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.

---

С микротрещинами второго вида – дислокационными- дело обстоит гораздо лучше: мы понимаем, как они образуются. Конечно, далеко не исчерпывающе, но все же понимаем. Начнем с характера дислокаций. Дислокация – дефект, сплошь и рядом не одиночный, а коллективный. К соседям своим она не безразлична и способна сосуществовать с ними, дружить и даже враждовать. Совсем как люди с тяжелыми и противоречивыми характерами. Дело доходит до того, что одна дислокация может поглотить другую. При этом нам ясно, что говорить о «доброй» или «злой» дислокации нелепо, как бессмысленно говорить об «умной» лампочке или «недалеком» книжном шкафе.

Присмотримся внимательнее к тому, как это происходит. Допустим прежде всего, что две краевые дислокации находятся в одной плоскости скольжения и их экстраплоскости лежат по одну сторону от нее. Оказывается, что в этом случае дислокациям предоставляются две возможности. Первая из них – жить, как добрые соседи: в тесноте, да не в обиде. Есть и вторая. Читатель

помнит, что образование дислокации связано в конечном итоге с внедрением в материал экстраплоскости. Это означает, что пространство вокруг дислокации деформировано. По мере сближения дислокаций под действием внешнего давления их упругие поля начинают взаимодействовать, препятствуя дальнейшему схождению. Если же в плоскости скольжения дислокаций много, то напряжения вокруг такого скопления их могут оказаться очень значительными – тесно дислокациям. И тогда может наступить момент, когда они поведут себя как скорпионы в банке – начнут пожирать друг друга. Впрочем, это слово не точное. Не точное прежде всего потому, что непонятно, кто кого съел. Помните, у Ильфа и Петрова были близнецы, «похожие друг на друга как две капли воды. Особенно, первый»… Судите сами, сближаются совершенно одинаковые дислокации, преодолели они сопротивление упругого поля и… слились воедино. Обе их экстраплоскости оказались соседними, а под их крайними атомами возникла пустота. Небольшая, но пустота. Обстоятельный анализ этого явления привел ученых к заключению, что пустота – это самый настоящий зародыш микротрещины.

То, что на этой странице выглядит так просто и естественно, в действительности процесс сложный. Просто две дислокации в одной плоскости скольжения соединиться не могут – они взаимно отталкиваются, как две спортивные машины, обгоняющие одна другую на узком треке. А внешних сил, способствующих сближению, нет. Их срастание возможно только с мощном коллективе примерно из 200-500 дислокаций, расположенных в од-

ной плоскости, да еще ограниченных в своем движении в одну сторону. Физики говорят – скопление дислокаций заперто. Чем? Чем угодно, любым барьером. Это может быть, например, граница зерна, инородное включение достаточно большой величины или какой-нибудь другой мощный дефект. На хвост строгой очереди из сотен дислокаций давит внешнее поле напряжений. Каково же приходится тем считанным дислокациям, которые оказались между толпой и барьером? Да ведь это все равно что попасть в кучу-малу и оказаться прижатым к асфальту. Дислокациям в вершине скопления не позавидуешь! Ведь на них давит вся очередь, а они упираются в барьер. В этих-то условиях дислокации и могут объединяться. Так в вершине скопления возникает зародышевая микротрещина.

Реальна ли нарисованная картина? Лишь отчасти. В вершине скопления трещина может образоваться за счет слияния дислокаций, но скоплений таких в «пятьсот душ» не бывает. Очереди дислокаций в кристаллах обычно гораздо короче. Но трещины все же на них образуются? За счет чего? За счет многих параллельных очередей дислокаций «ломящихся» в соседние «запертые двери». Эти очереди взаимодействуют друг с другом и когда появляется первая зародышевая трещина они «всем скопом» начинают нагнетать в нее дислокации. А как помнит читатель, каждая дислокация вносит в трещину свое пустое пространство под экстраплоскостью, вследствие чего растет трещина.

Есть другая возможность избежать огромного числа дислокаций внутри их скопления. Она заключается в том, чтобы преодолеть взаимное отталкивание, «неприязнь» дислокаций при ограниченном их числе. Для этого надо перейти от медленного нагружения к динамическому. Нужно разогнать дислокации и сближать их на большой скорости. Тогда, обладая запасом кинетической энергии, дислокации «разменяют» ее на потенциальную энергию и прорвутся сквозь упругие барьеры, ограждающие другие дислокации. В результате при значительно меньшем числе дислокаций в скоплении можно ожидать их слияния с образованием микротрещины. Расчеты показывают, что скорости дислокаций при этом должны быть почти звуковыми (в стали, например, 3-5 км/с).

