ЧТО после определённого количества перемен напряжений стержень в некоторых случаях даст трещину и затем разрушится при напряжениях, значительно меньших предела прочности. Даже в случае пластичного материала остаточная деформация образца, разрушенного подобным образом, оказывается весьма незначительной - происходит хрупкий излом.

Явление разрушения материала при действии переменных напряжений, меньших, чем предел прочности, называется явлением усталости. Это название не отвечает физической природе явления, однако оно настолько укоренилось, что применяется и в настоящее время.

Опыты показывают, что при переменном растяжении и сжатии, по мере понижения величины, действующей силы возрастает число перемен этой силы, необходимое для того, чтобы вызвать разрушение образца. Для каждого материала существует такое максимальное значение нормального напряжения о, при котором образец выдерживает практически неограниченное число перемен усилий, не разрушаясь. Это напряжение обозначается и называется пределом выносливости или пределом усталости. Пока действительные напряжения в элементе не превзошли этого предела, разрушения не произойдёт, сколько бы раз напряжение не меняло свою величину.

Таким образом, в случае систематически меняющихся нагрузок оказывается необходимым установить новую механическую характеристику материала - предел выносливости; эта величина определяет способность материала сопротивляться переменным напряжениям. Подробное изучение вопросов усталости материала при разных видах нагрузок будет дано в главе XXXVII.

Всё изложенное необходимо учитывать при выборе допускаемых напряжений на растяжение и сжатие или, что всё равно, при определении коэффициента запаса k в формуле (см. §§ 4 и 7):

М=. (3.4)

Этот коэффициент должен быть выбран с тем расчётом, чтобы величина нормальных напряжений, действующих по всему сечению, не превосходила предела упругости (или текучести) материала, иначе наш стержень получит остаточные деформации, а при действии переменных нагрузок не превосходила предела выносливости, который обычно ниже предела текучести.

При ударной нагрузке следует учесть, что напряжения обычно повышаются. Так как и в этом случае напряжения всё же обычно вычисляют в предположении статического действия сил, то влияние динамического действия нагрузки приходится учитывать соответствующим увеличением коэффициента запаса.

В. Что касается местных напряжений (см. § 16), то можно мириться с переходом их за предел упругости и текучести в пластичных материалах при отсутствии переменных нагрузок. В этом случае мы

ТО коэффициент запаса для допускаемых общих напряжений в этом случае надлежит выбрать так, чтобы местные напряжения не превосходили предела выносливости. Это во многих случаях требует значительного увеличения коэффициента k по сравнению со случаем статической нагрузки.

Для пластичных материалов в тех случаях, когда предел выносливости лежит выше предела текучести, можно не учитывать местные напряжения, так как явление текучести уменьшает возможность их распространения, играет как бы роль буфера.

Для хрупких материалов, не имеющих площадки текучести, опасность появления трещин усталости при переменных нагрузках остаётся в полной мере, что требует соответствующего увеличения коэффициента запаса по сравнению со статической нагрузкой.

Таким образом, поскольку выбор коэффициента запаса обусловливается свойствами материала и способом приложения внешних сил, хрупкие материалы требуют обычно больших коэффициентов запаса, чем пластичные; точно так же эти коэффициенты приходится выбирать ббльшими при динамических и переменных нагрузках, чем при статических.

Г. При выборе допускаемых напряжений приходится учитывать ещё ряд других обстоятельств. Величины сил, входящих в наши расчёты, известны нам не вполне точно; механические свойства материалов дают на практике зачастую значительные колебания;

получаем остаточные деформации лишь на протяжении такой небольшой части стержня, что на работе конструкции это обстоятельство пе скажется. За счёт появления остаточных деформаций местные напряжения прекращают своё увеличение, отчасти выравниваются. В хрупких материалах этого преимущества нет (§ 16): для них приходится коэффициент запаса назначать повышенным, тем более, что и в отношении сопротивления ударам они стоят значительно ниже пластичных.

При переменных нагрузках, когда мы вынуждены считаться с возможностью развития трещин усталости, учёт величины местных напряжений необходим и может очень резко сказаться на выборе коэффициента запаса даже для пластичных материалов. Для появления трещин усталости необходимо, чтобы в каком-либо месте стержня действительные напряжения перешли за предел выносливости. Так как местные напряжения выше общих (действующих по большей части сечения), то опасность появления трещины и вызывается тем, что именно местные напряжения перейдут за предел выносливости. Так как подбор сечения мы ведём, исходя из величины наибольших общих напряжений по условию

методы наших расчётов, наши представления о взаимодействии отдельных частей конструкций являются обычно упрощёнными и приближёнными. Коэффициент запаса должен покрыть все эти неточности, неизбежные в наших расчётах.

Чем неоднороднее материал, чем хуже мы знаем действительные нагрузки, чем упрощённее мы представляем себе соединение отдель-ных элементов конструкции, тем большим этот коэффициент приходится выбирать. Части машин в работе изнашиваются, поэтому во многих случаях приходится давать запас на износ . Точно так же в металлических и деревянных инженерных сооружениях приходится учитывать возможность коррозии и загнивания.

С другой стороны, имеются конструкции (самолёты), где необходимо итти до крайнях пределов снижения коэффициента запаса с целью уменьшения веса. Точно так же инженеру приходится снижать коэффициент запаса при выполнении работ в обстановке военного времени.

Таким образом, правильный выбор допускаемых напряжений представляет собой весьма сложную задачу, связанную и с методами расчётов, методами исследования материалов, с хозяйственно-экономическими и некоторыми другими факторами. Выбор той или инрй величины допускаемого напряжения определяет и расход данного материала, и формы его применения в конструкции; этот выбор регулирует и продолжительность использования сооружений, и область применения тех или других материалов. Поэтому ясно, что в Советском Союзе вопрос о допускаемых напряжениях тесно связан с вопросами регулирования и планирования хозяйственной жизни страны.

Для многих конструкций нормы допускаемых напряжений устанавливаются законом, и инженер должен лишь уметь правильно применять их. В исключительных же обстоятельствах, например в обстановке военного времени, инженеру приходится в некоторых случаях отступать от этих норм; тогда он может руководствоваться общими соображениями, изложенными в настоящем параграфе и в главе XXXVII.

Д. Подводя итог всему сказанному выше, можно формулировать следующие основные соображения.

Коэффициент запаса надо выбирать с тем расчётом, чтобы был обеспечен известный запас против появления так называемого опасного состояния материала, которое будет угрожающим для работы конструкции.

При статической или ударной нагрузке для пластичных материалов такое состояние характеризуется появлением больших остаточных деформаций (явление текучести), для хрупких - появлением трещин, разрушением материала. При повторно-переменной нагрузке опасное состояние характеризуется появлением и развитием трещины усталости. Напряжение, соответствующее наступлению