Что происходит в «устающем» металле

При переменной нагрузке допускается меньшее напряжение на единицу площади поперечного сечения. Значит детали приходится делать толще, чем раньше. С этим должны были примириться даже самые консервативные инженеры.
Зато начались споры о сущности «усталости», о причинах ее возникновения, о средствах предохранить машины от неожиданных поломок.
Очень часто от «усталости» страдали оси вагонов и паровозов. Паровоз давит на оси, неподвижно соединенные с его колесами. Понятно, что это давление немного изгибает оси.
Что же происходит с ними во время хода паровоза?
Ось соединена неподвижно с колесами. Во время хода поезда она вращается вместе с ними. При поперечном изгибе ее верхняя часть испытывает сжатие, а нижняя — растяжение.
У быстроходного паровоза оси совершали более 300 оборотов в минуту. Значит, каждая половина оси подвергалась то растяжению, то сжатию, причем смена напряжения происходила более трехсот раз в минуту. Эта переменная повторная нагрузка вызывала «усталость» паровозных и вагонных осей и частые крушения поездов.
Инженеры старательно разглядывали поверхность излома пострадавших вагонных осей, надеясь по ее виду разгадать причину поломки. Они видели, что по краю излома лежит гладкое кольцо, внутри которого вся поверхность металла имеет зернистое строение.
Не изменилась ли под влиянием повторной переменной нагрузки структура металла? Не в этом ли причина поломки оси?
Такое объяснение «усталости» металлов показалось естественным. Его сторонники утверждали, что волокнистая структура превращается в кристаллическую; сопротивляемость металла ослабевает; когда остается лишь тонкий верхний слой, сохранивший волокнистое строение, ось ломается; поэтому в изломе и видно гладкое кольцо, обрамляющее зернистую поверхность.
Это ошибочное, как оказалось позднее, мнение получило широкое распространение, и многие инженеры придерживались его до начала 30-х годов нашего века. Однако всем было известно, что металлы вообще состоят из зерен-кристалликов. Поэтому многие исследователи с недоверием относились к объяснению «усталости» металлов их «кристаллизацией» под влиянием повторной переменной нагрузки. Испытывая сталь, они видели, что ее структура не меняется: и крупнозернистые и мелкозернистые образцы оставались такими же после длительных переменных нагрузок.
Нужны были тщательные и вдумчивые исследования, чтобы открыть тайну «усталости» металлов.
Понятно, что если в металле уже при отливке или обработке появилась хотя бы совсем ничтожная трещинка, то при повторных переменных нагрузках она будет все увеличиваться и произойдет поломка.

Излом образца, сломавшегося под действием менявшего направление изгиба.

Все знают, как легко переломить даже медную проволоку, изгибая ее то в одну, то в другую сторону. Сперва на месте перегиба появляется чуть заметная трещинка, она быстро расширяется, и наконец проволока ломается.
Поэтому трещинка в детали, подвергающейся повторной переменной нагрузке, представляет большую опасность для машины. Вот почему во время остановки поезда на промежуточных станциях вдоль него проходит опытный осмотрщик, постукивая маленьким молоточком по вагонным колесам: если в колесе есть трещинка, он по звуку узнает это и опасная пара колес во избежание возможной катастрофы будет заменена.
Но не существуют ли в металлах менее заметные или даже микроскопические трещинки, могущие под влиянием повторной переменной нагрузки расшириться и повлечь разлом детали?       
На этот вопрос пытался ответить английский физик Гриффите. В 20-х годах нынешнего века он испытывал крепость тончайших стеклянных волокон. Оказалось, что они отличаются очень большой прочностью. Если бы и более толстые стеклянные волокна выдерживали такие же напряжения (то есть усилие на единицу площади поперечного сечения), то на стеклянной нити толщиной только в 1 миллиметр можно было бы подвесить до 300 килограммов и она выдержала бы этот огромный груз, не разорвавшись. В действительности же такая нить разрывается от груза, достигающего лишь 16 килограммов. Значит, ее прочность ослаблена внутренними незаметными трещинками.
Из своих опытов Гриффите сделал вывод, что не только в стекле, но и во всех твердых телах имеется множество мельчайших трещинок длиной в несколько тысячных долей миллиметра. По его мнению, они и ослабляют прочность металлов, которая могла бы быть во много раз большей.
Если бы эти трещинки под влиянием повторной переменной нагрузки расширялись, то через некоторое время деталь сломалась бы. Так можно было бы объяснить
«усталость» металлов.
Другие ученые, однако, считали, что не внутренние трещинки, а внешние изъяны детали могут быть причиной этого явления.
Блестящая отполированная поверхность зеркала или тонкой детали машины кажется на глаз безукоризненно гладкой. Но при увеличении в 100—200 раз на ней видно множество царапин, мелких выступов и впадин. Не вызывают ли эти царапины появление трещин и разрушение детали?
Такое предположение высказывал, например, советский физик А. Ф. Иоффе. Чтобы проверить справедливость своего мнения, он сделал очень интересный опыт.
Из крупного кристалла соли был выточен шар. Экспериментатор сперва охладил его в жидком воздухе, то есть при температуре на 193 градуса ниже нуля. Затем он опустил шар в расплавленный свинец.
При такой резкой перемене температур внутри шара возникли сильнейшие напряжения и, несомненно, появились трещины. Однако испытание шара при повторной переменной нагрузке не вызвало его разрушения.
Внешние ли изъяны или внутренние трещины вызывают поломку деталей при повторной переменной нагрузке? Этот вопрос вызвал немало споров. Опыты доказали, что как заточка зазубрины и тому подобные нарушения целости поверхностного слоя, так и внутренние трещины влекут за собой при переменной нагрузке поломку деталей.
Но некоторых исследователей не удовлетворял этот вывод. Не может ли сама переменная нагрузка вызвать появление трещинки? Нельзя ли именно этим объяснить «усталость» металлов? — спрашивали они.
За решение этой задачи и взялись еще в прошлом веке инженеры и ученые.
Большой шаг вперед сделали западноевропейские исследователи Юинг и Розенгайн. Они подвергали образцы шведского железа повторному переменному изгибу и изучали, что происходит внутри металла. Осматривая излом «уставших» деталей, эти ученые видели, что в металле происходят какие-то изменения.

