• Главная
• Контакты
• Нашёл ошибку
• Прислать материал
• Добавить в избранное

Кто бы ни взялся писать книгу, посвященнуюстоль обширной области знаний, как наука о прочности материалов, он всегдабудет чувствовать, что специалисты найдут в такой книге много ошибок, упрощенийи просто невежества. Такая книга непременно явится отражением авторскойиндивидуальности, и в первую очередь это коснется отбора материала.

Я писал о том, что интересовало меня в то или иноевремя. Надеюсь, меня за это не осудят. Ведь не мог я писать о легированныхсталях, например, или о титане: есть люди, которые сделают это гораздолучше меня.

Наука о материалах и теория упругости считаются довольноматематизированными дисциплинами. Однако я опустил всю математику, за исключениемсовершенно элементарной алгебры, которая доступна каждому.

(Дж. Гордон)

Какую пищу нашему уму дает созерцание сил сцепления! Как много новых явленийоткрывается здесь! Именно эти силы обеспечивают прочность всего того, чтосооружаем мы на земле, используя железо, камень и другие прочные материалы. Итолько подумайте, что все наши конструкции- взять хотя бы "Грейт Истерн"[1], размеры которого и мощь, кажется, лежат за пределамичеловеческого воображения, - существуют постольку, поскольку существуют силысцепления.[2]

( О различных силах природы ) (М. Фарадей)

Почему ломаются вещи? Почему вообще материалы обладают прочностью? Почемуодни твердые тела прочнее других? Почему сталь вязкая, а стекло - хрупкое?Почему древесина расщепляется? Что означают такие понятия, как прочность,вязкость, хрупкость? Использованы ли все резервы прочности, скрытые в материалах?Можно ли улучшить существующие типы материалов и создать совершенно новые,отличные от них, которые были бы намного прочнее? Если да, то каким образомэто сделать и как они будут выглядеть? Если мы в самом деле будем располагатьлучшими материалами, то как и где их следует применять?

Фарадея в последние годы его жизни стали занимать некоторые из этих вопросов,но ответить на них он не смог, да, признаться, и мы лишь совсем недавнооказались в состоянии это сделать. Однако уже самой постановкой вопросаФарадей значительно опередил свое время; впоследствии еще долгое времяисследования прочности и сил сцепления не были в чести у ученых. Эта книгарассказывает о том, как мы пришли к пониманию природы прочности материалов,как связаны между собой прочностные свойства металлов, древесины, керамики,стекла, костей, как эти материалы ведут себя в различных конструкциях -станках, кораблях, самолетах, зданиях, мостах.

Новая наука о материалах очень важна, потому что все наши техническиедостижения всегда были ограничены недостаточной прочностью материалов.И если еще совсем недавно человек принимал материалы как нечто ниспосланноесвыше, то сегодня мы можем не только понять характер поведения материалов,но и найти способы улучшения их свойств. Уже видны пути получения несравненнолучших материалов, не похожих на существующие. Они откроют инженерам совершенноновые возможности.

В технике всегда существовало деление на металлы и неметаллы, и, хотятакие мастера, как Брюнель, одинаково умело использовали и те и другие,большинство инженеров по традиции становились "металлистами" или "неметаллистами".Причина такого деления лежит в резком различии свойств металлов и неметаллов- мы скоро увидим, в чем здесь дело, - и, следовательно, путей их использования.Однако я склонен думать, что определенную роль в выборе "своего" материалаиграют характеры людей: металлисты представляются мне людьми практичными,земными, они не выносят того, что им кажется бессмысленным, а неметаллисты,вероятно, более лиричны, богаче наделены воображением.

Возможно, мы не должны делать особых выводов из самого факта такогоразделения, но оно так или иначе проходит через всю историю техники. Внашей книге мы проследим развитие этих двух традиционных направлении всвете современной науки о материалах и попытаемся выделить проблемы, которыев свое время требовали решения. Мы постараемся понять, почему произошлиэти перемены.

