Текст книги "Почему мы не проваливаемся сквозь пол"
Автор книги: Джеймс Эдвард Гордон
сообщить о нарушении
Текущая страница: 14 (всего у книги 20 страниц)
Армированный бетон
Хотя между людьми, работающими с железобетоном, и специалистами по стеклопластикам никогда, по-видимому, не было сколь-нибудь серьезных связей, в этих двух областях много общего, и поэтому уместно закончить настоящую главу небольшим разделом, посвященным армированному бетону. Подобные материалы ведут свое начало с глубокой древности, а различия между ними заключаются главным образом в масштабах: в бетоне, например, арматура намного грубее, чем в пластиках. Еще в Древнем Вавилоне использовали тростник для армирования построек из высушенной грязи; а различные вариации “плетенки и глины” издавна применялись во всем мире. Деревенька в Эссексе, где я пишу эту главу, построена главным образом из грязи и штукатурки поверх сплетенных прутьев.
Вероятно, первыми стали применять железо в качестве арматуры греки. Мы уже говорили в главе 1, что в нормальной кладке все должно быть в состоянии сжатия, поскольку кладка не может противостоять сколько-нибудь значительным растягивающим напряжениям. Это условие привело к использованию арок и куполов, позволяющих создавать большие перекрытия, в которых не возникают напряжения растяжения. Греки об этом отлично знали, но они, кажется, не признавали арок – по крайней мере в формальной архитектуре. Очень возможно что они исходили при этом из эстетических соображений. Греки далеко не всегда подчиняли свои поступки строго рассчитанной необходимости, особенно в архитектуре идущей от деревянных конструкций. Парфенон и все другие дорические храмы – точные мраморные копии деревянных строений вплоть до имитации в мраморе штифтов, скрепляющих между собой деревянные балки. Но так как творения греков блестящи, а наши собственные здания зачастую ужасны, не нам посмеиваться над античными архитекторами по этому поводу.
Деревянная архитектура, по существу, основана на балочных конструкциях, потому что ее строительный материал – разного рода длинные брусья. К тому же древесина обладает хорошей прочностью на разрыв. Греческая архитектура была, таким образом, архитектурой балок и колонн. То же самое прекрасно иллюстрирует американская “колониальная” архитектура. Строители здесь в избытке имели дерево, и потому они охотно и успешно обратились к классическому стилю. Готика и древесина несовместимы, поскольку готический стиль основан на напряжениях сжатия, которые под силу лишь каменным аркам.
Хотя мрамор, пожалуй, лучше других камней с точки зрения прочности на разрыв, его прочность все-таки слишком мала и непостоянна, поэтому делать из него балки какой бы то ни было длины невозможно. В ранних дорических каменных храмах это компенсировалось тем, что пролеты балок были короткими, а капители сверху колонн – широкими. Даже в Парфеноне (строительство началось в 447 году до н.э.) свободный пролет большинства балок не превышает 2,5 м, хотя и выглядят они длиннее. Однако, когда в 437 году до н.э. Мнесикл приступил к строительству входа в Акрополь (Пропилеи), ему потребовалось перекрывать намного большие пролеты. Их длина от 4 до 6 м определялась как архитектурными пропорциями, так и необходимостью церемониала. Чтобы справиться с растягивающими напряжениями, Мнесикл решил замуровать в мраморе в специальных канавках железные стержни длиной около 2 м. Так появился армированный мрамор, который должен был по замыслу создателей вести себя подобно древесине.
Однако Мнесикл не сделал существенного шага вперед: греческие колонисты в Акрагасе (Сицилия) еще в 470 году до н.э. использовали железные армирующие брусья длиною 4,5 м и сечением 12Х30 см. Правда, остается тайной, как были получены такие поковки. Но это заставляет предположить, что греки не испытали бы технологических трудностей в изготовлении паровой машины и другого тяжелого оборудования, если бы до них додумались[44].