Трещины, появившиеся вследствие «усталости» металла (слева — латунь, справа — железо).



Но, когда образец сломался и стал доступен внутреннему исследованию, уже нельзя сказать, как начался процесс «утомления». Между тем казалось вполне вероятным, что задолго до поломки детали в ней уже происходили какие-то изменения.
Нужно было найти способ наблюдать в самом начале эти изменения внутри металла. И исследователи успешно решили казавшуюся неразрешимой задачу: они заставили «устававшую» деталь сломаться в заранее намеченном ими месте. С этой целью на испытываемой детали делалась заточка. Поперечное сечение, проходившее через нее, ослаблялось, и было вполне естественно ожидать, что во время испытания под повторной переменной нагрузкой деталь сломается именно в этом месте. Значит, там можно было надеяться заметить и первые признаки «усталости».
Так и случилось, как рассчитывали исследователи.
Оказалось, что уже после нескольких перемен напряжения на поверхности некоторых зерен появлялись тоненькие темные черточки. По мере продолжения опыта они становились шире, число черточек увеличивалось.
Чтобы понять, что представляют собой черточки на зернах металла, Юинг и Розенгайн попробовали изменять наклон лучей, освещающих под микроскопом зерно. Оказалось, что при этом некоторые из темных полосок светлели, но зато на светлой поверхности зерна появлялись новые, ранее невидимые черточки.
Как ни неожиданно было исчезновение и появление полос, но исследователи догадались, в чем здесь дело: на гладкой поверхности зерна образовались ступеньки.
Все, кто видел широкие лестницы, спускающиеся к берегу моря, знают, как различен их вид под косыми лучами восходящего солнца и в полдень. Подобно этому и ступенчатая поверхность зерна меняла вид в зависимости от угла падения на нее лучей света.
При продолжении действия переменной нагрузки в металле появлялись мельчайшие трещинки. Они всё удлинялись, распространяясь от одного зерна металла к другому. Наконец микроскопические трещинки сливались в одну сплошную трещину.
Распространение «усталости» идет очень медленно. Сотни тысяч и даже многие миллионы раз должна повториться перемена нагрузки. Наконец не затронутое «усталостью» поперечное сечение детали уменьшается настолько, что деталь ломается.
Излом «усталого» металла имеет гладкую поверхность, а не затронутого ею — обычный, зернистый вид.

Внутрикристаллический сдвиг в металле.

Таковы доступные непосредственному наблюдению под микроскопом явления «усталости».
Но какова причина появления «ступенек» на поверхности зерен металла? Как возникают трещинки?
Это были такие же загадки, как пластическая деформация и «течение» металла, о которых мы уже говорили раньше. Чтобы разрешить их, нужно было не только знание тонкой структуры металлов, но и проникновение в тайну строения вещества.
Возникла новая наука — металлография. Она изучает затвердевание расплавленного металла, его структуру и изменение ее под действием обработки, образование сплавов и другие процессы, возникающие в металлах. Эти исследования тесно сплетаются с современным учением о строении вещества. В них ученые столкнулись с новыми загадками, но на этот раз не техники, а самой природы.


Загадки техники