На протяжении XIX века цены на железо и сталь снизились в 10 раз, чтоодновременно с улучшением их качества явилось весьма важным событием вразвитии техники, а может быть, даже наиболее важным историческим событием.Во всяком случае, железо и сталь пришлись особенно по душе мастерам временкоролевы Виктории, да и наша современная техника зиждется в основном наметаллах. Однако металлам не принадлежит монополия на прочность. Поройлучшими сочетаниями удельного веса и прочности обладают не металлы, а самыепрочные из известных веществ - недавно полученные нитевидные кристаллы(усы) углерода и окиси алюминия.

Тенденции развития материаловедения сейчас таковы, что, весьма вероятно, скоромы будем располагать конструкционными материалами, которые по своей структурегораздо больше напоминают древесину или кость, чем металлы и сплавы, хорошоизвестные нашим инженерам[3]. Это не значит,что мы вернемся к царству резьбы по дереву и плотничьего мастерства или чтометаллы будут вытеснены какими-то другими материалами в ближайшем будущем.Конечно, нет. Я хочу подчеркнуть лишь, что это делает уместным изучение всейистории применения прочных материалов, как металлических, так инеметаллических. Хотя новые технологические процессы во многом будут довольносложными, мы, быть может, вернемся к терпеливой скромности корпеющего над своимматериалом ремесленника, которая ныне на наших предприятиях вовсе забыта. Этопривело бы к большей занятости и, возможно, как-то компенсировало бы разногорода индустриальные уродства. Если так случится, то человечество окажетсятолько в выигрыше.

Отправной точкой, которая поможет нам разобраться в истории и некоторыхобластях применения конструкционных материалов, кажущихся наиболее важными всоциальном и техническом отношениях, послужат современные представления опрочности материалов. Выбор объектов исследования будет в известных пределахпроизвольным. Я не касался некоторых важных материалов, например, алюминия,если они не иллюстрировали какого-либо интересного принципа - l’art d’ennuyerconsiste a tout dire[4].

Прочность даже самого крупного сооружения в какой-то мере зависит отхимических и физических процессов, которые происходят на молекулярном уровне.Поэтому, говоря о материалах, нам придется оперировать физическими величинами,огромными и совершенно ничтожными, переходить от химических представленийк чисто техническим, совершать скачки из одной области науки в другую:материаловедение, выражаясь современным языком, находится на стыке наук.

Стоит лишь задуматься о механических свойствах твердого тела,как становится ясным, что какие-то представления о поведении материаловесть у каждого из нас, но далеко не всегда мы можем понять, почему материалыведут себя именно так, а не иначе. Правда, на вопрос "почему" ответитьвсегда сложнее. Однако, прежде чем доискиваться до причин какого-либо явления,его следует описать - точно и объективно. Это дело инженеров. Если дилетантможет довольствоваться смутными представлениями о том, как деформируютсяи разрушаются твердые тела, то инженер обязан быть точным, и немало поколенийинженеров совершенствовало это описание, стремясь сделать его предельнообъективным. Конечно, инженеры часто не отдавали себе отчета в том, почемукусок стали ведет себя так, а кусок бетона - иначе, но и в том, и в другомслучаях они проводили измерения и описывали все это в трудночитаемых книгах.Вооруженные знаниями "свойств" материалов, они обычно могут предсказатьповедение сложных конструкций хотя и у них случаются ошибки, и тогда мостылетят в реки, корабли тонут, самолеты разбиваются. Вся эта премудростьвоплощена в теории упругости, определяющей условия, при которых конструкционныематериалы воспринимают и передают нагрузки, сопротивляются им. Некотороепонимание всего этого необходимо и для того, чтобы разобраться в проблемепрочности материала. Если отбросить всю математику, основные принципы упругостина первый взгляд, право же, очень просты, но для истинного понимания онина удивление трудны. Причина этого, я думаю, кроется в том, что все мывоспитаны на некоторых инстинктивных знаниях о прочности - не будь этого,мы ломали бы вещи и травмировались гораздо чаще, чем сейчас. И в результатенам кажется, что такого подсознательного понимания вполне достаточно. Вконце концов все это оборачивается трудностями, связанными не столько сизучением элементарной теории упругости, сколько с собственными предубеждениями.

