Людмил Оксанович - Невидимый конфликт

Среди довольно широкого ассортимента строительных сталей специальные высокопрочные стали являются своего рода «аристократией». Они находят применение главным образом в предварительно напряженных конструкциях, и их сопротивление действительно весьма внушительно — в 5—10 раз больше, чему вышеупомянутых сталей. В качестве примера рассмотрим высокопрочную проволоку диаметром 2,5 мм. При расчетных напряжениях 11 000 кг/см2 напряжения разрушения составляют около 16 000 кг/см2. Если теперь мы разделим одно число на другое, то увидим, что в строительстве непосредственно используется приблизительно 70% предельных возможностей материала. Это уже такой результат, который достоин уважения. К лучшему вряд ли следует стремиться, так как иначе может пострадать надежность, являющаяся гарантией против внезапного разрушения. Объяснение этому мы сможем получить из рис. 7.

Линией III показана зависимость σ—ε для подобной высокопрочной стали. Она коренным образом отличается от «поведения» мягких и низколегированных сталей. Площадка текучести полностью отсутствует; длинный, почти линейный график внезапно обрывается в точке разрушения материала — хрупкого разрушения.

Для характеристики этого явления приведем пример из прошлого. Год 1891. Место действия — Англия, станция Норвуд на железнодорожной линии Лондон — Брайтон. В этом месте был построен широкий железнодорожный путепровод с пролетом 9 м, по которому проходило семь рельсовых путей. Утром 1 мая по путепроводу в Норвуд с обычной скоростью 65 км/ч промчался почтовый поезд из Лондона. Его хвостовой вагон уже подтягивался к последней промежуточной опоре, когда вдруг с грохотом разорвалась одна из двух чугунных балок под железнодорожной колеей. Два четырехметровых обломка упали на дорогу, которая, к счастью, была пуста, а другие угрожающе повисли, неизвестно на чем держась. Состав сошел с рельсов, но все же успел миновать последний участок путепровода, не перевернувшись на крутой склон насыпи. Хвостовой вагон устоял на опоре, сильно наклонившись к пропасти и удерживаясь только благодаря зацепляющему устройству.

Разрушившаяся чугунная балка была в эксплуатации уже 31 год. После катастрофы в области разрыва был обнаружен пористый участок, оставшийся еще с того времени, когда отливалась балка. Тяжелые условия эксплуатации послужили причиной процессов, которые постепенно подрывали несущую способность элемента, подготавливая последовавшее за этим событие. Эта катастрофа вызвала большое волнение в инженерном мире Англии того времени. Из 9576 находящихся в эксплуатации мостов 2828 были чугунными. Перспектива их разрушения после примера с мостом в Норвуде была достаточно реальной, и потому было принято решение о срочной их замене.

Эта катастрофа в сотый раз доказала, что чугун — хрупкий и чувствительный к ударам материал — не подходит для строительства мостов, особенно мостов железнодорожных. Впрочем, с 1883 г. его применение для подобных целей в Англии было запрещено.

В принципе существует два вида разрушения материала — хрупкое и пластичное. Хрупкое разрушение обусловлено сцеплением между частицами; когда внешнее воздействие превосходит силы сцепления, материал внезапно разрывается. Пластичное разрушение предполагает такое сильное сцепление, что частицы материала раздвигаются, взаимно перемещаются и только потом разделяются. Именно такое взаимное смещение частиц является причиной большой деформируемости и пластичности мягких сталей. В силу обстоятельства мы вынуждены работать с расчетным сопротивлением, не превышающим предел текучести, но если в действительности конструкция окажется в состоянии перегрузки (в случае некой аварийной ситуации), она не разрушится внезапно. Напряжения сначала достигнут предела текучести, сталь начнет «течь» и сильно деформироваться. Конструкция провиснет, искривится, станет аварийной, неиспользуемой, но разрушения в буквальном смысле слова, по-видимому, вообще не произойдет.

Коренным образом отличное от описанного выше — и гораздо более опасное положение складывается при применении хрупких материалов, таких, как все легированные и высокопрочные стали. Отсутствие предела текучести, по существу, лишает нас сигнала о том, что напряжения опасно возросли. При слабой деформируемости этих сталей разрушение наступает внезапно, без видимых внешних причин.

