась и весь самолет взрывался, словно надутый воздушный шар. Многократнонадувая воздухом фюзеляж "Кометы" в наполненном водой бассейне в Фарнборо,Арнольду Холлу удалось воспроизвести этот эффект так, что его можно былонаблюдать, как при замеделенной съемке.
Одна из основных причин описанных аварий крылась в том, что усталостныхтрещин никто никогда не замечал. Скорее всего, на них трудно было обратитьвнимание из-за очень малой длины: они были невидимы при обычном осмотре.В настоящее время самолеты проектируются в расчете на сохранность фюзеляжапри трещине длиной в десятки сантиметров, а такую трещину нельзя не заметитьдаже при самом поверхностном осмотре. Тем не менее известна анекдотичнаяистория о двух уборщицах лондонского аэропорта. Поздно ночью, закончивуборку пустого салона самолета и закрыв дверь, они остановились на ступенькахтрапа, и здесь между ними произошел такой разговор.
—?Мэри, ты не выключила свет в туалете.
—?Откуда ты знаешь?
—?Разве ты не видишь - вон светится трещина в стенке?
Катастрофы деревянных кораблей
Во времена, когда еще не было железных дорог, почти все тяжелые грузыдоставлялись по воде. Кроме океанской и континентальной торговли, а такжевнутренней торговли, осуществлявшейся по рекам и каналам, процветала интенсивнаяприбрежная торговля. Тысячи маленьких бригов и шхун, запечатленных на карикатурахУ.У. Джекобса, перевозили всех и вся не только между прибрежными гаванямии портами, но и между самыми разными точками берега. Корабль приставалк берегу во время прилива, а с наступлением отлива разгружал свой груз(уголь, кирпич, известку или мебель) прямо в телеги, выстраивавшиеся вдольего бортов. С приливом судно опять уходило в море, чтобы повторить всесначала где-нибудь в другом месте.
Естественно, это было довольно рискованным занятием, но в XVIII в. большинствоэтих маленьких посудин в самые суровые зимние месяцы позволяло себе отдохнуть,подремонтироваться, а команда тем временем навещала свои семьи и местныепитейные заведения. Это довольно идиллическое и не связанное со слишкомуж большими опасностями течение дел в XIX в. было нарушено возросшей конкуренцией.Под давлением условий коммерции суда были вынуждены плавать в течение всегогода, не позволяя себе, как правило, дожидаться хорошей погоды. Регулярностьплавания этих корабликов заставила бы краснеть служащих многих современныхжелезных дорог.
Но, конечно, за все приходится платить. В середине 30-х годов XIX в.у побережья Англии ежегодно происходило в среднем 567 кораблекрушений,в результате чего в год погибало в среднем 894 человека. Не мне судить,хуже ли это или лучше, на тонну-милю перевезенного груза, чем у современныхгрузовиков, но, во всяком случае, общественное мнение было взволнованои парламент образовал специальный комитет для расследования причин кораблекрушений.Заслушав огромное количество свидетелей, комитет установил, что, за незначительнымисключением, причиной случившегося послужили: 1) дефекты конструкции, 2)недостатки в оснастке судов, 3) отсутствие своевременного ремонта.