Как мы уже говорили, готические церкви рушатся, если в них появляются растягивающие напряжения, а появляются они довольно часто. Выход – быть может, частичный – был найден в контрфорсах. Примерно тот же способ применялся и в поздней классической и романской архитектуре. Так, давление, действующее со стороны купола св. Софии в Константинополе (532 год), уравновешивается силами, созданными двумя полукуполами, на которых он покоится; правда, арки у его основания связаны железными стержнями.
Купола соборов св. Петра и св. Павла[45] покоятся на цилиндрических барабанах. Здесь не было возможности уравновесить силы, направленные наружу, вспомогательными куполами или контрфорсами: это совершенно нарушило бы замысел проекта с изолированными куполами. В обоих случаях проблема была решена, как известно, передачей нагрузки на замкнутую растянутую цепь, заделанную в кладку вокруг основания куполов.
Более общий подход предложил француз Суффло (1713 – 1781), пытавшийся увеличить прочность кладки на растяжение путем замуровывания в нее железных стержней. Однако вдоль швов проникала влага, железо окислялось и расширение продуктов коррозии крошило кладку. Позже Брюнель пытался делать примерно то же самое, вставляя обручное железо (тонкие полоски железа, идущие на обручи для бочек) в соединения кирпичной кладки. Результат был в точности похож на предыдущий.
Затем, вероятно, сразу трое почти одновременно обнаружили, что коррозия железной арматуры в портландцементе не столь значительна, чтобы вызвать повреждения. Французский садовник Жозеф Монье (1823 – 1906) в 1849 году сделал цветочные горшки, а точнее – большие кадки для апельсиновых деревьев, заложив сетку из тонких железных стержней в цемент. Эти кадки оказались удачными и привлекли к себе внимание. Англичанин В. Вилкинсон в поисках применения старым шахтным канатам сделал армированные строительные балки (подобно грекам), расположив канаты на их растянутой стороне. Наконец, французский инженер Ж. Лямбо показал в 1855 году гребное судно, сделанное из бетона, армированного железными стержнями, – по-видимому, оно было первым в длинной веренице не очень удачных бетонных судов. Лямбо запатентовал (казалось бы, поздновато) использование комбинированного железобетонного материала в строительстве.
Железная арматура позволяет бетону довольно успешно нести растягивающие нагрузки. Но деформация растяжения, при которой бетон разрушается, очень мала; поэтому бетон растрескивается задолго до того, как арматура значительно деформируется. Если к такой комбинированной системе приложить сколь-нибудь серьезную растягивающую нагрузку, бетон будет пронизан сеткой трещин. Если эти трещины малы – через них проникнет внутрь вода, если они велики – бетон раскрошится. Лучший способ избежать как одного, так и другого – поставить бетон навсегда в условия сжатия, а арматуру раз и навсегда растянуть. Различные виды такого материала, известного как предварительно напряженный железобетон, начали появляться примерно с 1890 года; но, хотя его применение было вполне успешным, распространение он получил не сразу.
Серьезно и в широких масштабах предварительно напряженный железобетон стал применяться сравнительно недавно. Его использование дает возможность строить намного более эффективные и нагруженные конструкции, чем из обычного железобетона. Естественно, возникает вопрос, не лучше ли делать всю конструкцию из стали? Оказывается, нет. И не только из-за существенной экономии стали. Бетонная матрица предохраняет стальные стержни от потери устойчивости и коррозии. Благодаря последнему конструкция почти не требует ухода.
(обратно) (обратно) (обратно)
Часть III. Металлы
Глава 8
Пластичность металлов, или интимная жизнь дислокаций
Железныя рудокопи доставляют человеку превосходнейшее и зловреднейшее орудие. Ибо сим орудием прорезываем мы землю, сажаем кустарник, обрабатываем плодовитые сады и, обрезая дикие лозы с виноградин, принуждаем их каждый год юнеть. Сим орудием выстраиваем мы домы, разбиваем камни и употребляем железо на все подобный надобности. Но тем же самым железом производим брани, битва и грабежи и употребляем оное не только в близи, но и мещем окрыленное в даль, то из бойниц, то из мощных рук, то в виде оперенных стрел. Самое порочнейшее, по мнению моему, ухищрение ума человеческого. Ибо, чтобы смерть скорее постигла человека, сделали ее крылатою, и железу придали перья. Того ради да будет вина приписана человеку, а не природе. Некоторыми опытами доказано, что железо может быть безвредно. В мирном союзе, дарованном Порсеною римскому народу, по изгнании Царей, нахожу я именно сказанным: чтобы железо употреблять не на иное что, как на земледелие.
