Джеймс Гордон - Конструкции, или почему не ломаются вещи
Таким образом, крошечные, не видимые глазом трещинки могут появиться в любом отверстии, выемке или нерегулярности в напряженном металле и начать распространяться дальше, никак не изменяя внешнего вида детали. Рано или поздно такая "усталостная трещина" достигает критической длины. При этом скорость ее распространения возрастает и трещина быстро проходит через весь материал, часто с очень серьезными последствиями. Уже после разрушения усталостную трещину сравнительно легко распознать по характерному полосчатому виду поверхности усталостного разрушения. Однако до разрушения начало усталостного процесса проследить практически невозможно.
Естественно, металловеды проводят многочисленные испытания материалов на усталость, для чего разработано очень много различных типов испытательных машин. Общепринято рассматривать усталостные свойства материала при знакопеременных напряжениях (±s), которые обычно возникают, например, во вращающихся осях любого транспортного средства. (Существуют способы преобразования этих результатов применительно к другим условиям циклического нагружения.) Величину знакопеременного напряжения ±s обычно откладывают на графике в зависимости от логарифма числа n циклов нагружения, при котором произошло разрушение образца. Этот график называют 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 разрушающее напряжение сначала падает, но после примерно миллиона циклов выходит на постоянный уровень, называемый "пределом усталости". Миллион циклов нагружения для осей автомобиля или вагона эквивалентен пробегу примерно 3000 км, а для двигателя машины, коленчатый вал которого, конечно, вращается быстрее ее колес, - примерно 10 ч работы.
Существование определенного предела усталости для материалов типа железа и стали весьма удобно для инженера. Если машина сделала 106 или 107 оборотов, для чего может понадобиться лишь несколько часов, то появляется надежда, что она будет работать почти бесконечно. Но усталость материала - это опасность, которая всегда нуждается в специальном рассмотрении.
Алюминиевые сплавы не имеют определенного предела усталости, их усталостная прочность непрерывно падает с ростом n, как показано на рис. 156. Вследствие этого они более опасны в применении, что в какой-то мере оправдывает стародавнее предубеждение 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, предпринятое Арнольдом Холлом совместно с большой группой экспертов, представляет собой классический образец не только инженерного исследования, но и глубоководных спасательных работ. Разрозненные части одного из самолетов, упавшего в Средиземное море, приходилось собирать на дне и поднимать с глубины около сотни метров. Спасателям удалось собрать практически все, и бесчисленные обломки самолета покрыли пол большого ангара в Фарнборо. При этом, насколько я 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 перепадом атмосферного давления при изменении высоты. Сегодня мы уже забыли, что прежде, пролетая над горами, приходилось обедать в кислородной маске. В самолетах с наддувом фюзеляж представляет собой цилиндрический сосуд с тонкими стенками, перепад внутреннего и наружного давления для этого сосуда растет с каждым набором высоты и падает с каждым снижением самолета.
Роковая ошибка конструкторов "Кометы" состояла в том, что в этих условиях они не обратили достаточного внимания на опасность "усталости" металла в местах концентрации напряжений. Фюзеляж "Кометы" был изготовлен из алюминиевых сплавов, а предыдущий опыт фирмы "Хэвиленд" относился к производству в основном деревянных самолетов, в том числе и триумфального "Москито". Я не хочу предположить даже на минуту, что конструкторы фирмы "Хэвиленд" ничего не знали об усталости, но, возможно, именно опасность усталости алюминиевых сплавов не проникла достаточно глубоко в сознание коллектива. Дерево гораздо менее чувствительно к усталости, и в этом заключается одно из больших его преимуществ.
В каждой из этих аварий трещины, образуясь скорее всего около небольших отверстий в фюзеляже, медленно и незаметно развивались, пока их длина не достигала "критической длины Гриффитса". После этого обшивка мгновенно разрушалась и весь самолет взрывался, словно надутый воздушный шар. Многократно надувая воздухом фюзеляж "Кометы" в наполненном водой бассейне в Фарнборо, Арнольду Холлу удалось воспроизвести этот эффект так, что его можно было наблюдать, как при замеделенной съемке.
