Джеймс Гордон - Почему мы не проваливаемся сквозь пол

Ползучесть и жаропрочность

Следствия из всего сказанного для поведения металлов в рабочих условиях довольно очевидны. Когда металл нагружается намного ниже предела упругости, то есть работает где-то в глубине гуковского участка кривой напряжение-деформация, удлинение материала не подвержено влиянию времени. При необходимости мы могли бы оставлять материал под нагрузкой в течение веков, не вызывая каких-либо деформаций или повреждений материала. Однако вблизи предела упругости материал становится заметно подверженным влиянию как времени, так и температуры. Мы видели, что даже при комнатной температуре тепловые толчки активируют источники дислокаций, так что пластическая деформация со временем накапливается: материал удлиняется, а в некоторых случаях может разрушиться. Иными словами, мы не можем назвать прочность такого материала, пока не укажем также и скорость нагружения или не уточним, как долго будет действовать на материал нагрузка. Следовательно, такие конструкции, как подвесные мосты, нагруженные непрерывно в течение многих лет, должны быть рассчитаны на меньшие напряжения, чем те конструкции, которые нагружаются ненадолго и от случая к случаю. Используемые на практике металлы обнаруживают некоторую ползучесть даже при довольно малых напряжениях, и на это следует обращать внимание, когда важно обеспечить точность размеров.

Нетрудно представить себе, что напряжения, при которых с ползучестью надо считаться, сильно зависят от температуры. В то же время температура часто определяет вид машины в целом. Особенно она важна для тепловых машин, например таких, как газовые турбины. В целом, чем горячее нагретые части машин, тем большего полезного эффекта можно ожидать от всей конструкции, особенно в отношении экономии горючего. Так как железо плавится при температуре, несколько превышающей 1500° C, а есть и более тугоплавкие металлы, то можно было бы подумать, что не существует особых трудностей в эксплуатации машин при температуре, скажем, 1200° C. Ведь это намного ниже температуры плавления. Но дело обстоит далеко не так.

Верно, что железо не плавится ниже 1500° C. Но ведь расплавленный металл течет под действием собственного веса, то есть при ничтожных напряжениях. А стоит нам приложить механическое напряжение, даже совсем малое, как течение и.неизбежное разрушение появляются задолго до плавления. Прочность резко снижается даже при сравнительно быстрых нагружениях (например, при испытаниях на обычных установках). Более того, когда элементы машин подвергаются длительному нагружению в одном направлении (например, турбинные лопатки под действием центробежных сил), мы должны пристально следить за ползучестью.

При кратковременных нагружениях прочность металлов изменяется с температурой приблизительно так, как показано на рис. 54. Можно сказать, что материал умирает медленно, постепенно. В качестве очень грубого рабочего правила, верного для большинства металлов, можно принять, что материал не может использоваться при температурах выше половины его температуры плавления, выраженной в градусах Кельвина (градусы Кельвина = градусы Цельсия+273; см. приложение).

Рис. 54. Зависимость “кратковременной” прочности металла от температуры испытания.

Конечно, можно поднять рабочие температуры сплавов. Для этого нужно тем или иным способом затормозить движение дислокаций. Трудность здесь заключается в том, что большинство добавок, которые можно было бы использовать с этой целью, сами стремятся стать подвижными при высоких температурах. Все это дело чрезвычайно трудное, и, наверное, металловеды неплохо поработали, чтобы достигнуть рабочих температур около 950-1000° C на очень специальных сплавах для турбинных лопаток. Рабочие температуры обычных сталей намного ниже.

Во многих керамических материалах дислокации практически неподвижны при температурах до 1500° C, но эти материалы, как правило, чрезвычайно хрупки при сравнительно низких температурах. Поэтому керамические материалы очень хороши для неподвижных конструкций, например в качестве огнеупоров для печей, где они могут работать под нагрузкой при температурах, поразительно близких к точкам плавления. Но они обычно не годятся для изготовления подвижных деталей машин.

Глава 9

Железо и сталь, или Гефест средь чертовых мельниц

Я пошлю им локомотив, он будет Великим Миссионером.