Перевод В. Севергина, С.-Петербург, 1819.
Естественная история
Плиний Старший
Выше мы говорили о том, как можно повысить вязкость упругих материалов, подчиняющихся закону Гука вплоть до момента разрушения. Описанный в главе 4 механизм является практически единственным для получения полезной вязкости неметаллических материалов, и, как мы уже говорили, живая природа, по-видимому, целиком уповает на него, по крайней мере в своих достаточно жестких материалах, таких, как древесина и кость. Другое дело вязкость металлов – она не имеет, насколько мне известно, аналогий в живых организмах. Механизм сопротивления металлов хрупкому разрушению обычно называют пластичностью.
Пластичность определяется тем, насколько форма кривой напряжение-деформация отклоняется от закона Гука. В главе 3 мы уже подробно говорили о концентрации напряжений, этом проклятии для инженеров, с которым должна бороться вязкость. Как правило, в оценках концентрации исходят из того, что материал следует закону Гука. Мы говорим о концентрации напряжений, но все вычисления дают нам, по существу, концентрацию деформаций. Следовательно, если мы нашли в результате расчетов, что в непосредственной близости от кончика трещины деформация материала раз в 200 больше, чем средняя деформация в конструкции, то мы полагаем далее, что местное напряжение также в 200 раз выше среднего. Мы говорим, что в этом случае коэффициент концентрации напряжений равен 200. Однако эти рассуждения верны лишь в том случае, если для материала вблизи кончика трещины соблюдается закон Гука.
Металловеды пользуются классическим способом торможения трещины, который основан на свойстве материала пластически деформироваться. Этим свойством как раз и обладают металлы. Небольшие отклонения от закона Гука, связанные, например, с формой кривой сил межатомного взаимодействия (глава 1), здесь бесполезны, так как локальные деформации у кончика трещины обычно в сотни раз превосходят среднюю деформацию. Существует несколько разновидностей отклонений от закона Гука. Может быть, полезно поэтому рассмотреть вначале материал, в котором практически отсутствует сопротивление распространению трещин.
(обратно)
Чем плохи вязко-упругие материалы
Если оставить густую жидкость под постоянной нагрузкой, то через достаточно длительный промежуток времени она может практически неограниченно деформироваться. Иными словами, она будет течь. Подобно болотной топи, такая жидкость потечет, если вы будете на нее давить долго, но она успешно сопротивляется внезапным кратковременно действующим нагрузкам. Наиболее густые жидкости трудно отличить от твердых тел. К такого рода веществам относятся вар и гудрон, конфета ириска и различные пластики.
Мы уже говорили, что ириску довольно легко расколоть, а вот медленным приступом ее можно не одолеть и большей силой. То же самое относится и к вару и, что уж совсем плохо, к пластикам. Дайте пластикам время, и они будут действительно очень вязкими: они потекут вокруг головки трещины, и концентрация напряжений снизится Но как конструкционные материалы они объединяют в себе худшие качества как пластичных, так и хрупких материалов. Если их медленно нагрузить, то через некоторое время они начинают течь во всем объеме, постепенно уходя от выполнения своих прямых задач. Под внезапной нагрузкой они неспособны вовремя деформироваться и их поведение походит на поведение твердого стекла. А коль скоро побежала трещина, она вскоре достигает такой скорости, за которой механизм пластического течения уже не сможет успевать, – и материал раскалывается.
Такие материалы, как древесина и армированные пластики, при больших напряжениях тоже немного ползут, то есть ведут себя на манер вязко-упругих материалов, и это, конечно, их недостаток. Кроме того, они не вполне “гуковские”: их кривая напряжение – деформация выглядит так, как показано на рис. 47. Однако отклонения от закона Гука слишком малы, чтобы как-то понизить хрупкость этих веществ, поэтому они должны полностью полагаться на слабые внутренние поверхности, тормозящие трещины.