Кто сомневается во всем этом, пусть попробует объективно описать разницу междумеханическими свойствами, например, мела и сыра[5]. Как правило,инженеру под силу такая задача. Более того, если бы мы захотели по строитьнекое сооружение, используя один из этих материалов, он смог бы предсказатьхарактер его разрушения. Однако объяснить разницу между сыром и мелом нам могуттолько представители определенных областей науки.

Твердые тела сохраняют свою форму благодаря химическим и физическим связям,существующим между их атомами и молекулами. Любое тело можно вывести изстроя несколькими различными путями - механическим разрушением, плавлениемили воздействием химическими реагентами. Так как в каждом случае должныбыть разорваны какие-то внутренние связи одного типа, можно было бы предположить,что существует некая простая связь между всеми названными фoрмами разрушения,и сегодня, когда о природе межатомных взаимодействий химики и физики знаютдовольно много, им не так уж трудно дать объяснение и прочности, и другиммеханическим свойствам материалов, так что, по существу, изучение разрушенияматериалов должно бы стать разделом химии.

В дальнейшем мы увидим, что прочность связана - как этого, конечно,и следовало ожидать - с химическими взаимодействиями, но связь эта косвенная,и обнаружить ее средствами классической химии или физики невозможно. Оказывается,мы не только нуждаемся в интерпретации результатов этих наук средствамиклассической теории упругости, но нам необходимо ввести еще и такие сравнительноновые и очень важные понятия, как дислокации и концентрация напряжений.

В свое время их введению сопротивлялись многие ортодоксы. До недавнихпор наука о прочности материалов несомненно отставала от других дисциплин,которые на первый взгляд кажутся и более трудными и более эффектными. Втечение долгого времени мы гораздо лучше были осведомлены о радио или овнутреннем строении звезд, чем о том, что происходит в куске стали. По-моему,причина здесь не столько в крайней сложности предмета, сколько в трудностях,связанных с объединением достаточного числа людей, занятых в различныхобластях науки, для совместной работы над одной общей проблемой.

Химики, естественно, предпочитают объяснять все свойства веществ наязыке химии, но когда они, наконец, разделываются с трудностями, порожденнымииспользованием инженерами иных единиц измерения (например, для энергии),то часто обнаруживают, что рассчитанные ими параметры прочности не толькоотличаются от истинных на несколько порядков, но даже качественно не имеютничего общего с результатами экспериментов. После этого они склонны заброситьвсе, утверждая, что предмет и не интересен, и не важен. Отношение физиковк этой проблеме несколько иное, но очень многие из них в течение долгоговремени гнались за другим зайцем: надо было разбираться в том, что происходитвнутри атома.

Бесспорно, в наши дни совместными усилиями физиков и металловедовудается в удивительных подробностях разгадать происходящие в металлах процессы,но классическое металловедение слишком долго оставалось чисто описательнойнаукой. Металловеды знали, что, добавив тот или иной элемент к сплаву,они как-то изменят его свойства. Еще они знали, что нагрев, охлаждение,ковка меняют механические свойства металлов. С помощью оптического микроскопаони могли наблюдать лишь сравнительно грубые различия в микроструктуре.Но, несмотря на то что наблюдаемые структуры как-то определяли механическиесвойства металлов, эта связь сама по себе не могла считаться убедительнымнаучным объяснением механического поведения металлов и сплавов.

