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.

---

И все-таки главными являются не эти механизмы. Большой опыт, накопленный и физиками, и механиками, говорит об одном: докритическое подрастание трещин неразрывно связано с пластической деформацией. Связь эта неслучайная – пластическая деформация не только сопровождает и в подлинном смысле контролирует процесс ранних стадий созревания, но, по-видимому, служит его основной движущей силой. Эта обрученность субкритической трещины с пластической деформацией хорошо проявляется во всех дислокационных механизмах «созревания» трещины.

Все они требуют для подрастания трещины поля распределенных дислокаций той атмосферы, без которой субкритическая трещина «дышать» не может, – ведь подрастать за счет упругих напряжений она еще не в состоянии. Поэтому она нуждается в весьма высокой плотности дислокаций – примерно 1010 их на 1 см2. Но

и этого трещине мало. Она весьма разборчива и для своего продвижения вперед требует не любых дислокаций, а только одноименных. Физики говорят, что одним из условий докритического разрушения является пространственное разделение дислокаций, то есть такое положение, при котором в некотором объеме существуют дислокации только (или преимущественно) одного знака. Не слишком ли все это сложно для трещины уи1§аг15, то есть трещины обыкновенной?

Дело заключается в том, что основным методом воздействия дислокаций на трещину является их самопожертвование- дислокации, «вливаясь» в полость разрушения, увеличивают ее. Сама дислокация после этого исчезает. Возникающая трещина расположена при этом так, чтобы приносимая дислокациями «пустота» располагалась по основанию трещины-клина под экстраплоскостями дислокаций. Поэтому-то и небезразлично, какого знака будет дислокация: положительная содействует росту трещины вниз, отрицательная – вверх. Ясно, что если нужно обеспечить устойчивое подрастание трещин, необходимы дислокации одного знака.

Есть ли названия у механизмов роста докритических трещин? Есть, вот они. Механизм Орована, первый из них, опирается на отдельную полосу скольжения, подошедшую к уже существующей трещине и подкармливающую ее сваливаемыми в трещину дислокациями. Оказалось, однако, что дислокаций, атакующих с единственной полосы скольжения, мало. Е. Паркер послал к трещине пачки скольжения, то есть системы из большого числа параллельных линий скольжения.

А. Н. Орлов усложнил картину, рассмотрев продвижение докритической трещины вблизи барьеров, сдерживающих работу дислокационных источников. Это привело сразу же к скачкообразному распространению трещин на самых ранних стадиях их существования. »Ис-портился характер» микротрещин, стал неровным, почти взрывным и тем самым сделал докритическую стадию немного более опасной.

Но если уж говорить начистоту, природа очень помогла нам тем, что у трещины существует период докритического роста. Представьте себе, что его не было бы. Сегодня не вызывает никакого сомнения, что в металлах и любых кристаллах всегда существует большое количество зародышевых микротрещин. Тем не менее материа-

лы обладают определенным иммунитетом по отношению к ним – живут себе с зародышевыми микротрещинами и свой долг по отношению к конструкциям и, следовательно, к человечеству выполняют. Зарождение и подрастание трещин, таким образом, тревожно, но нестрашно. Почему? Потому, что трещины эти докритические, и для того, чтобы они перешли в опасную стадию, неизбежно должен быть пройден медленный путь докритического подрастания.

Будь иначе, твердь на пути своем
Такие действия произвела бы,
Что был бы вместо творчества – разгром.

(Данте)

Таким образом, докритический период – великое счастье для человечества – отсрочка разрушения, предоставленная нам природой. Время для спасения конструкций от аварий.

АКТИВНОЕ И ТВОРЧЕСКОЕ СОВЕРШЕННОЛЕТИЕ

Происходило вег мгновенно…

Л. Озеров

Мы только что кончили разговор почти на оптимистической ноте. И, казалось, для этого были все основания – металл-то не разрушился. А те трещины, которые в нем были или образовались в процессе деформации, представлялись нам если не «милыми», то во всяком случае и не слишком страшными. Самое большее, что мы себе позволяли, – это академически благодушный вопрос:

Что же там за этим летом, в мире ТАМ, в стране ПОТОМ?..

(Р. Казакова)

Между тем, наша ошибка была почти стандартна. Для все нас смерть – событие далекого будущего. А ведь еще Сенека говорил, что большая часть смерти уже наступила: то время, что за нами – в ее владении. Поэтому все, что происходило при зарождении трещины и медленном докритическом ее подрастании было не только преамбулой, но, что гораздо страшнее, фундаментом наступающей катастрофы.