Заслуживает внимания тот факт, что один и тот же материал может разрушаться и хрупко, и пластично. Например, мягкие стали при низких температурах, при систематическом динамическом воздействии или при сложных конструктивных формах, которые ограничивают возможности взаимного смещения кристаллов в металле, могут разрушаться внезапно, т.е. хрупко. Поэтому конструктор обязательно должен иметь в виду все эти особенности условий эксплуатации. В противном случае конфликт может завершиться победой внешних сил. А это значит, что катастрофа неминуема…

Дальше мы часто будем говорить о том, что материал «работает» или что конструкция «работает». Ставить кавычки в дальнейшем нет надобности, потому что это действительно так. Коль скоро мы говорим о напряжениях и деформациях, или о силах и перемещениях, очевидно, речь идет и о работе, ибо, как нам известно, работа есть произведение силы на величину перемещения точки ее приложения (в направлении действия силы). Если мы представим себе стальной прут с поперечным сечением 1 см2 и длиной 1 м, на котором висит груз 2 т, то деформация будет равна 0,1% (арматурная сталь A-I). Но в этом случае деформация идентична перемещению в 1 мм. Если мы умножим силу на величину перемещения точки ее приложения, то получим работу, которая совершается при деформации стального прута: 2000x0,001=2 кгм. Такую работу совершают и внутренние силы в пруте, сопротивляющемся деформации. Такую же работу совершаем и мы сами, перенося груз в 1 кг на расстояние 2 м. Приблизительно такую энергию выделяет и 1000-ваттная электроплитка за 5 ч работы.

Но в нашем случае энергия является потенциальной и своей величиной обязана деформации. Площадка на диаграмме σ—ε, — в сущности, графическое выражение потенциальной энергии деформации материала, или — что то же самое — работы, которую должны совершить внешние силы, чтобы произошла деформация. Разумеется, в реальных конструкциях потенциальная энергия деформации несравнимо больше и по величине приближается к часовой производительности небольшой электростанции.

О ПОЛЗУЧЕСТИ, РЕЛАКСАЦИИ И ДРУГИХ ВЕЩАХ

Высокая прочность при сравнительно малой деформируемости в течение длительного времени (нескольких десятков лет) — так формулировали мы в начале главы три основных требования к материалам для строительных конструкций. До сих пор мы рассматривали в комплексе два первых требования, что является единственно возможным подходом, поскольку напряжения и деформации тесно связаны и взаимно обусловлены. О третьем условии мы как бы забыли. А ведь прочность и деформация не остаются постоянными с течением времени, и потому правильнее было бы все три фактора рассматривать вместе. Но именно это и самое трудное. Фактор времени все путает.

Ясно, что эксперименты с материалами не могут по своей продолжительности соответствовать реальным срокам эксплуатации зданий и сооружений. К сожалению, любая имитация фактора времени в лабораторных условиях сказывается на чистоте результатов. С другой стороны, результатов из естественной лаборатории жизни и практики надо ждать годы, а часто и десятилетия. Многое в этом сложном узле проблем уже известно, многое еще предстоит исследовать и уточнить. О некоторых свойствах сталей, связанных с фактором времени, мы поговорим сейчас.

Конструкции работают в режиме постоянной смены нагрузок: они непрерывно нагружаются, разгружаются, перегружаются и снова разгружаются. При данной степени нагрузки в данной точке устанавливаются определенные напряжения. Нагрузка обычно держится дни, часы, месяцы. И тогда при постоянных напряжениях возникает деформация ползучести, которая, естественно, крайне нежелательна. Это можно увидеть на рабочей диаграмме σ—ε, представленной на рис. 8. (Почему диаграмма σ—ε названа «рабочей», надеемся, теперь понятно.) Явление ползучести на первый взгляд напоминает текучесть, но имеет место при напряжениях, которые меньше предела текучести, и деформации при этом значительно более ограниченные. Кроме того, процесс постепенно прекращается: в сталях, где ползучесть проявляется слабо, за 100—120 ч реализуется лишь около половины деформации ползучести. Чем выше фиксируемая величина напряжения, тем сильнее обнаруживает себя этот вид паразитической деформации.