Если наука о материалах оказалась тяжела даже для ученых, вряд ли можнопредположить, что наши предки вполне осознанно обрабатывали и использовалиматериалы. И в самом деле, ни одна из технических дисциплин не изобилуетсуевериями в такой степени. Можно было бы (а быть может, и должно) написатьобъемистую полную ужасов книгу о предрассудках, связанных с получениемматериалов. Так, в древнем Вавилоне при изготовлении стекла использовалисьчеловеческие эмбрионы; японцы закаливали мечи, погружая их докрасна раскаленнымив тела живых пленников. Обычными были случаи погребения жертв в основанияхзданий и мостов, лишь в древнем Риме людей заменили чучелами. Подобныеобычаи связаны с примитивной философией, которая каждую конструкцию наделяласобственной духовной жизнью.

Со временем человек стал менее жестоким, но не менее суеверным.Во всяком случае, некоторые пережитки иррационального чувствуются дажев нашем сегодняшнем отношении к материалам. Так, зачастую весьма бурнообсуждаются вопросы о применении старых и новых, натуральных и синтетическихматериалов, причем бушующие на такого рода дискуссиях эмоции далеко невсегда основываются на реальных знаниях или экспериментальных доказательствах.Эти предубеждения наиболее сильны в быту ("Может ли что-нибудь сравнитьсяс шерстью?" или "Нет ничего, подобного коже!"), но иногда они проникаюти в область проектирования серьезных конструкций.

Издавна человеку казалось удобным видеть в материалах некую жизненнуюсилу, от которой якобы зависит их работоспособность. Например, говорили,что вещи ломаются потому, что их покидает некая сила. Во время войны яимел дело с поставками бамбука, который шел на изготовление аэростатовзаграждения. Как-то один импортер бамбука жаловался мне на трудности храненияпрутьев необходимой нам длины: для них требовалось слишком много места,поскольку их нужно было складывать горизонтально. На мое предложение хранитьбамбук в вертикальном положении собеседник заявил, что это невозможно,так как сила бамбука вылетит из него через обращенный кверху конец. В прошломпри выборе материала и проектировании конструкции полагались лишь на инстинкти опыт. Среди лучших ремесленников, работавших по сложившимся традициям,встречались иногда блестящие мастера. Однако было бы ошибкой преувеличиватьвозможности традиций, мастерство ремесленника могло быть великолепным,но инженерное решение его изделий, как правило, в лучшем случае было посредственным,а иногда оказывалось удивительно плохим. Повозки теряли колеса, потомучто каретных дел мастерам не хватало смекалки крепить их подобающим образом.Точно так же деревянные корабли в плавании почти всегда имели злосчастныетечи, потому что кораблестроители тех дней не понимали природы касательныхнапряжений, которые, боюсь, и сегодня для многих остаются загадкой.

Экскурс в такие далекие для нашего предмета времена может показатьсянеуместным в книге, посвященной современной науке о материалах, однакоследует помнить, что наука эта, подобно медицине, должна была прокладыватьсвой путь наперекор традиционной практике и суевериям. Не дать представленияо тех глубинах антизнания, из которых должно было подняться современноематериаловедение, значило бы в чем-то погрешить против истины.

Несмотря на то что не всегда просто установить прямые связи между прочностьюматериалов и законами классической физики и химии, в конечном счете именноэти науки составляют фундамент материаловедения. Поэтому для тех, кто могпозабыть кое-что из школьной программы, в конце книги имеется приложение,где кратко изложены основные сведения, без знания которых трудно следитьза дальнейшими рассуждениями. Однако для понимания материаловедения нев меньшей степени, чем знание законов химии и физики, необходимо правильноепредставление о размерах и масштабе. Иными словами, законы науки дают правилаигры, но размеры шахматной доски, то есть те масштабы, в которых разыгрываютсяигры в природе и технике, постоянно и почти невообразимо изменяются. Поэтомуостановимся, хотя бы кратко, на вопросе о масштабах и единицах измерения.

