Проверка прочности материала при переменных напряжениях

Основные понятия о влиянии переменных напряжений на прочность материала

Сопротивление материалов действию нагрузок, систематически изменяющих свою величину или величину и знак, существенно отличается от сопротивления тех же материалов статическому и ударному действию нагрузок. Поэтому вопрос о проверке прочности материала при действии переменных нагрузок требует особого изучения.

Давно известно, что части машин, подвергающиеся усилиям, переменным по величине и повторяющимся большое число раз, иногда ломаются внезапно, без наличия заметных остаточных деформаций, при напряжениях, которым они сопротивляются при статических нагрузках вполне надёжно. Внимание инженеров прежде всего привлекло именно то обстоятельство, что элементы машины, изготовленные из материалов, обладающих при обычных испытаниях прекрасными пластическими свойствами — достаточным удлинением, сужением, ударной вязкостью, разрушаются без всяких видимых остаточных деформаций, как будто бы они были выполнены из хрупкого материала.

В ту эпоху, когда инженеры стали изучать подобные случаи разрушения (первая половина XIX века), не было ясного представления о строении металлов; пластичные металлы считали обладающими «волокнистой» структурой, а хрупкие — «кристаллической». Так как изломы деталей происходили обычно не сразу, а спустя известный, иногда довольно значительный, период времени работы машины, то возникла гипотеза, что при действии переменных напряжений металл «устаёт», изменяет свою структуру, из пластичного делается хрупким, обладающим кристаллическим строением.

Сам вид поверхности, излома, казалось, подтверждал такое предположение; эта поверхность, как правило, имела две зоны: одну — гладкую, притёртую (поверхность постепенно развивающейся трещины), другую — грубозернистую (поверхность окончательного излома в ослабленном трещиной сечении стержня).

Однако уже с начала XX столетия, после исследований структуры металлов при помощи микроскопа, стало ясно, что указанная гипотеза неверна. Металлы и в пластичном состоянии оказались обладающими кристаллической структурой; никаких принципиальных изменений ни в их строении, наблюдаемом под микроскопом, ни в механических свойствах при действии переменных напряжений обнаружено не было. Материал штока поршня паровой машины или вагонной оси сохраняет свою структуру и свои пластические свойства, как бы долго он ни работал. Таким образом, ни о каком «перерождении», перекристаллизации металла под действием только переменных напряжений говорить не приходится.

Механизм разрушения от переменных нагрузок был раскрыт лишь в начале текущего столетия. Многочисленные исследования показали, что при действии переменных напряжений в металле возникает трещина, постепенно проникающая в глубь изделия. При переменных деформациях края трещины то сближаются и нажимают друг на друга, то расходятся; этим объясняется наличие гладкой, притёртой зоны излома. По мере развития трещины усталости поперечное сечение ослабляется всё сильнее, и наконец, при случайном толчке или ударе наступает окончательное разрушение, когда сопротивление оставшейся части сечения оказывается недостаточным.

Трещина усталости является очень острым поперечным надрезом, аналогичным надрезу в образцах для ударной пробы. У дна этой трещины создаётся объёмное напряжённое состояние, обусловливающее хрупкий характер разрушения материала при ударе. Этим и объясняется наличие в изломе грубозернистой зоны, соответствующей хрупкому излому.

Таким образом, хрупкий характер окончательного излома при переменных нагрузках объясняется не тем, что материал изменился, переродился, стал хрупким, а тем, что он оказался благодаря наличию трещины усталости в таком напряжённом состоянии, которое обусловливает хрупкое, без остаточных деформаций, разрушение.

Разрушение при переменных нагрузках носит местный характер, не затрагивающий всего материала конструкции в целом. Поэтому при обнаружении развивающихся трещин при переменных нагрузках во многих случаях нет необходимости ставить вопрос о смене всей конструкции; достаточно заменить повреждённые части и уничтожить причины, вызвавшие возникновение трещин.

Изложенная точка зрения является теперь общепринятой среди инженеров; таким образом, само понятие «усталость» материала потеряло свой физический смысл; описывая явление разрушения при действии переменных нагрузок, надо говорить не о разрушении от «усталости», а о разрушении путём постепенного развития трещины.

Однако благодаря краткости этого термина и широкому распространению его в технических кругах, выражение «усталость материалов» удержалось в литературе до настоящего времени, изменив лишь свой смысл: под этим термином мы в дальнейшем и будем подразумевать разрушение при постепенном развитии трещины.

Нашей задачей теперь будет установить обстоятельства, вызывающие появление трещин усталости, и дать такие правила конструирования элементов машин и сооружений и проверки их прочности, которые гарантировали бы их от разрушения при переменных нагрузках.

Эта задача является чрезвычайно важной, особенно для машиностроения, где мы чаще всего встречаемся с многократным повторением переменных напряжений. Можно считать, что примерно 90% всех поломок частей машин являются следствием развития трещин усталости. Эти поломки чрезвычайно опасны и зачастую ведут к очень тяжёлым катастрофам, так как обнаружить развивающуюся волосную трещину усталости далеко не всегда удаётся. Изломы вагонных и паровозных осей на железнодорожном транспорте обычно вызываются подобными трещинами и сопровождаются почти неизбежно сходом поезда с рельсов с крайне тяжёлыми последствиями. Подобного же рода катастрофы известны и в авиации и в других отраслях машиностроения.