Портрет трещины

Финкель Виктор Моисеевич

зался перерезанным трещиной сразу же после постройки, прямо на верфи.

Казалось бы, приведенных примеров достаточно, чтобы понять, сколь опасны внутренние напряжения и «спровоцированная» ими трещина? Да, конечно, случаев много и стоимость описанных аварий исчисляется миллионами рублей.

Попробуем объснить, откуда у термических напряжений такая чудовищная сила?

Начнем с того, что удивляться этому не следует. Ведь ни для кого из читателей не секрет, что толстостенный стакан лопнет, если его быстро наполнить кипятком. Ясно, что в этом случае мгновенно расширяющиеся слои внутренней поверхности стакана вступают в конфликт с не успевшими прогреться холодными внешними слоями. Последние оказываются

растянутыми и, если тепло внутри стакана не поглотить металлической ложечкой, погрузив ее в кипяток, произойдет разрыв. Трещина, возникшая на поверхности стакана, «опояшет» его, двигаясь вначале по образующей, затем по днищу, и завершит «разгром» по второй образующей1. Иногда

1 Васильев В. Почему лопнул остывший стакан с чаем?//Наука и жизнь. 1974. № 11. С. 117.

тонкие стаканы лопаются от кипятка, если их поставить в подстаканник, слишком плотно охватывающий стакан: подстаканник не дает стакану расшириться и чем тоньше стенки стакана, тем легче они разрушаются. Стакан может лопнуть и через длительное время после того, как в него был налит горячий чай. Это бывает, если он конической формы или плотно вошел в подстаканник под действием, скажем, вибрации железнодорожного вагона во время движения. При охлаждении чая металлический подстаканник, сжимаясь быстрее стекла, раздавливает стакан.

Описанное явление есть проявление того, что физики называют внутренними напряжениями первого рода. Говорят, что напряжения эти уравновешиваются в объеме всего изделия и вызывают его деформирование и разрушение как единого целого.

С подобными внутренними напряжениями термического происхождения мы встречаемся часто и довольно неожиданно. Зимой в сильные морозы в лесу раздаются звуки гулкие, точно выстрелы. Чаще всего они вызваны быстрым разрушением дуба, причем на поверхности коры образуются трещины – морозобоины. Акустически это проявляется в достаточно мощном «выстреле», подобном тому, который мы слышим при изломе почти любого хрупкого тела.

Это и естественно, ведь причина явления заключается в термических напряжениях, вызванных перепадом температур – низкой на поверхности дерева и более высокой в его сердцевине. Разрушение стволов в мороз – явление достаточно общее, и от него страдают деревья многих пород.

Поэт С. Островой подметил интересное явление – еще один вид поражения ствола в результате термических напряжений:

Такой был холод адский, Что все сучки подряд выскакивали с треском, Как пушечный заряд.

Вспомним примеры со стаканом и металлическим подстаканником: роль первого может играть сучок, а второго – сердцевина древесного ствола.

Особенность этих случаев в появлении термических напряжений непосрественно после приложения термического воздействия. Между тем внутренние напряже-

ния, во-первых, могут быть не связаны с температурой, а во-вторых, безотносительно к причине, их создавшей, могут неограниченно долго сохраняться в изделии и детали. В последнем случае их называют остаточными или внутренними напряжениями. Простым примером являются напряжения, искусственно создаваемые в рояле, скрипке, виолончели или гитаре при их настройке, заключающейся, в частности, в натягивании струн. В результате струны оказываются растянутыми, а корпус инструмента – сжатым. Доказательством этого являе-ется разрыв струн при особенно темпераментном исполнении. Известны случаи разрушения даже рамы рояля, сжатой натяжением многих струн с силой в несколько тонн.

