Виктор Финкель - Портрет трещины
Дело в том, что сварка сопровождается серьезным повышением температуры в небольшом объеме, в то время как остальная часть детали остается холодной. Такой температурный перепад часто вызывает появление в изделии больших внутренних напряжений. Иногда они настолько значительны, что способны сами по себе разрушить конструкцию. Чаще их величина хоть и «весома», но недостаточна для самопроизвольного разрыва. Однако в процессе эксплуатации внутренние напряжения суммируются с внешними и ведут к внезапным катастрофам.
В одной из своих книг сатирик Ф. Кривин пишет: «Пень стоял у самой дороги, и пешеходы часто спотыкались об него.
– Не все сразу, не все сразу, – недовольно скрипел пень. – Приму сколько успею: не могу же я разорваться на части! Ну и народ, ни шагу без меня ступить не могут!»2
Роль такого пня у широкой магистральной дороги сварочного производства и прочности играют внутренние напряжения. Вот некоторые примеры3. Из 52 сварных мостов, построенных в Бельгии в 1934-1938 гг., почти одна пятая их часть к 1940 году была выведена из строя вследствие серьезным дефектов. Так, в марте 1938 года разрушился мост через канал Альберта возле
1 Взрывы в океане//Наука и жизнь. 1971. № 3. С. 38.
2 Кривин Ф. В стране вещей.--М.: Советский писатель, 1961. С. 18.
3 Гатенко М. И. Хрупкое разрушение сварных соединений и конструкций. – Москва – Киев: Машгиз, 1963. С. 8.
Хассельта с пролетом 73,5 м, а в январе 1940 года – сразу два моста через тот же канал с пролетами 61 и 48,8м. Между 1940 и 1950 годами в Бельгии зарегистрировано 14 случаев хрупкого разрушения элементов мостов. В декабре 1951 года в Чехословакии обрушился временный железнодорожный мост с пролетами 12 м. Одна из наиболее заметных аварий – разрушение автодорожного моста в Квебеке (Канада), случившееся 31 января 1951 года при сильном морозе. Мост обрушился, когда по нему проезжала всего одна машина. И этого оказалось достаточным, чтобы все три пролета длиной 54 метра каждый упали в реку.
Соединенные Штаты Америки построили во время второй мировой войны примерно 5000 торговых кораблей. К апрелю 1946 года более чем в пятой их части обнаружили трещины. С ноября 1942 по декабрь 1952 года образовались трещины более чем на 200 судах. Десять танкеров три грузовых судна типа «Либерти» разломились пополам. На 25 других судах трещины разрушили палубу или днище. Например, в марте 1943 года на небольшой зыби переломился танкер «Эссо Манхеттен» водоизмещением 10344 т. Напряжения в его корпусе были ничтожны. Танкер «Закетс Харбор» ока-
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.
