Примером того, каким образом можно одновременно достичь и эластичности,и трещиностойкости, служат такие вещи, как одежда, плетеные корзины, деревянныекорабли и конные экипажи. Все эти вещи содержат более или менее свободныеи гибкие соединения, так что энергия расходуется на трение, о чем свидетельствуютих шуршание и скрип. Однако, хотя плетеные изгороди и птичьи гнезда оченьхорошо противостоят внешним нагрузкам, принцип их создания почти не используетсясовременными инженерами. (Одно из исключений составляют автомобильные покрышки,где в резину для борьбы с ее чрезмерной хрупкостью добавляется специальныйкорд.)
Из приведенной выше формулы видно, что длина Lgбыстро уменьшается с ростом напряжения s. Поэтому, если мыхотим, чтобы при сравнительно высоких напряжениях оставались безопаснымидостаточно длинные трещины, следует использовать материалы, для которыхвелики работа разрушения W и жесткость, то есть модуль Юнга,Е. Именно этим объясняются столь широкое использование мягкойстали и ее значение не только в экономике, но и в политике; будучи весьмадешевой, она характеризуется как большой работой разрушения, так и высокойжесткостью.
Как мы увидим дальше, при использовании формулы Гриффитса возникаетмного подводных камней, поэтому мы не должны рассматривать ее как какое-тодарованное свыше решение всех проблем конструирования, но в то же времяона проясняет некоторые проблемы конструирования, которым ранее не находилиобъяснения и которые были окружены предрассудками.
Например, вместо того чтобы, не утруждая себя, использовать совершеннофиктивные коэффициенты запаса прочности, сегодня мы можем попытаться спроектироватьконструкцию, которая не будет разрушаться при наличии трещин заданной длины.Выбранная длина трещин будет зависеть от размеров конструкции, а такжеот возможных условий ее работы и контроля за ней. Если речь идет о возможныхжертвах при разрушении конструкции, то вполне очевидна необходимость сделатьтак, чтобы безопасная трещина была настолько велика, дабы в пятницу послеобеда ее и при плохом освещении разглядел скучающий и бестолковый контролер.
В действительно больших конструкциях, таких, как корабли или мосты,хотелось бы, чтобы и трещины длиной в 1-2 м не представляли опасности.Предположим, что мы ориентируемся на безопасную трещину длиной 1 м. Тогдадаже при столь умеренном допущении, что работа разрушения стали составляет10 Дж/м, мы найдем, что такая трещина будет устойчивойвплоть до напряжений в 110 МН/м (11 кгс/мм). Ноесли мы захотим большей безопаности и будем ориентироваться на трещинудлиной 2 м, допустимое напряжение придется уменьшить до 80 МНм(8 кгс/мм).
На самом деле 80 МН/м - это как раз тот уровень напряжения,на который рассчитывают при проектировании крупных конструкций, и для мягкойстали это напряжение соответствует коэффициенту запаса прочности, лежащемумежду 5 и 6, и поэтому оно вполне приемлемо. Посмотрим, как все это работаетна. практике. Из 4694 судов, проходивших в доке обычную проверку, у 1289,то есть более чем у четверти, были обнаружены серьезные трещины в корпусе,после чего, конечно, были предприняты необходимые меры по ремонту. Числоже судов, которые, если бы не принятые меры, действительно разломилисьв море пополам, было все же много меньшим и составляло весьма малую долюот общего их количества. Одно такое судно пришлось примерно на каждые пятьсоткораблей. Если бы при конструировании этих судов были предусмотрены болеевысокие напряжения или их корпуса были изготовлены из более хрупкого материала,то в большинстве случаев трещины не были бы обнаружены до самого моментакатастрофы.
Следуя доктрине Гриффитса в ее чистом виде, мы обнаружим, что трещиныменьше критической длины вообще не могут распространяться, а посколькулюбая трещина начинает свое существование с весьма малых размеров, то ивообще ничто никогда на разрушается. В действительности же, конечно, помногим веским причинам, которые составляют компетенцию металлургов и материаловедов,трещины до критической длины все же могут расти (см. гл. 14). Существенно,что, как правило, это происходит очень медленно, так что имеется достаточновремени для того, чтобы обнаружить эти трещины и что-то предпринять.
