§ 10. Несматывающаяся проволока

Случалось ли вам видеть, как из проволоки делают пружину? Берут оправку - цилиндрической формы пруток соответствующего диаметра, один конец ее зажимают в патроне токарного станка, и тем самым заставляют ее вращаться. Затем по копиру, с определенным шагом наматывают проволоку на оправку. Готовая пружина легко снимается с оправки, так как диаметр пружины увеличивается, после того как освобождаются ее концы - ведь упругая часть деформации при разгрузке исчезает. Значит, чтобы получить цилиндрическую пружину заданного внутреннего диаметра, надо брать оправку несколько меньшего диаметра, делая поправку на упругую "отдачу".

Навивая пружину, мы, конечно, заходим довольно далеко в пластическую область диаграммы деформации, развиваем напряжение, превышающее σ_упр, поэтому и получаем резкое изменение формы первоначально прямой проволоки. Упругая "отдача" - это проявление остатков памяти, слабые воспоминания металла о его исходной форме. Как рассчитать диаметр оправки, мы уже знаем (см. выше). Например, если мы хотим свить пружину диаметром 250 мм из миллиметровой медной проволоки, то надо брать оправку диаметром 200 мм^*). Если же намотать на ту же оправку пруток диаметром 20 мм, то деформация наружных волокон составит 10% и "отдача" будет очень мала, так как упругая деформация в этом случае в 100 раз меньше пластической. Итак, если проволоку какого-либо диаметра наматывать на оправку в 10 раз большего диаметра, то внутренняя поверхность пружины после разгрузки будет довольно близко примыкать к наружной поверхности оправки.

^*(На самом деле пружина и кольцо - это не полностью аналогичные в механическом смысле детали и расчет оправки для пружины несколько сложнее, но принцип здесь, конечно, один и тот же.)

Специалисты-пружинщики все эти расчеты проделывают машинально, в уме. Большой опыт позволяет им "на глаз" определять, какая пружина получится из какой проволоки на данной оправке. Можно представить себе их изумление, когда им показали навитую по всем правилам пружину с соотношением диаметров проволоки и оправки 1 : 10, которая полностью "развилась", как только отпустили ее концы. Проволока вновь сделалась прямой!

Ситуация выглядит довольно странно. Вроде бы нас убедили в том, что предельная упругая деформация - доли процента, что эту цифру, как два стража, охраняют, с одной стороны, пластическая деформация, с другой - разрушение. Мы уже говорили и еще вернемся к этому вопросу в гл. 5, что есть особые кристаллы - усы, которые можно деформировать упруго на 3 - 5%, но 10% - это чересчур. И все же "если очень хочется, то можно"! Нашлись такие материалы. Правда, механизм явления здесь принципиально отличается от механизма обычной упругой деформации, но об этом позже.

Посмотрим, как выглядит диаграмма деформации сверхупругого материала (рис. 30). Вначале идет обычный гуковский участок OA, а затем диаграмма резко изгибается вправо, и пока мы не начали разгрузку, мы вполне можем принять точку перегиба за предел упругости. Главный признак налицо - скорость роста напряжения резко уменьшилась, похоже, что началось пластическое течение металла. Когда накопилось общее удлинение, соответствующее относительной деформации ε ≈ 10%, мы начинаем разгрузку, ожидая, что она пойдет по линии А'С, параллельно гуковскому участку - упругая деформация будет уменьшаться, и в итоге получится остаточная деформация ε_ост ≈ 10%.

Но чудо! Линия разгрузки идет вдоль А'А, почти совпадая с линией нагружения, и далее - по АО, и вся наша якобы пластическая деформация исчезает. Взгляните на полукольцо, изображенное на рис. 17, б. Верится ли (на глаз), что оно может полностью распрямиться, когда мы отпустим его концы? И все-таки это возможно.