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.
Металлы и неметаллы
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. 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.
Что такое материаловедение
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. 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.