Виктор Финкель - Портрет трещины

• Название: Портрет трещины
• Автор: Виктор Финкель
• Жанр: Техническая литература

Разрушение… Мы сталкиваемся с ним ежедневно, ежечасно. Вот слабый стебель травы пророс сквозь асфальт и победно зеленеет. Как это призошло? Вот совершенно неожиданно переломилась мощная металлическая конструкция, которой стоять бы века… Почему? В чем причина катастроф и разрушений, происходящих в мире прочнейших материалов? Как ведет себя микроскопическая трещинка, откуда у нее такая сила и такое коварство? Как человек учится управлять этой страшной силой и обращать ее себе на пользу? На эти и многие другие вопросы отвечает автор. Непринужденная форма изложения, поэтические примеры, подтверждающие мысль автора, делают книгу интересной и познавательной. Книга предназначена для широкого круга читателей, для всех, кто хочет постичь одну из великих загадок природы. И прежде всего она адресована молодежи, стоящей перед выбором профессии.

---

В том-то и дело, что двойник – далеко не всегда зло. Начнем с того, что при нагружении металла двойник играет роль своего рода демпфера. Он довольно быстро включается в игру и, «протекая» по сечению металла, релаксирует, то есть гасит внешнюю нагрузку тем, что осуществляет быстрое пластическое деформирование. Особенно эффективен этот процесс при динамическом то есть очень быстром, нагружении. Дислокации еще только «расшевеливаются», освобождаются от своих атмосфер, отрываются от насиженных мест в кристаллической решетке, а двойник уже побежал. Да еще с какой скоростью. А. П. Королевым и автором этой книги определена эта скорость 2-2,5 км/с. И все время, пока двойник «сломя голову» мчится по кристаллу, он снимает внешнее напряжение, работая на прочность металла. В процессе динамического нагружения стали в течение 20 мкс двойники остаются один на один с внешним на-гружением и разряжают его до подхода главных оборонительных сил металла – потоков дислокаций. Таким образом, они принимают первый удар и защищают металл. Все ясно, скажет читатель, двойник – добро. Этот хамелеон-двойник преподносит нам новый сюрприз. Пока он защищает металл, поглощая внешнюю нагрузку, он уже «думает» о будущем. И «мысли» его, к сожалению, «темные». Уже в процессе своего, казалось бы, за-

гцитного бега, бега ради жизни, двойники начинают создавать микротрещины, Увы, мы уже знаем, к чему это рано или поздно приведет…

Странный дефект! Ну, а если он уже есть, как с ним живет металл? Может быть, здесь двойникам можно, наконец, доверять? Может быть, они поддержат прочность? Можно ли на это надеяться?

Двойники верны своей природе и здесь. С одной стороны, они способны притормаживать макроскопическую трещину, коль скоро она распространяется в металле. С другой – они охрупчивают металл, понижая его сопротивление хладноломкости. Вот так всегда: с одной стороны… с другой стороны…

ОТРОЧЕСТВО ТРЕЩИНЫ

…Миг между светом и тенью…

В. Брюсов

Теперь мы знаем о первых мгновениях жизни трещины- от приложения нагрузки до появления зародышевой микротрещины. Следующим этапом ее бурного развития является медленное, как говорят, докритическое подрастание. Имеется в виду то, что на этом этапе своей истории трещина не опасна и полностью контролируема. Ее подрастание возможно лишь при повышении существующих напряжений. Это гарантия того, что разрушение не «сорвется с цепи» и не начнет безжалостно, без разбора крушить металл. Все это не означает, что здесь трещина обязательно микроскопически'мала. Нет. Она при этом может быть достаточно большой, например в стали, – в несколько миллиметров. Но длина ее все же не достигает тех размеров, после которых она перестает зависеть от внешних напряжений. На языке механики это звучит так: трещина меньше гриффитсовских размеров и для ее подрастания нужно подводить к ней больше энергии, нежели дает сама трещина.

Таким образом, докритическая трещина – устойчивая, «спокойная», я бы даже сказал «флегматичная», словом,неопасная.

Однако рано или поздно эта «спячка» кончится и тогда перед нами возникает другая трещина-хищник. Поэтому всплывает вопрос: как же все-таки такая трещина растет?

Ответить одной фразой на этот вопрос нельзя потому, что трещины бывают разные. Читатель уже знает, что трещины делят на силовые и геометрические. Обратимся к первым.

Силовая трещина отличается своей демонстративной независимостью от пластической деформации. Во всяком случае она это «декларирует вслух». Такая трещина представляет собой разрыв межатомных связей в своей вершине. Сначала между первой парой атомов, затем после концентрирования напряжений – между второй, опять собирается с силами – и между третьей… Так этот разрыв и передается от одной пары атомов к другой, как чеховский мираж из «Черного монаха»… «От миража получился другой мираж, потом от другого третий, так что образ черного монаха стал без конца передаваться из одного слоя атмосферы в другой. Его видели то в Африке, то в Испании, то в Индии, то на Дальнем Севере…»1

1 Чехов А. П. Черный монах. Соч. Т. VIII. М.: ОГИЗ, 1947. С. 269.