Рис. 47. Кривая напряжение – деформация типичного неметаллического конструкционного материала (например, древесины или стекловолокна). Отклонение от закона Гука определяется, как правило, не формой кривой межатомных сил, а небольшими эффектами ползучести.
(обратно)
Торможение трещин дислокациями и коррозия под напряжением
Дислокационный механизм обеспечивает весьма удачную комбинацию упругости при малых деформациях с интенсивным течением – при больших. Типичная кривая напряжение – деформация для пластичного металла схематически показана на рис. 48. Упругая деформация в таких металлах составляет намного меньше 1%. Далее их поведение напоминает пластилин, они текут при почти постоянном напряжении до удлинений 50% и более (на самом деле локальные деформации бывают значительно большими). На этом участке пластического течения материал не разупрочняется. С увеличением деформации напряжение не возрастает; но, с другой стороны, металл серьезно и не повреждается. Средняя рабочая деформация, сознательно допускаемая в технических конструкциях, редко превышает примерно 0,1%, а поскольку металл может течь локально до 100% и более, то допустимы концентрации деформаций в кончике трещины что-нибудь около 1000.
Рис. 48. Кривая напряжение-деформация для пластичного металла
На рис. 49 видно, что по обе стороны от кончика трещины есть малые области очень большого сдвига – концентрация напряжений сдвига. Напряжения здесь достаточны, чтобы заработали источники дислокаций, и, действительно, новые дислокации рождаются здесь в изобилии. В двух главных плоскостях, торчащих из трещины, словно уши, под 45° к ее поверхности, возникает сдвиг, и самая опасная концентрация напряжений снимается. Грубо говоря, это равносильно округлению головки трещины. Следовательно, хотя гриффитсов баланс энергии (глава 4) остается в пользу распространения трещины, механизм, движущий ее, оказывается бессильным из-за отсутствия нужной концентрации напряжений.
Рис. 49. Концентрация касательных (сдвиговых) напряжений у кончика трещины.
Таким образом, трещине не удается подрастать по чисто механическим причинам, и материал будет в безопасности, пожалуй, практически в 99% случаев. Работая с материалами, мы должны всегда помнить, что не существует четких и ясных линий раздела между химией, физикой и теорией упругости. Эксперты в своих замках из слоновой кости любят проводить это разделение, но ведь межатомные– то связи о них ничего не ведают. Связь может быть разрушена химическим, физическим или механическим путем, а также любой комбинацией этих способов. Упруго натянутая связь более уязвима по отношению к физическим и химическим воздействиям. По этой причине области с высоким напряжением особенно слабо сопротивляются растворителям и коррозионным средам.
Мы уже подчеркивали, что в вязких материалах баланс энергии обычно остается в пользу распространения трещины. Трещина стоит на месте лишь потому, что из-за снижения концентрации напряжений отсутствует и механизм распространения. В то же время, хотя рождение многочисленных дислокаций сильно понизило напряжения у головки трещины, оно не сбросило их полностью.
Более того, сильно исковеркан и жизненный путь находящихся здесь атомов, и сохранились деформации микрообъемов. Поэтому связи между атомами в этой области более чем где-либо чувствительны к воздействию агрессивных растворов и хнмикалиев, которым случится соприкоснуться с материалом. Вот почему металлы, вязкие на воздухе и в других сухих газах, могут растрескаться под нагрузкой, если их замочить в морской воде. То же самое случается и на химических заводах. Причем без нагрузки металлы могут служить годами в той же самой коррозионной среде, а время действия роковой нагрузки может быть и очень большим, и очень малым. В этом отношении некоторые латуни могут оказаться ловушками для несведущих любителей.
