Людмил Оксанович - Невидимый конфликт

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 см 2и 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.

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.