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.

---

Рождение вторичных трещин всегда связано с искривлением траектории магистральной. Очередность событий при этом такова. Сначала основная трещина «ныряет» в сторону, выбрасывает ответвление, а затем, как бы оттолкнувшись от него, возвращается на прежнюю траекторию. В результате ответвление оказывается направленным по касательной к искривленному участку траектории. Впоследствии вторичная трещина отклоняется на углы до 30-40°.

Элементарный акт излучения вторичной трещины

' Кривин Ф. Сила убеждения. В стране вещей. – М.: Советский писатель, 1961. С. 15

связан, таким образом, с искривлением основной магистральной. Последующее их расхождение обусловлено, вероятно, известной отдачей в соответствии с законом сохранения количества движения. Вместе с тем даже при многочисленных ветвлениях магистральная трещина распространяется сравнительно прямолинейно. Поэтому первичным является искривление трещины, вызванное ее нестабильностью, а излучение – вторичным. И действительно, Элизабет Иоффе показала, что ветвление должно наступать тогда, когда в широкой области перед быстрой трещиной возникают примерно равные напряжения и трещине, в сущности безразлично, куда «бежать». Трещина при этом может легко «заблудиться» и отклониться в сторону. В этих-то условиях испускание ответвленной трещины и способствует спрямлению траектории. Чем-то это напоминает реактивное движение, при котором, выбрасываемое из ракеты вещество может сообщить ей движение в противоположном направлении.

В предыдущем разделе мы говорили, что ветвление открывает совершенно новую дверь в разрушение, новую его страницу.

Необычный это процесс. Иной раз ответвления способны разворачиваться по отношению к основной трещине на 90° и даже идти в направлении, обратном тре-

щине. Особенно часто это наблюдается при взрывном нагружении. Бывает, что трещина растет вдоль растягивающей нагрузки, что почти неправдоподобно. Правда, она в этом случае «влияет», как бы извивается вдоль направления приложенной силы.

Не менее сложны и процессы по фронту трещины. В обычных условиях он довольно полог. То есть трещина ведет наступление на материал примерно одинаково по всему его сечению. Иное дело при ветвлении. С его началом трещина атакует пластину металла двумя колоннами. Фронт ее расщепляется и имеет форму двух лепестков, прилегающих к поверхности. Обе эти трещины на противоположных сторонах образца приобретают при критической скорости значительную самостоятельность, позволяющую им «рыскать» из стороны в сторону и создавать ответвления. Чувствительность их огромна. Они реагируют на малейшие изменения поля упругих напряжений или структуры материала.

Необычайные формы приобретает подчас ветвление в закаленной стали ШХ15. Оно рассекает массив металла на множество крупных осколков. Помимо них, из поверхности разрушения буквально выпадает огромное количество мельчайших металлических щепок сечением иногда в сотые и тысячные доли миллиметра. Эти щепки раскола появляются из-за того, что вибрирующие участки фронта ветвящейся трещины выкалывают их из материала.

Оказывается эта разновидность микроскопических усов встречается при разрушении различных монокристаллов и далеко не всегда связана с ветвлением. Однако в процессе ветвления образование «щепок» носит массовый характер и ведет к появлению усов сколь угодно мелкого размера, возможно до отдельных кристалликов мартенситных игл – тончайших структурных элементов закаленной стали поперечным размером в 10~4-10~5 см. Процесс вибрации фронта трещины, при котором одна или обе поверхностные трещины-лепестки дают ответвления, и является механизмом всего явления. Механизмом – да, но вряд ли его сердцем!

Что касается подлинных причин ветвления, то единого мнения о них пока нет. Хронологически первой является известная читателю точка зрения Элизабет Иоффе, связывающая наступление разделения трещин с пороговыми скоростями. Есть и другое мнение, соглас-

но которому ветвление наступает в момент, когда напряжения в вершине растущей трещины достигают некоторых критических значений. Это, однако, не всегда подтверждается. Например, на ряде сталей быстрые трещины есть и напряжения в их устье могут быть как угодно большими, а вот ветвления нет. И вообще этот процесс тяготеет к определенным, далеко не любым веществам: на закаленных сталях трещина ветвится, а на термически не обработанных остается монолитной при любых скоростях.