(обратно)
Пластичность кристаллов
Пластичность металлов имеет два чрезвычайно полезных следствия. Во-первых, она затрудняет распространение трещин, а во-вторых, делает металл ковким. Последнее означает, что куску металла можно придать нужную форму путем горячих или холодных операций ковки, прессования, гибки. Вообще говоря, для обработки металлов давлением (ковки, прокатки) способность к течению должна быть больше, чем для того, чтобы обеспечить сопротивление материала развитию трещин. Но обработке подвергается, как правило, нагретый металл, а в таком состоянии практически все кристаллы намного более пластичны.
Пластичность – исключительная привилегия кристаллов, поскольку истинные дислокации могут существовать только в виде нарушений идеальной кристаллической решетки. Большинство твердых тел обладают кристаллической структурой, и дислокации присутствуют почти во всех кристаллах. С другой стороны, в подавляющем большинстве кристаллов при комнатных температурах дислокации либо недостаточно подвижны, либо характер их подвижности не тот.
Почти все кристаллы содержат дислокации, порожденные самой природой кристаллизации. Но эти дислокации распределены по всему объему материала более или менее равномерно, а концентрация напряжений у кончика трещины – явление очень резко выраженное и локализованное, и их, этих врожденных дислокаций, расположенных в непосредственной близости к трещине, для такого сдвига, который бы сгладил ситуацию, обычно не хватает даже если эти дислокации очень подвижны. Следовательно, нужно, чтобы масса новых дислокации возникла прямо на месте происшествия, их должна породить сама концентрация напряжении. Более того, размножение должно идти очень быстро, иначе материал будет уязвимым в случае ударных нагрузок.
В реальном материале трещины совсем не похожи на плоские картинки на листе бумаги, это сплюснутые объемные клиновидные поры, пытающиеся втиснуться в трехмерный материал. Поэтому для того, чтобы должным образом уменьшить концентрацию напряжений, необходим сдвиг в пяти плоскостях.
Число кристаллов, которые удовлетворяют всем перечисленным условиям сразу, очень мало: какая-нибудь дюжина металлических кристаллов из тысяч существующих кристаллических веществ. Сегодня ни один неметаллический кристалл (подозрительное исключение составляет хлористое серебро) мы не можем считать истинно пластичным.
Хотя за последние тридцать лет проделана огромная работа по изучению дислокаций и существует поистине необъятное количество как теоретических, так и экспериментальных сведений, нам все еще полностью не понятно, что определяет подвижность дислокаций в раличных веществах. Но все же, наверное, будет полезно рассказать о некоторых более понятных сторонах этого явления.
Прежде всего, легкость, с которой межатомная связь может быть разрушена и восстановлена, для разных веществ весьма различна. А ведь мы знаем, что каждый раз, когда дислокация прыгает на один шаг, должны рваться старые связи и устанавливаться новые. В этом отношении наиболее гибкими должны быть такие связи, которые обеспечивают одинаковое притяжение во всех направлениях. Здесь на первое место нужно поставить металлическую связь, а за ней – ионную. Наихудшей будет, наверное, ковалентная связь, которая часто бывает в высшей степени направленной. Она имеет характер типа “все или ничего”. К сожалению, ковалентная связь в то же время является и наиболее прочной, и наиболее жесткой, и наиболее желательной из всех химических связей. Но при нормальной температуре дислокации в ковалентных кристаллах малоподвижны.
Очень важную роль играет также кристаллическая структура вещества, то есть геометрия взаимного расположения атомов или молекул в кристалле. Если элементарная ячейка (то есть такая минимальная ячейка, простым повторением которой можно “собрать” кристалл) велика, то прыжок дислокации будет, как правило, затруднен. Даже если элементарная ячейка и мала, но упаковка атомов геометрически усложнена, число направлений легкого скольжения будет чересчур ограничено. Обычно кристаллы с кубическим расположением атомов деформируются легче, чем кристаллы с гексагональной упаковкой атомов. Далее, важную роль играют размер ячейки, а также примеси.
