Усталость металла, мистер Хани и пр.

 

Одной из наиболее коварных причин, при которой конструкция теряет своюпрочность, является так называемая "усталость" - постепенно накапливающийсяэффект действия циклических нагрузок. Возможные драматические последствияусталости металла впервые обыграл Киплинг в 1895 г. в репортаже о событияхв Бискайском заливе, когда из-за появления усталостной трещины на концегребного вала отвалился винт "Гроткау". Киплинг вышел из моды, но интересширокой публики к усталости металлов был возрожден в 1948 г. романом НевилаШьюта "Путь закрыт". Отчасти своим успехом эта книга, как и поставленныйпо ней фильм, несомненно, обязаны характеру героя - мистера Хани, этоготипичнейшего ученого, а отчасти трем катастрофам самолетов "Комета", которыепроизошли вскоре одна за другой. Как заметил когда-то Вистлер, "Природакрадется за искусством". Обстоятельства аварий с "Кометами" отличалисьот описанных в романе только значительно большим числом жертв, эти катастрофынанесли серьезный урон английской авиационной промышленности.

В действительности, первые инженерные знания об усталостных эффектахносят столетнюю давность. Уже вскоре после промышленной революции былозамечено, что движущиеся части машин выходят из строя при таких нагрузках,которые были бы совершенно безопасны в случае, если бы они были неподвижными.Чрезвычайно опасными были разрушения осей железнодорожных вагонов, которыенеожиданно ломались без видимых причин после некоторого времени эксплуатации.Этот эффект вскоре стал известен как "усталость".

В середине XIX в. служащий немецких железных дорог Вёлер (1819-1914)провел классические исследования этой проблемы. На фотографии герр Вёлервыглядит именно так, как должен был, на наш взгляд, выглядеть типичныйнемецкий железнодорожный служащий того времени, но это не помешало емупроделать весьма полезную работу.

Как уже отмечалось в гл. 4, даже большие локальные напряжения не приведутк росту трещины, если ее длина не превышает "критической длины Гриффитса",поскольку рост трещины в этих условиях потребовал бы затрат энергии, превышающихработу разрушения материала. Однако в случае циклических нагрузок внутрикристаллической структуры металла происходит постоянная перестройка, вчем-то похожая на перестройку, возникающую в местах концентрации напряжений.Это приводит к уменьшению работы разрушения металла, и трещина, хотя иочень медленно, растет, даже если ее длина значительно меньше "критической".

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?

 

⇐ Предыдущая35363738394041424344Следующая ⇒

Поделиться: