«Устает» ли металл?

Инженерам удалось достичь большой скорости движения поездов и пароходов. Зато участились крушения от поломки вагонных и паровозных осей, а на пароходах — коленчатых валов.
Тоже происходило на фабриках и заводах, где инженеры также стремились увеличить скорость работы машин. Чем больше оборотов делал двигатель, чем быстрее работали станки, тем чаще случались и аварии от поломки деталей.
Напрасно трудились комиссии специалистов, отыскивая причину катастрофы, и месяцами работали лаборатории, изучая качество металла: расчет размеров оказывался правильным, запас прочности — достаточным, а металл — вполне доброкачественным.
В чем же причина поломок, которые влекли за собой катастрофы?
Удалось только заметить, что почти всегда ломаются детали, подвергающиеся повторной переменной нагрузке.
Пример такой нагрузки — работа штока паровой машины. Конец его соединен с шатуном, который вращает коленчатый вал, а у паровоза — при помощи кривошипа ведущее колесо.
Поршень ходит в цилиндре то вперед, то назад, а вместе с ним меняется и направление движения штока. Двигаясь вперед, шток подвергается сжатию вдоль оси, при обратном ходе — растяжению. Легко доказать, что меняется и величина нагрузки на него.
Но почему повторная переменная нагрузка разрушает деталь, а такой же величины постоянная нагрузка выносится ею неопределенно долгое время? Что происходит под влиянием такой нагрузки в металле?
На этот вопрос никто не мог ответить.
Инженеры стали говорить, что под действием переменной нагрузки металл «устает», хотя это слово ничего не объясняет и не соответствует сущности явления.
Ведь усталость мышцы, то есть ослабление ее способности к сокращению, гораздо более сложное явление. Никакой аналогии между нею и поломкой детали не существует.
Однако слово «усталость» понравилось и применяется в технике даже теперь, когда найдена действительная причина разрушения деталей под влиянием переменной нагрузки.
Появилось поэтому новое понятие — «выносливость» металлов: чем дольше не «устает» деталь, тем «выносливее» металл, из которого она изготовлена. Все эти слова не разъясняли загадки неожиданных поломок. Истинная причина их оставалась неизвестной.
Однако, если действительно металл «устает», значит, нужно устанавливать новые нормы допустимых напряжений, становятся негодными все прежние справочники, теряет значение накоплявшийся десятилетиями практический опыт...
Но старые инженеры не хотели так легко сдаться. Они требовали, чтобы была доказана зависимость «выносливости» металла именно от повторных переменных нагрузок.
Здесь ничего нельзя было разъяснить никакими рассуждениями. Бесцельны были бы споры: только опыт мог решить, правы ли сторонники «утомляемости» металлов.
В течение второй половины прошлого века в технических обществах часто обсуждались вопросы об «усталости» и «текучести» металлов, о влиянии колебаний на детали машин, на корпусы морских судов и другие вопросы, возникавшие в инженерной практике.
Несомненно, что многие исследователи этой проблемы остались неизвестными потомству. Ведь не все, кто производил опыты, могли опубликовать их результаты в печати. В технической литературе сохранились, однако, имена некоторых исследователей-пионеров, пытавшихся проникнуть в сущность явления «усталости» металлов.
Одним из таких исследователей был немецкий рудничный инженер Альберт, который давно задумывался над причиной обрыва подъемных цепей.
Бадьи и клети подвешивались на цепях, опускавшихся в шахту. Цепь перебрасывалась через шкив и навивалась на барабан подъемной машины. Звенья ее испытывали при этом действие изгибающей нагрузки. При опускании в шахту цепь сходила с барабана и изгиб ее звеньев прекращался. На них действовало только растяжение. При подъеме снова повторялся изгиб.
Чем же объяснить обрывы цепей?
Альберт решил, что причиной их служит частая перемена изгибания звеньев цепи при наматывании на барабан лебедки и огибании шкива. Это предположение он проверил на опыте.

Разрез через паровой цилиндр вертикальной паровой машины. Шток поршня движется то вверх, то вниз, подвергаясь попеременно сжатию и растяжению.