К несчастью, бывают и исключения. Профессор Дж.Ф.К. Конн, до недавнеговремени занимавшийся в Глазго строительной механикой корабля, рассказалмне историю, как на крупном грузовом судне кок, прийдя как-то утром накамбуз готовить завтрак, обнаружил большую трещину посреди пола. Кок послалза старшим стюардом, который пришел, посмотрел на трещину и послал за старшимпомощником капитана. Старший помощник пришел, посмотрел на трещину и послалза капитаном. Капитан пришел, посмотрел на трещину и сказал: "А, ничегострашного, дайте-ка мне позавтракать!"
Но у кока был явно научный склад ума и, разделавшись с завтраком, ондостал краски, пометил концы трещины и поставил возле отметки дату. Черезнекоторое время корабль попал в непогоду и трещина удлинилась на несколькодюймов. Тогда кок нанес новую отметку и поставил новую дату. Он проделалэто со всей добросовестностью еще несколько раз.
Когда судно в конце концов потерпело аварию, именно на той половине,которую удалось спасти и отбуксировать в порт, оказались отметки кока,которые, по мнению профессора Конна, служат самыми достоверными из всехсвидетельств о процессе роста больших трещин докритической длины.
"Мягкая" сталь и "высокопрочная" сталь
Если конструкция не выдерживает нагрузок или имеются опасения относительноее прочности, то естественное внутреннее чувство подсказывает инженеру,что надо использовать "более прочный" материал; если речь идет о стали,то это будет высокопрочная сталь. Для больших конструкций это, вообще говоря,ошибочное решение, поскольку ясно, что даже в случае мягкой стали ее прочностьиспользуется далеко не полностью. Это происходит потому, что, как мы ужевидели, разрушение конструкции может определяться не прочностью, а хрупкостьюматериала.
Хотя измеряемые величины работы разрушения зависят от способа, которымпроизводится соответствующее испытание, и здесь трудно получить однозначныйрезультат, все же можно сказать, что трещиностойкость большинства металловс ростом прочности несомненно уменьшается. На рис. 25 в качестве примерапоказано соотношение между этими двумя величинами в углеродистых сталяхпри комнатной температуре.
Рис. 25. Приближенное соотношение между прочностью и работой разрушения длянекоторых простых углеродистых сталей. (По В.Д. Бигсу)
Легко (и это не очень дорого) вдвое увеличить прочность мягкой стали путемповышения содержания углерода. Однако, если мы сделаем это, величина работыразрушения может уменьшиться раз в 15. В той же пропорции уменьшится икритическая длина трещины, то есть она при том же напряжении уменьшитсяот 1 м до 6 см. Если, однако, мы повысили вдвое и рабочее напряжение, токритическая длина трещины уменьшится в 15х2 = 60 раз. Такимобразом, если критическая длина трещины первоначально была 1 м, теперьона составит 1,5 см, что было бы весьма опасно для большой конструкции.
Для конструктивных элементов малых размеров, таких, как болт или коленчатыйвал, положение иное, здесь не имеет смысла ориентироваться на трещины метровойдлины. Если мы хотим, чтобы допустимая предельная длина трещины равнялась,например, 1 см, то рабочее напряжение, при котором такая трещина остаетсябезопасной, может достигать почти 280 МН/м и в этом случаестоит применить высокопрочный материал. Таким образом, одно из следствийтеории Гриффитса состоит в том, что в целом высокопрочные материалы и большиерабочие напряжения более безопасно применять в малых конструкциях, чемв больших. Чем больше конструкция, тем меньше напряжение, приемлемое сточки зрения безопасности. Это один из факторов, накладывающих ограниченияна размеры судов и мостов.
Соотношение между работой разрушения и прочностью, подобное показанномуна рис. 25, почти справедливо и для обычных углеродистых сталей. Можнодобиться лучшего соотношения между прочностью и трещиностойкостью, еслииспользовать легированные стали, то есть стали с присадками других элементови уменьшенным содержанием углерода, но эти стали слишком дороги для примененияв крупногабаритных конструкциях. В связи с этим около 98% всей выпускаемойстали - это "мягкая" сталь, другими словами, мягкий, или пластичный, металлс прочностью около 40-50 кгс/мм (около 450 МН/м).