Металлы и человек

Самые разнообразные кривые можно получить, испытывая различные материалы на растяжение. Ведь весьма различны их свойства. Лезвие безопасной бритвы, согнутое в кольцо, — отпустите пальцы — со звоном распрямится, без всяких остаточных деформаций. Алюминиевая или медная проволока покорно примет любую форму, которую вы ей придадите. Трудно разорвать руками стальную проволоку, но можно разорвать медную и т. д. и т. п.

Металл работает, устает, ползет…

Конечно, одним испытанием прочности материала на растяжение нельзя представить себе полной характеристики всех возможностей материала. Например, чугун, такой непрочный на растяжение, оказывается, совсем неплохо выдерживает сжатие. Поэтому приходится производить целый ряд испытаний, прежде чем удастся заполнить все клетки справочника, выяснить все прочностные характеристики металла.

Какие нагрузки приходится испытывать деталям машин, частям конструкции в их, так сказать, практической жизни? Да самые различные! Но все их можно свести к нескольким простым. Вот они.

Первое — это, конечно, растяжение. Видели вы в Москве подвесной Крымский мост через Москву-реку? Если окажетесь рядом с ним, обязательно посмотрите. Его главный пролет подвешен к гигантской металлической конструкции, укрепленной на установленных с обеих сторон моста массивных стойках. Так вот, стальные стержни, на которых подвешен мост, испытывают растягивающее усилие от веса моста. Как говорят инженеры, эти стержни работают на растяжение. На растяжение работает и гигантская цепь, к которой подвешены эти стержни. А вот массивные стойки опоры этой цепи работают на сжатие.

Сжатие — это второй очень важный и часто встречающийся вид нагрузки.

В какие только передряги не случается попадать металлу!

На сжатие работают фундаменты домов и машин, опоры мостов и ферм. Трудно сказать, работающих на сжатие или на растяжение деталей больше встречается инженеру?

Изгиб — еще одна важная форма нагрузки. На изгиб работают рельс, переброшенный вместо мостика через реку, ферма подъемного крана, подающего грузы на стройке, крылья самолета, которыми он «опирается» о воздух.

Работа на изгиб детали отличается от работы на сжатие и на растяжение. Там в работе участвует на равных основаниях все сечение детали. Узнать напряжение в каждом участке сечения можно, просто поделив общее усилие на площадь сечения. А при изгибе всегда остается центральный слой, который почти не работает. Если его извлечь, прочность детали на изгиб почти не уменьшается.

О скручивании — еще одном виде нагрузки — можно получить представление, вспомнив, как выжимают мокрое белье. Скручивание — тоже одна из распространенных нагрузок. На скручивание работают бесчисленные оси машин и многие детали конструкций.

Скручивание обладает той же особенностью, что и изгиб, — далеко не все участки сечения вала равно участвуют в сопротивлении внешнему скручивающему усилию. Особенно лениво ведет себя центр — реальная область вокруг оси вращения. Чем дальше от этой воображаемой линии, тем большее напряжение испытывает металл при скручивании. И само собой очевидно, что трубка равной массы металла будет несравненно лучше работать, чем сплошной стержень.

Есть и еще один — последний — вид статической нагрузки — сдвиг. На сдвиг «работает» железный лист, разрезаемый ножницами. Но, помимо статических, детали машин испытывают массу и динамических нагрузок. Взрывающийся в цилиндрах двигателя бензин ударяет в поршень, тот передает толчок шатуну, затем коленчатому валу и т. д. Даже тиканье ваших наручных часов — это непрерывные звуки ударов. И, конечно, инженерам необходимо знать, как ведут себя металлы при таи называемых ударных нагрузках.

Статические нагрузки мы измеряем в килограммах, приходящихся на единицу площади. Ударные нагрузки характерны мгновенностью действия. Поэтому очень часто они измеряются количеством кинетической энергии, которую израсходовали при ударе, или, иначе, количеством работы, которую при этом совершили.

Хрупкие материалы обычно плохо противостоят ударам. Интересную особенность сопротивления пластических металлов этому виду нагрузки нельзя здесь не отметить.

Возьмите две стальные тонкие проволочки — одну короткую, другую раза в три длиннее. Привяжите сначала короткую к гвоздю или ручке двери и попробуйте ее рывком оборвать, привязав свободный конец к палочке, за которую удобно схватиться рукой. А теперь этим же способом попробуйте разорвать длинную. Вряд ли вы не почувствуете разницы в требующемся усилии. Длинную разорвать окажется куда труднее, чем короткую. Она лучше пружинит и смягчает ваш рывок.