В своих опытах Альберт подвергал образцы изгибу, повторявшемуся до ста тысяч раз. Только после стольких перемен нагрузки он внимательно осматривал цепи в поисках трещин, образующихся в звеньях цепи под действием переменной нагрузки.
Каким терпением должен обладать исследователь выносливости металлов!
Но это не испугало и других. В 50-х годах прошлого века подобными же опытами занялись английские капитаны Джемс и Гальтон. Для испытания выносливости к переменному изгибу они брали железные бруски. При помощи изобретенной ими машины они быстро то нагружали брус, то удаляли нагрузку.
Их опыты стали известны английскому инженеру Вильяму Ферберну, который в 60-х годах стал исследовать выносливость крупных балок, применяющихся для сооружения мостов. Он испытывал железные балки длиной по 6—7 метров, то нагружая их, то снимая груз рычагами. При этом балка последовательно прогибалась и выпрямлялась. После нескольких сот тысяч перемен нагрузки в балке появлялась трещина.
Это были бессистемные опыты, мало известные широким техническим кругам. Они еще не решали вопроса, действительно ли «утомляются» металлы, или, может быть, трещины в испытывавшихся образцах были случайного происхождения.
Заслуживавшие доверия систематические исследования были начаты только немецким механиком Августом Велером.
Судьба, казалось, не готовила его в исследователи. Окончив коммерческое училище, Велер работал то чертежником на паровозном заводе, то машинистом, а в 1847 году был принят на службу в Управление прусских железных дорог.
В то время случаи поломки вагонных осей и паровозных деталей, сходы с рельсов поездов и другие аварии стали очень часты. Они заботили и промышленников и правительственный технический надзор.
В целях изучения причин крушения поездов была организована специальная постоянная комиссия, снабженная средствами для опытов. Велер, как практик, долго ездивший на паровозах, был назначен ее членом.
Испытания металлов Велер производил в оборудованной для этого лаборатории. Многие машины, на которых образцы подвергались переменным растяжению, изгибу или скручиванию, были изобретены им самим. Применяемая иногда и в наше время машина для испытания «на изгиб», по существу, — одна из машин Велера.
Машины этого исследователя работали с малыми скоростями. Например, его станок, на котором изучалось сопротивление образца переменному изгибу, делал лишь 72 оборота в минуту. Нужны были целые годы, чтобы испытать при его помощи некоторые образцы, один из которых выдержал более ста тридцати двух миллионов перемен нагрузки.
Опыты Велера доказали, что стальные и железные образцы при повторной переменной нагрузке, вполне допустимой в других случаях, разрушаются. Но если переменная нагрузка не превосходит некоторой величины, то деталь выдерживает ее неограниченное время.
Эта величина — «предел выносливости», который должен приниматься в расчет при проектировании быстроходных паровозов и скоростных машин.
Опыты Велера получили широкую известность. Они коренным образом меняли представления инженеров о допустимой нагрузке на вагонные оси, шатуны, штоки цилиндров и многие другие детали. За основу расчетов частей скоростных машин теперь принимался «предел выносливости», определявшийся путем испытания образцов металла.

Схема прибора для испытания образцов металла переменной нагрузкой.

Во избежание неожиданной поломки металл для ответственных частей машины теперь испытывают не только на прочность, но и на «выносливость». Для этого имеются специальные приборы, на которых образец металла подвергается переменной нагрузке.
Например, испытываемый брусочек металла прикрепляется к ползуну, двигающемуся между направляющими. Ползун при помощи шатуна и кривошипа соединен с валом. К нижнему концу брусочка подвешен груз. При вращении вала ползун движется то вверх, то вниз, очень быстро меняя направление.
Каждый раз, когда ползун меняет направление своего движения, ему противодействует инерция груза. Вследствие этого испытываемый брусочек подвергается попеременно то сжатию, то растяжению.
В чем же сущность явления «усталости»? Почему металл теряет сопротивляемость? Нельзя ли отличить «усталый» металл от обычного?
Ответ на эти вопросы дали исследования в течение следующих десятилетий.


Загадки техники