По мере подрастания докритической трещины в окружающем материале протекает пластическая деформация, ведущая к упрочнению металла. Особенно актиз-

на она в вершине медленно и как бы неуверенно ползущей трещины. Помимо этого, продолжается процесс создания новых трещин и рост основной из них осуществляется среди моря многих мелких. Это вводит в игру совершенно новый процесс – пожирание магистральной трещиной других, небольших трещинок, благодаря чему подрастание трещины ускоряется. Докритическая трещина то медленно семенит, поглощая дислокации своей вершиной, то совершает небольшие прыжки, заглатывая другие, поменьше. И все же пока еще скорость роста мала- лишь несколько миллиметров в час. Конструкция пока что жива и на вид здорова. Но поток энергии из ее напряженного массива плывет к трещине и обменивается на процессы необратимой деформации, готовящие металл к неизбежному. Все это время конструкция сопротивляется внешнему нагружению, несет свою службу.

Но вот процесс достиг такой стадии, когда объем металла вокруг трещины за счет пластической деформации упрочнился до предела. Это сразу же «благотворно» сказалось на трещине. Во-первых, она теперь движется в материале с огромным числом дислокаций одного знака. Во-вторых, кристаллиты материала пришли в движение как льдины во время ледохода – они разворачива-

ются в вершине трещины; подставляют свои уязвимые кристаллографические направления атакующему разрушению. Количество мельчайших трещин стало настолько большим, что магистральная «хватает» их направо и налево, все более темпераментно прыгая при этом из стороны в сторону. И хотя говорят, что двумя ключами нельзя открывать одну дверь, здесь дверь, охраняющую прочность металла, открывают едва ли не тремя ключами одновременно. Все это означает: трещина приближается к критической ситуации.

Наконец, трещина выросла до граффитсовских размеров. Значит, начиная с этого мгновения вся поступающая из напряженной конструкции упругая энергия осваивается трещиной и только ею. Кончились активные прежде процессы деформирования окружающего объема, насыщения его дислокациями, разворот зерен и прочие. Теперь они если и протекают, то только в непосредственной близости от вершины и ее полостей – из главных стали второстепенными. Лишь ничтожной части упругой энергии конструкции достаточно, чтобы скомпенсировать теперь более чем скромные «пластические» аппетиты трещины; основной поток энергии идет на разрыв межатомных связей в вершине. Теперь уже процесс становится либо подлинно хрупким, либо, как говорят механики, квазихрупким, то есть ложно хрупким. Тем самым подчеркивается мысль, что пластическая деформация хотя и существует, но решающей роли уже не играет.

Говоря словами А. Блока, «…Вот срок настал. Кры-лами бьет беда»… Трещина начинает стремительно разгоняться. Трудно себе это представить, что делает она это с оперативностью, которой позавидует даже ракета ПВО. Ускорение трещины достигает ЫО8 м/с2, что в 10 миллионов раз больше ускорения земного тяготения. Это, например, означает, что за тысячную долю секунды трещина способна развить скорость в 3 км/с. Из вялого увальня в мгновенье ока она превратилась в неудержимого спринтера, перелетела из области физики в область чистой механики и… перенесла нас туда. А ведь это не просто – оторваться от привычных нам теперь дислокаций, вакансий и дислоцированных атомов. Это означает вернуться в «будничный» мир макроскопических явлений и процессов. Это означает резкое изменение не только масштабов, но и направления мыш-

ления. Это означает, наконец, совершенную необходимость для нас увидеть романтическое и яркое «в неинтересной» нам механике.

…То, что казалось третьестепенным, сглаженным, тусклым, плавным, – вдруг вознесло свои башни и стены и оказалось главным. То, что казалось школьным, настольным, скучным, отжившим, давним. – вдруг оказалось краеугольным камнем…

(Я- Белинский)

В чем же проявляется господство механики на последнем этапе закритического разрушения? Прежде всего в надструктурном его характере. В стали, например, имеется несколько составляющих-феррит, цементит, перлит. Быстрая трещина как бы не замечает этого – она сечет все эти составляющие, не разбирая. Далее, когда трещина приобретает достаточно большую скорость, исчисляемую километрами в секунду, практически все известные нам материалы и вещества становятся хрупкими. Неудивительно, если речь идет о стали. Но вот плексиглас – вещество не особенно хрупкое, раскалывается быстрой трещиной как орех. Да что плекси-