Ударная прочность

Здесь уместно прервать наш разговор об общей проблеме распространениятрещины и поговорить о некоторых особых эффектах, которые возникают придинамических, ударных нагрузках. Сначала напомним, что максимальная скорость,с которой может передаваться нагрузка через любое вещество, равна скоростизвука в этом веществе. В самом деле, звук можно представить себе как волнуили серию волн напряжений, проходящих через среду с характерной скоростью.

Скорость звука в веществе равна (E/ρ)1/2, где Е - модуль Юнга, a ρ- плотность данного вещества. Взяв обычные числовые значения величин Е и g дляконструкционных материалов, мы увидим, что скорость звука в этих.материалахбудет очень большой. Для стали, алюминия и стекла она составит около18000-20000 км/час (~5000 м/сек), что значительно превышает скорость звука ввоздухе. Это также намного больше скорости удара молотка и значительно большескорости полета пули.

Время, в течение которого молоток или пуля действуют с какой-то силойна твердое тело, составляет около сотой доли секунды. А это очень долгоевремя: фотолюбители знают, как много всего может совершиться за одну сотую.Точно так же и в нашем случае сотая доля секунды намного больше времени,потребного для отвода энергии от точки удара. От этой точки при ударе излучаетсяцелая серия волн напряжений, которые распространяются по всему объему тела.Очень быстро, за время, скажем, около нескольких десятитысячных или стотысячныхдолей секунды, эти волны достигают противоположных границ тела и отражаютсяот них подобно эху, лишь очень немного уменьшаясь в интенсивности. Дальнейшийход событий определяется многими факторами, в том числе формой тела, местомудара и т.д. Очень может статься, что отраженные волны напряжений постояннобудут встречать в некоторой критической или “несчастливой” точке прямыеволны, идущие от места удара, и это нагромождение вызовет прогрессирующийрост напряжения в этой точке вплоть до разрушения. Рассказы о певцах, отголоса которых вылетали стекла в окнах, не так уж и фантастичны.

Можно привести интересные примеры поведения твердых тел под ударнойнагрузкой. Например, при исследовании керамик повседневно проводятся ударныеиспытания керамических пластинок - свободно опертая квадратная пластинкаподвергается удару заданной силы по центру верхней поверхности. Во многихслучаях пластинка разрушается не в точке удара. Часто случается, что отваливаютсячетыре угла пластинки, потому что волны напряжений сталкиваются именнов углах.

Иногда случается, что, попав в броню, снаряд не пробивает ее, но отвнутренней поверхности броневой плиты отлетает рваный кусок металла, осколок.Скорость и энергия этого осколка могут быть огромными, и разрушения, причиненныеим внутри, например, танковой башни, оказываются такими же, как если быснаряд действительно пробил броню.

Подобным же образом, когда снаряд или пуля попадает в бак с жидкостью,например в топливный бак самолета, выходное отверстие получается намногобольшим, и заделать его значительно труднее - ударные волны легко распространяютсячерез жидкость и вырывают кусок в задней части бака. Голова человека конструктивнонапоминает бак с жидкостью, и последствия попадания пули в нее, к сожалению,слишком хорошо известны. Менее известно, однако, что аналогичные событиямогут последовать за тупым ударом в лоб. При проектировании защитных касокзаботятся о том, как погасить ударную волну и предохранить затылок прилобовом ударе. Этой цели и служит внутренняя лента в каске, которая напервый взгляд кажется необходимой лишь для вентиляции.

В технике вязкость материала определяется обычно путем ударных испытанийобразца прямоугольного сечения размером 5-10 мм, часто снабженного стандартнымнадрезом. Образец закрепляют по концам, а затем разрушают тяжелым молоткомв форме маятника. Измеряя разницу между высотой, с которой маятник падална образец, и высотой, на которую он взлетел, разрушив его, определяютэнергию, затраченную на разрушение. Строго говоря, это испытание почтини о чем не говорит, но оно позволяет провести грубое сравнение различныхматериалов. Поэтому такие испытания очень популярны у инженеров.