Ну, а что говорит по этому поводу эксперимент. К сожалению, эксперимент молчит. Потому что очень трудно, хотя, вероятно, и возможно, провести его так, чтобы трещина была начисто лишена признаков пластической деформации. Сегодня – это область, где безраздельно царствуют теоретики. И работают они примерно следующим образом. Рисуют на бумаге кристалл, состоящий, скажем, из 100 или 1000 атомов – эдакую кристаллическую решетку в десять атомов на десять. Выбирают некоторый закон взаимодействия атомов между

собой и «строят» трещину длиной в несколько атомов. А затем с помощью электронно-вычислительной машины просчитывают, каким образом с приложением внешних напряжений изменится равновесие этого вымышленного кристалла и как трещина будет расти, то есть рвать межатомные связи в своей вершине. В этой области работают и отечественные, и зарубежные ученые. Успехи здесь не слишком обнадеживающие, по крайней мере, по двум причинам. Во-первых, уж слишком условны межатомные силы – в действительности они несоизмеримо сложнее. Во-вторых, уж очень мал кристалл, а для большего у сегодняшних машин не хватает памяти. Поэтому надежность получаемых результатов здесь не очень велика.

Некоторые из результатов этой группы работ привели, например, к совершенно удивительному заключению. Оказалось, что, несмотря, на отсутствие изначальных посылок, каким бы то ни было образом связанных с пластичностью, расчеты привели к появлению вблизи трещины… типичной дислокации. Не может ли оказаться, что дислокации, которым «по условиям игры» не место в хрупком разрушении, присутствуют и здесь?

А. Н. Орлов и В. И. Владимиров сообщают об одном механизме подрастания трещин, основанном на сущест-

вовании в кристаллических материалах точечных дефектов. Само определние – точечный дефект – используют в физике для обозначения двух состояний. В первом из них атом сорвался из своего положения равновесия, как говорят, за счет тепловой флуктуации. Это означает, что в процессе теплового движения один из атомов подвергся «согласованной» атаке ряда ближайших соседей и оказался «вышвырнут» в междоузлие. Такой атом, потеряв насиженное место в решетке, переходит на нелегальное положение и бродяжничает по кристаллу со скоростью до 1 км/ч. Его называют дислоцированным атомом, или дефектом по Френкелю. Я. И. Френкель, как, вероятно, знает читатель, был великолепным физиком, исторгавшим лавину идей, одной из которых и была идея точечных дефектов. Вторым точечным дефектом, или так называемым дефектом по Шоттки, является вакантное место, оставшееся после перехода атома из «оседлого» состояния в бродячее. Дефект по Шоттки (вакансия или просто «дырка»--все это синонимы) обладает незаурядным темпераментом и способен двигаться с довольно значительными скоростями – до 10 км/ч, то есть во много раз быстрее дислоцированного атома. Читатель может удивиться, как это движется пустое место? Очень просто! Допустим, в некотором узле существует вакансия. На нее «садится» атом из соседнего узла. Естественно, теперь вакансия оказывается там, где был раньше атом. На это место переходит другой атом – тем самым перемещается и вакансия. Так она и путешествует по атомным узлам как тень ушедших атомов. В этом бтношении кристалл напоминает неполный зал во время концерта. Если программа интересна, зрители стремятся пересесть поближе к сцене; вакансии – пустые места – все дальше от сцены. Бывает и наоборот…

Эти-то два дефекта и приводят к подрастанию микротрещины. Вот как это происходит. В вершине трещины под совместным воздействием термических флуктуа-ций и приложенных напряжений атом вылетает в междоузлие, переходит в статус дислоцированного и диффундирует, то есть медленно, зигзагообразно, как частица в броуновском движении, мигрирует в районы, удаленные от трещины. Процесс этот повторяется неоднократно и вместо атомов в вершине образуются пустые места. Это означает, что трещина подросла.

В случае, когда подрастание трещины определяется вакансиями, конечный результат оказывается тем же самым, но механизм иной. Теперь к вершине трещины течет поток вакансий. Они замещают атомы в устье трещины, обеспечивая ее рост. Различие в том, что первому процессу будет сопутствовать повышение плотности дислоцированных атомов в окрестностях подрастающей трещины, в то время как при вакансионном механизме этого нет, и в том, что второй процесс протекает гораздо быстрее. Но итог один и тот же. С помощью точечных дефектов трещина способна докритически подрастать. Поскольку точечные дефекты «шустры» лишь при достаточно высоких температурах, эти механизмы могут быть активными только при очень малых скоростях нагруже-ния сравнительно легкоплавких материалов. В противном случае высокая температура окажется совершенно необходимой. В целом этот процесс имеет статистический характер. Это означает, что в масштабе микросекунд активность оттока дислоцированных атомов от вершины трещины и притока к ней вакансий будет пульсировать- ведь это диффузионный процесс. Совсем как у Кэррола: «Тут не было «раз, два, три – и вперед!» Каждый начинал бежать, когда хотел, и останавливался тоже, когда хотел. Таким образом узнать, окончен ли бег, было нелегко…» Но при достаточно длительном времени процесса он протекает усредненно монотонно, размеренно.