Не случайны строки Л. Мартынова:

Я чуток, Напряжен я, Как рояль…

Отличительной особенностью таких напряжений является, однако, их обычная сбалансированность. Деформируя части упруго напряженной конструкции, остаточные напряжения компенсируются прочностью изделия. В результате вся система, состоящая из двух противоборствующих сил – внутренних

остаточных напряжений и силы сопротивления, как бы застывает во временном равновесии. Выходов из этог о состояния несколько. Простейший из них «мирный» – постепенное уменьшение напряжений за счет повышения температуры или длительного вылеживания, называется он релаксацией. У струнных инструментов она проявляется в нежелательном, но постоянно действующем удлинении струн (говорят: инструмент расстраивается). Есть и другой способ – «аварийный», при котором либо за счет понижения прочности конструкции со временем, либо под действием внешних нагружающих усилий, либо по обеим этим причинам одновременно равновесие напряженной системы теряется и происходит ее разрушение с выделением аккумулированной упругой энергии. Вот как это выглядит в случае так называемом батавских слезок. Капельки жидкого стекла падают в сосуд с водой. В процессе полета они приобретают грушевидную форму с искривленным тонким хвостиком, как у головастика. Эта стеклянная «запятая» быстро застывает снаружи, оставаясь жидкой внутри. В результате создаются боль-

шие внУтРенние напряжения. В сердцевине «слезки» они имеют сжимающий характер, а в поверхностных слоях -- растягивающий. Удивительная прочность «ба-тавских слезок», способность выдерживать удары молотком по утолщенной части, обусловлена как раз сжимающими напряжениями, препятствующими зарождению микротрещин. Но не следует забывать, что корни этой высокой прочности проистекают из внутренних напряжений, уравновешенных и «запертых» в объеме всей «запятой» и, чтобы нарушить эту прочность, достаточно отбить крохотный кусочек хвоста «головастика». Мощные напряжения сжатия, теперь уже не сдерживаемые прочным ремнем растянутого поверхностного слоя, взрывают стекло, превращая прозрачную и красивую «батав-скую слезку» в разлетающееся облако мелких стеклянных зернышек.

Подобные процессы нередки и в металлических конструкциях. Так, в феврале 1943 года вблизи Нью-Йорка разрушился сварной сферический резервуар для хранения водорода. Его диаметр превышал 11 м, а толщина стенки 16 мм. Газгольдер, рассчитанный на рабочее давление 5 МПа, не выдержал… 0,35 МПа. Перед аварией температура окружающего воздуха понизилась до – 12°С, а затем с одной стороны, сосуд нагрелся на солнце. Этого оказалось достаточным, чтобы разрушение, сопровождаемое взрывом, привело к распаду оболочки на 20 кусков. На нефтеперерабатывающих заводах США за 35 лет (с 1918 по 1953 год) разрушилось 32 резервуара, причем убытки составили полмиллиона долларов.

Чаще всего аварии происходили главным образом из-за низкого качества сварки и высоких термических напряжений в конструкциях. Трещины возникали либо в основном металле вблизи мест скопления сварных швов, либо в стыковых швах, имеющих непровары. В большинстве случаев в результате аварий металл разлетался иногда на расстояние до 40 м. Справедливости ради нужно сказать, что помимо внутренних напряжений, здесь действовали и другие причины: преже всего плохое качество основного металла и дефекты в самом сварном шве, которые сыграли роль зародышевых трещин. Немаловажным оказалось и охрупчивание металла в связи с понижением окружающей температуры. Об этом явлении речь пойдет в другом разделе.

ХОЛОДА, ХОЛОДА

У природы всегда в запасе какой-нибудь козырь.

Артур Кларк

Гигантские пространства, ранее совершенно пустынные и необитаемые, заселяет человек: Крайний Север и Сибирь в нашей стране, Аляску в США, северные районы Канады, Гренландию, Антарктиду… Многие препятствия встречают покорители этих районов. Одно из них имеет прямое отношение к материалам. Вот бы что произошло, если бы основной конструкционный материал машиностроения – сталь – захворал.