Одна из основных причин описанных аварий крылась в том, что усталостных трещин никто никогда не замечал. Скорее всего, на них трудно было обратить внимание из-за очень малой длины: они были невидимы при обычном осмотре. В настоящее время самолеты проектируются в расчете на сохранность фюзеляжа при трещине длиной в десятки сантиметров, а такую трещину нельзя не заметить даже при самом поверхностном осмотре. Тем не менее известна анекдотичная история о двух уборщицах лондонского аэропорта. Поздно ночью, закончив уборку пустого салона самолета и закрыв дверь, они остановились на ступеньках трапа, 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?
Катастрофы деревянных кораблей
Во времена, когда еще не было железных дорог, почти все тяжелые грузы доставлялись по воде. Кроме океанской и континентальной торговли, а также внутренней торговли, осуществлявшейся по рекам и каналам, процветала интенсивная прибрежная торговля. Тысячи маленьких бригов и шхун, запечатленных на карикатурах У.У. Джекобса, перевозили всех и вся не только между прибрежными гаванями и портами, но и между самыми разными точками берега. Корабль приставал к берегу во время прилива, а с наступлением отлива разгружал свой груз (уголь, кирпич, известку или мебель) прямо в телеги, выстраивавшиеся вдоль его бортов. С приливом судно опять уходило в море, чтобы повторить все сначала где-нибудь в другом месте.
Естественно, это было довольно рискованным занятием, но в XVIII в. большинство этих маленьких посудин в самые суровые зимние месяцы позволяло себе отдохнуть, подремонтироваться, а команда тем временем навещала свои семьи и местные питейные заведения. Это довольно идиллическое и не связанное со слишком уж большими опасностями течение дел в XIX в. было нарушено возросшей конкуренцией. Под давлением условий коммерции суда были вынуждены плавать в течение всего года, не позволяя себе, как правило, дожидаться хорошей погоды. Регулярность плавания этих корабликов заставила бы краснеть служащих многих современных железных дорог.
Но, конечно, за все приходится платить. В середине 30-х годов XIX в. у побережья Англии ежегодно происходило в среднем 567 кораблекрушений, в результате чего в год погибало в среднем 894 человека. Не мне судить, хуже ли это или лучше, на тонну-милю перевезенного груза, чем у современных грузовиков, но, во всяком случае, общественное мнение было взволновано и парламент образовал специальный комитет для расследования причин кораблекрушений. Заслушав огромное количество свидетелей, комитет установил, что, за незначительным исключением, причиной случившегося послужили: 1) дефекты конструкции, 2) недостатки в оснастке судов, 3) отсутствие своевременного ремонта.
В докладе комитета утверждалось, что дефекты в конструкции судов в значительной степени стимулированы использовавшейся в период с 1798 по 1834 г. системой их классификации (то есть правилами, определяющими постройку и ремонт), установленной ассоциацией страховых компаний. Предполагалось, чтобы система установления правительственного налога на тоннаж судна заставляла бы придавать судам определенную форму корпуса. Бюрократический ум, надо думать, вовсе не изменился за последние сто лет.
Честно говоря, проблема регламентации строительства кораблей или любых других конструкций, обеспечивающая требуемую их прочность и безопасность, необычайно сложна. Без сомнения, с 30-х годов прошлого века здесь достигнут определенный прогресс. Но в то же время ничто так не мешает развитию техники, как строгая регламентация конструирования и постройки. Пагсли в уже упоминавшейся книге "Надежность конструкций" указывает, что в принципе невозможно установить систему регламентаций прочности, направленную против дураков и жуликов, которая одновременно не тормозила бы или по крайней мере не отодвигала применение усовершенствований и полезных нововведений. Правила контроля безопасности конструкций, вероятно, необходимы, однако некоторые из них не только смешны, но и могут стать действительной причиной катастроф.