Древесина и камень всегда были наиболее распространенными материалами конструкций, металлы же - относительно новое приобретение техники. Поэтому все мы осознаем новаторскую роль металлов, хотя, как мы видели, общий тоннаж используемых металлов все еще уступает старым материалам. Но металлы, особенно железо, как нельзя лучше подошли для того рода машин, которые были проклятием и славой промышленной революции. Именно благодаря разработке дешевых методов получения и обработки железа в больших количествах появилась возможность механизации труда. Сталь, как известно, стала дешевым материалом только во второй половине XIX века, когда главные события промышленной революции были уже позади.

Однако, будучи материалом необходимым, железо использовалось в большинстве первых машин, даже в паровых машинах, все же весьма ограниченно. В первом фултоновском пароходе, плававшем по Гудзону, даже котел (невероятно!) был деревянным; нагрев воды производился в отдельном устройстве из железных труб. Правда, американцы считали, что это уж чересчур, но и на американских речных пароходах дерево использовалось тогда в такой степени, которая современному инженеру кажется почти невероятной. А ведь такие пароходы обеспечивали большую часть внутриамериканского грузооборота вплоть до 60-х годов прошлого столетия.

Вообще говоря, использование металлов требует решения двух проблем. Во-первых, металл должен быть получен из руды, этим занимается металлургия. Во-вторых, нужно перевести металл в наиболее полезное состояние с точки зрения твердости, прочности и вязкости; подсказать здесь необходимые пути призвано металловедение. Как мы уже видели, чистые металлы обычно очень мягки, поэтому металловеды занимаются в основном торможением дислокаций, но лишь в такой мере, чтобы упрочнить металл, не вызвав его охрупчивания. Поскольку металлы из руды часто получаются в нечистом виде, их экстракция (извлечение) и последующая обработка должны рассматриваться совместно.

Химические и технологические особенности обработки могут варьироваться очень широко, но в каждом случае цепь остается одной и той же: управление подвижностью дислокаций путем изменения структуры и размеров кристаллов (дислокации могут пересекать границы между отдельными зернами, но для этого они должны преодолеть определенное сопротивление) или с помощью добавок легирующих элементов. Легирование сплавов может дать такой результат, который затормозит дислокации как раз в нужной степени. Очень малые частицы, даже единичные атомы примеси, могут застопорить продвижение дислокационной линии, если эта линия натолкнется на них. Можно вычислить напряжение, необходимое для того, чтобы сначала выгнуть дислокацию в дугу между точками закрепления, а затем и оторвать ее от них. Это напряжение зависит от расстояния между этими точками, которое становится, таким образом, полезным и мощным средством управления свойствами сплава. Почти любая добавка к металлу будет влиять на его механические свойства в лучшую или худшую сторону, а иногда и в ту и в другую сторону сразу: некоторые добавки полезны, когда они рассеяны по всему объему, и вредны, когда, собираясь на границах зерен, серьезно ослабляют металл (см. главу 3).

Если мы возьмем число всех пластичных металлов и умножим его на число возможных механизмов упрочнения, то окажется, что количество взаимосвязей и комбинаций в металловедении будет весьма большим, отчего сам предмет покажется уже очень сложным. Однако для неспециалиста, интересующегося лишь принципами и конечными результатами, все следствия происходящих в металлах процессов можно представить в достаточно простом виде.

Посмотрите на табл. 2 (гл. 10). В нее внесены многие технические металлы, и хотя плотность их весьма различна - от 10,5 г/см3 у молибдена до 1,7 г/см3 у магния, - модуль Юнга, деленный на плотность, удельный модуль Юнга, оказывается для них всех величиной постоянной. Существуют, правда, некоторые широко применяемые металлы и сплавы (например, медь и латуни), для которых удельный модуль упругости немного ниже. Но пластичных металлов с более высокой удельной жесткостью нет. Таким образом, почти все используемые металлы дают ту жесткость, за которую заплачено их собственным весом, - ни больше, ни меньше.