Борьба за скорость - страница 14
А ведь даже всего полвека назад выбор у инженера был невелик: чугун, железо да обыкновенная сталь. Инженер сегодняшнего дня из них; мало что смог бы построить: для наших современных быстроходных машин эти материалы не годятся.
Почему? Чтобы на это ответить, нужно вспомнить о прочности.
Что такое прочность? И как ее оценить, как узнать, насколько прочен металл?
Дело, казалось бы, нехитрое. Веревка рвется, если ее с большой силой потянуть за концы.
На каждый квадратный сантиметр сечения веревки, когда ее растягивают, действует определенная сила — напряжение. Оно все возрастает, и наступает момент, когда внешние растягивающие силы становятся больше сил внутренних, сил сцепления молекул между собой. Веревка разрывается. Напряжение стало больше допустимого — того, которое материал еще выдерживает, не разрушаясь.
Нагрузки, которые приходится испытывать деталям машин, разнообразны: это и растяжение, и изгиб, и кручение, и сжатие. Все они вызывают напряжения в металле.
Можно рассчитать, какими будут эти напряжения. Но как узнать, выдержит ли их металл?
Здесь слово предоставляется теоретическим расчетам, которые проверяются опытом. Образец из металла укрепляется в зажимах испытательной машины. Растет напряжение. Сначала металл стойко сопротивляется нагрузке. Металлический стерженек слегка удлиняется, он как бы поддается силе, но еще крепка — связь между его частичками, еще велики внутренние силы. Потом металл перестает удлиняться, хотя нагрузка растет. В металле идут невидимые глазом процессы. И вдруг в одном месте, примерно в середине, он начинает утончаться и сразу рвется.
Отмечено напряжение, при котором разорвался образец. Это предел прочности. Зная его, конструктор сможет сделать машину прочной. Он так рассчитает каждую деталь, чтобы нигде действующее напряжение не превысило этого предела. Мало того, он намеренно обеспечит «запас прочности», сделает части машин более прочными, чем нужно.
Каким брать этот запас, вопрос далеко не праздный. Ведь расчетом всего не предусмотришь. Еще недавно зарубежные инженеры называли этот запас «коэффициентом незнания». Я не знаю, что может случиться, и потому застраховываюсь от аварии — вот что это значило.
А о прошлом и говорить не приходится. Громоздкие, тихоходные машины прошлого века, да и начала настоящего — вот результат такой перестраховки. Незнание — ее причина.
Однако случалось, что машины выходили из строя, хотя нагрузки не превышали допустимых, а запас прочности, казалось бы, гарантировал от неожиданностей. Части машин разрушались гораздо раньше, чем рассчитывали. Жизнь машины внезапно обрывалась.
Причину стали искать — и нашли в условиях работы самих машин.
Нагрузка не остается все время постоянной. Она меняется или по величине, или по направлению. Металл детали может, например, то растягиваться, то сжиматься и притом много раз за время работы машины.
Напряжения в лопатках турбин меняются в минуту от 3 до 200 тысяч раз!
И металл «устает». Слабые места — те, прочность которых ниже, чем у остальных, начинают сдавать. А такие слабые места всегда есть, потому что металл состоит из множества мельчайших кристалликов, которые не все одинаково прочно связаны друг с другом.
Стоит такому непрочному соединению разрушиться, и усталостная трещинка растет, пока, наконец, вся деталь не ломается.
Советские исследователи, изучавшие свойства металлов, пришли к выводу, что усталостная прочность зависит от многих причин, среди которых немалое место занимает тщательная обработка поверхности. И здесь слово предоставляется технологам, которые находят способы бороться с усталостью, упрочняя поверхность деталей.
Исследования советских ученых в области прочности имеют важнейшее значение в борьбе за долговечность машин.
В лаборатории прочности.
Без преувеличения можно сказать, что новая высокоскоростная техника во многом обязана своим рождением успехам науки о прочности металлов.
Из года в год, из десятилетия в десятилетие растут напряжения в машинах.
Еще сравнительно недавно мы имели дело с нагрузками в 1–2 тонны на квадратный сантиметр. А уже сейчас нагрузка выросла до 4 тонн, и не за горами время, когда и эта нагрузка увеличится еще в 2–4 раза.