Громадное большинство кристаллических веществ не обладает достаточно высокой пластичностью при нормальных температурах, а те кристаллические вещества, которые пластичны, оказываются слишком уж пластичными. Кристаллы чистых металлов (железа, серебра, золота и т.п.) слишком мягки, настолько мягки, что практически их просто нельзя использовать. Поэтому задача металловедения – искусства и науки-заключается главным образом в том, чтобы придать таким кристаллам твердость и прочность, не сделав их при этом слишком хрупкими. Это следует делать, ограничивая движение дислокаций, но в то же время не надо тормозить его слишком уж сильно.
Инженеры любят толковать об “удлинении”, даже используют его в качестве меры пластичности. Это очень грубый практический прием определения величины пластической деформации металла перед полным его разрушением. Величина эта не имеет ничего общего с упругой деформацией при разрыве материала, которая обычно не превышает 1%. Для измерения удлинения на образец наносятся две метки на расстоянии, положим, 5 см; после разрушения образца две половинки его складываются и расстояние между метками измеряется вновь. Если, например, новое расстояние окажется 7,5 см, то говорят, что удлинение равно 50% и т.д. Как и результаты большинства других популярных инженерных испытаний, удлинение очень трудно более или менее стройным образом связать со свойствами пластического течения материала. Точно так же трудно такие результаты использовать. Однако многие инженеры придерживаются стойкой почти религиозной веры в силу таких испытаний, и если вы скажете им, что древесина и стеклопластики, обладая вязкостью, дают нулевое удлинение, то в ответ можете услышать, что именно поэтому они их и не применяют. Как и большинство верований, основанных на эмоциях, эта вера зиждется на страхе, вполне понятном страхе перед хрупким разрушением.
Для большинства металлических сплавов удлинение порядка 5-10% оказывается достаточным для того, чтобы обеспечить удовлетворительную вязкость. Чаще всего на практике используют малоуглеродистые стали, имеющие удлинение до 50-60%, но довольно низкую прочность. Частично это объясняется перестраховкой из-за боязни трещин, но, кроме того, есть еще и две другие причины. Многие конструкции делают из металлических листов, прутков, труб, и обычно бывает очень удобно и дешево придать им нужную форму путем гибки в холодном состоянии. Подгоняя одну часть конструкции к другой, можно также использовать и другие довольно грубые методы. Во время войны мне говорил как-то один сборщик самолетов, что подгонку крыльев “Спитфайеров” к фюзеляжам можно выполнить только при помощи кувалды. Своими глазами я такого никогда не видел, поэтому не могу ручаться за достоверность, но подобного рода вещи случаются, хотя, пожалуй, и не в авиационной промышленности и не в мирное время.
Вторая причина связана с тем, что перераспределение напряжений в конструкции может сгладить опасные напряжения. Дело в том, что иногда бывает очень трудным сколько-нибудь точно определить нагрузки во всех элементах сложной конструкции, а кое-кому это может показаться просто слишком обременительным занятием. Если же материал течет и имеет большой пластический участок, то перегруженный элемент может просто больше деформироваться, что не так уж и опасно для него. Многие инженеры свято верят в такие “самопроектирующиеся” конструкции.
Теперь нам понятны преимущества пластичных металлов в реальном мире с его несовершенствами и соображениями коммерции. Легко объясняется теперь и широчайшее распространение мягких сталей, алюминия, меди. Но вместе с тем с пластичностью связаны и два недостатка. Пластичность даже самых мягких металлов не бесконечна, и так как способов измерить, какая доля пластичности уже исчерпана при изготовлении детали, обычно нет, остается лишь догадываться, сколько же пластичности сохранилось на то, чтобы обеспечивать вязкость в ходе эксплуатации. Когда ломаются изделия массового производства, именно в этом незнании кроется корень зла. Отжиг – операция достаточно прихотливая, к тому же она связана с дополнительными расходами, а малые детальки имеют грошовую цену, поэтому трудно воспротивиться стремлению деформировать металл в таких случаях вхолодную.
Другой недостаток заключается в том, что максимальная пластичность неизбежно сочетается с малой прочностью, поскольку металловеды должны сделать так, чтобы дислокации начали двигаться при малых напряжениях. А в итоге конструкции часто получаются намного тяжелее, чем следовало бы.
(обратно)