Кельвин не раз повторял, что наука начинается с измерений. Но для того, чтобыизмерять, нужны единицы измерения. Для измерения сравнительно больших величинмы будем использовать сантиметры и миллиметры, тонны, килограммы и граммы.Оперируя очень малыми величинами, мы обычно становимся более рациональными иобращаемся к малым единицам. А поскольку материаловедение часто имеет делоименно с малыми величинами, которые не используются в повседневной жизни, обэтих малых единицах следует рассказать подробнее. Микрон (мкм) - 1/10000 см,то есть 1/1000 мм. Размер самой маленькой точки, которую можно увидетьневооруженным глазом, - около 1/10 мм, то есть 100 мкм. А самый малый предмет,видимый с помощью обычного оптического микроскопа, как правило, меньше 0,5 мкм.На практике возможность видеть предмет в значительной степени зависит отусловий освещения: так, в сильном луче света, проникающем в темную комнату,можно видеть невооруженным глазом частицы пыли размером в 10 мкм или дажеменьше. Так как предел разрешения оптического микроскопа примерно равен одномумикрону, микрон стал излюбленной единицей тех, кто в основном работает с этиммикроскопом, в частности биологов.

Ангстрем (А) - 1/10000 мкм, или 1/100000000 см. Эта единица пользуетсяуважением тех, кто работает с электронным микроскопом, ее применяют дляизмерения атомов и молекул. С помощью современного электронного микроскопаможно рассмотреть (обычно в виде неясных пятен) частицы размером около5 А. Это примерно в тысячу раз меньше того, что можно увидеть в лучшемоптическом микроскопе. Но и в этом случае разрешение сильно зависит отусловий эксперимента.

Вероятно, здесь следует немного поговорить об атоме. Атомы - этото, из чего построены все вещества. Сами атомы состоят из очень малых итяжелых ядер, окруженных облаком обращающихся вокруг них электронов, которыеявляются волнами, частицами или отрицательными зарядами электричества.Электроны несравненно меньше ядер атомов. Массы и размеры атомов различныхвеществ могут быть очень разными. Атомы можно представить себе в виде шариковс негладкой поверхностью диаметром, грубо говоря, около 2 А. По обыденнымпонятиям, это невообразимо малый размер, мы никогда не сможем увидеть отдельныйатом с помощью обычного видимого света, хотя в массе своей атомы, конечно,являются перед нами в виде любого тела.

Здесь полезно напомнить, что наименьшая частица, которую можно видетьневооруженным глазом, содержит примерно 500000 атомов в поперечнике, а спомощью оптического микроскопа нам удается рассмотреть частичку с 2000 атомов впоперечнике. Электронный микроскоп позволяет увидеть расположение атомов вкристалле, которое напоминает построение солдат на параде; с помощьюустройства, называемого ионным проектором, можно рассмотреть даже отдельныеатомы - по крайней мере некие их туманные очертания. Однако даже призначительно лучшей разрешающей способности микроскопа (а со временем таковая,возможно, и будет достигнута) вряд ли нам удастся увидеть что-нибудь оченьконкретное.

Примечания:

1

"Грейт Истерн" - судно, построенное знаменитым английским инженером Брюнелем в середине XIX века. Во времена Фарадея оно было непревзойденным по своим размерам (водоизмещение 27000 т). - Прим. перев.

2

Эпиграф взят из работы М. Фарадея "On the various forces of Nature", которая была издана на русском языке под названием "Силы материи и их взаимоотношения" (М., Государственное антирелигиозное издательство, 1940). Настоящий перевод отличается от изданного. - Прим. перев.

3

См., например, книгу A. Kelly, Strong Solids, Oxford, 1966, а также гл. 10 настоящей книги.

4

Искусство наводить скуку состоит в стремлении рассказать обо всем (франц.).

5

Для воспитанного на идиомах английского читателя мел и сыр представляют собой образцовый пример совершенно различных веществ: в английском языке существует выражение as different as chalk is from cheese. - Прим. перев.