А закаленное стекло? Что происходит с ним при разрушении, читатель хорошо знает. Для этого достаточно представить себе, что будет, если камень попадает в лобовое стекло автомашины. Из точки удара разбегаются трещины радиальные, а кроме того, все секторы между ними раскалываются трещинами поперечными. И те, и другие бегут со скоростью в 1500-1700 м/с и мгновенно превращают большое и монолитное стекло в груду из тысяч мельчайших осколков…

Неудивительно поэтому, что в годы войны на оконные стекла наклеивали крест накрест полоски бумаги. Сейчас для этой же цели на автомашинах используют так называемый триплекс. Два его слоя представляют собой закаленное стекло, а третий (промежуточный) – вязкий пластик, не позволяющий стеклу развалиться при поражении.

Большие скорости, по-видимому, далеко недостаточный критерий для суждения о возможности или невозможности ветвления. Обратите внимание, читатель, на то, что материалы, в которых происходит размножение трещин, являются носителями больших внутренних напряжений. За исключением целлулоида, плексигласа и некоторых других пластиков. Случаи ветвления в ненапряженных материалах не известны.

Процесс ветвления следует связывать с величиной и распределением остаточных напряжений в разрушаемом материале. Можно нарисовать следующий механизм их действия. Быстро растущая трещина разряжает остаточные напряжения в прилегающем районе. Упругие импульсы от поля распадающихся внутренних напряжений, подводимые произвольно к трещине, «ломают» ее установившееся движение. Отдельные участки фронта под действием этих импульсов врезаются в берега трещины, создавая ответвления.

Помните, у Ильфа и Петрова? В учреждении был сторож, который строго спрашивал пропуска. Если пропуска не предъявляли, пропускал и так. В последние годы выяснилось, что в принципе для ветвления не требуется поле внутренних напряжений. И на других материалах, в частности металлах, этот процесс мог бы реализоваться в виде однократного акта при условии подавления пластичности и ужесточения напряженного состояния в вершине трещины. Таким образом, внутренние напряжения, по-видимому, являются стимулятором, но не первопричиной ветвления. Причиной же следует считать нестабильность трещины, наступающую по достижении критических скоростей.

Таковы теоретические соображения о природе ветвления – интересного с научной точки зрения и отталкивающего с практической, инженерной. Это и понятно. Ведь если обычное разрушение оставляет нам какие-нибудь надежды, то ветвление развеивает их в прах и в переносном, и в прямом смысле слова -

Чего же хорошего?
Полный развал!

(В. Маяковский)

БРАТСКИЕ? СКОРЕЕ ВОЛЧЬИ КАЧЕСТВА!

Вы в распре яростной

так оба беспощадны,

Так алчно пагубны,

так люто кровожадны,

О братья-вороги,

о вечные борцы!

Ш. Бодлер

Часто разрушение есть результат роста единственной трещины. Однако не менее редки случаи, когда возникают системы микротрещин, объединяющиеся затем разрывом перемычек. Иной раз оказывается, что монолитная, на первый взгляд, трещина представляет собой совокупность микроскопических щелей, смещенных вдоль и поперек направления разрушения. Опыт показывает, что для большинства материалов реальна именно система трещин, в то время как единый разрыв можно считать лишь известным и очень удобным теоретическим приближением. Удивительного в этом ничего нет. Зарождение микротрещин – механизм дислокационный. А дисло-

нации расположены по всему металлу. Поэтому и возникновение микротрещин протекает по обширным пространствам пластически деформированного материала. Их наблюдали в поликристаллических сталях, металлических монокристаллах ряда металлов, в галоидных кристаллах, в целлулоиде и плексигласе. Не говоря уже о стекле, проходящем при изготовлении довольно сложную обработку, неизбежно приводящую к возникновению систем микроскопических нарушений сплошности.

…Там трещины скрываются коварно За гладкой напряженностью стекла…

(Дж. Апдайк)

Читатель, конечно, и сам встречал такие «столпотворения» трещин. Например, вы хотите сломать тонкий слой прозрачного пластика. Если он достаточно вязок, вам придется сильно его изогнуть, причем вы сразу заметите, как в месте перегиба он помутнеет. Это результат того, что в нем возникает изобилие трещин, рассеивающих свет. Когда вы гнете тонкий полированный слой алюминия, его поверхность тоже мутнеет. Это связано в первую очередь с образованием на ней сложного рельефа из-за выхода полос скольжения. Но затем по этим полосам возникают мельчайшие трещины, в конечном итоге и разрушающие металл.