До сих пор предполагалось, что взаимодействуют дислокации одного знака, то есть их экстраплоскости нахо-

дятся по одну сторону от плоскости скольжения. Могут «конфликтовать» и дислокации разных знаков. Ситуация по-своему здесь очень благоприятствует объединению дислокаций. Дело в том, что упругие поля разноименных дислокаций тяготеют друг к другу.

Вот по параллельным и близкорасположенным плоскостям навстречу друг другу застопорились два дислокационных скопления с противоположными знаками. По существу роль каждого из них теперь двояка. Во-первых, для противоположного скопления это барьер. Во-вторых, это «нажимающий» клин, спрессовывающий две свои головные дислокации. В итоге ситуация оказывается более благоприятной для слияния дислокаций и проходит оно при относительно небольших скоплениях. Да и трещина растет быстрее – ведь у нее теперь двое «кормящих родителей».

Пусть читатель обратит внимание, в какой неразрывной связи выступают здесь дислокации и зародышевые микротрещины. На стадии, когда последняя представляет собой лишь две соединившиеся дислокации, трещина от них практически неотделима. Пластичность и разрушение как бы сливаются в единый неразрывный процесс как явление природы.

Словами Б. Ахмадуллиной:

Где дождь, где сад – не различить.
Здесь свадьба двух стихий творится.
Их совпаденье разлучить не властно зренье очевидца.
Так обнялись, что и ладонь не вклинится…

Не остается в стороне при этом и тепловое движение, сотрясающее кристаллическую решетку и приводящее к постоянным колебаниям атомов в узлах решетки. Вибрирует и линия дислокации – на ней возникают и исчезают микроскопические волны. В каждый момент времени такая волна представляет собой перегиб линии дислокации в плоскости скольжения. Это означает, что на небольшом участке, кроме основной экстраплоскости, возникает маленький участок другой, параллельной первой. На нем дислокация как бы продвинулась вперед. Процесс этот, как говорят физики, носит статический, то есть случайный, характер. Самонадеянно и неверно было бы заявить, что вот на этой именно дислокации, да еще в этом ее месте возникнет перегиб. Зато всегда можно предсказать вероятность того, что в некотором объеме на достаточно надежном числе дислокаций такой процесс происходит. Пожалуй, это похоже на то, что вы не в состоянии предсказать, встретите ли через минуту на ближайшем перекрестке мужчину ростом 1 м 80 см. Вместе с тем статистика сообщает, как в каждой стране мужчины распределяются по своему росту. Еще недавно, например, у нас из каждых 10 000 мужчин в возрасте от 25 до 35 лет один-двое имели рост 190 см, трое-четверо- 187 см, восемь-десять 185 см, триста-182 см. А средний рост большинства составлял 168 см. Поэтому, если поставить вопрос так: «Какова вероятность того, что на ближайшем углу достаточно многолюдной улицы нам встретится мужчина ростом 180 см, то можно и «угадать».

Примерно также обстоит дело и с перегибами на дислокациях.

А между тем ленинградские физики А. Н. Орлов и В. И. Владимиров показали, что подобные, на первый взгляд ненадежные, соображения ведут к вполне надежным результатам. Оказалось, что когда на двух сблизившихся под давлением дислокациях возникают перегибы термического происхождения, облегчается слияние дис-

локаций и возникновение зародышевой микротрещины. И если ранее для образования такой трещины теория требовала совершенно фантастического количества дислокационных скоплений 200-500 штук, то термическое возбуждение кристаллической решетки и линий дислокаций уменьшает эту цифру в пять раз. А скопления 40-100 дислокаций – реальность.

Колонна дислокаций, или дислокационное скопление – одно из основных «боевых» построений дислокаций. В таком строю силы их как бы умножаются потому что к внешнему давлению- напряжениям – прибавляются еще собственные упругие поля дислокаций. Такая система обладает высокой «пробивной» способностью. Но представим себе следующую картину. Уперлось скопление в некий барьер, да настолько прочный, что пробить его невозможно. Внешние напряжения нарастают, а десятки дислокаций умножают его. В вершине этого дислокационного «зубила» обстановка становится критической… Но вот напряжения достигают предела прочности. Мы знаем, что в этом случае материал должен разрушиться. И действительно, под углом в 70° по отношению к скоплению «вспыхивает» трещина. Процесс этот облегчается, если барьер атакуется не одним, а несколькими скоплениями одновременно. Оказалось, что для достижения напряжений, равных теоретической прочности, таким же инструментом, как краевые дислокации, являются дислокации винтовые. Только в этом случае трещина возникает прямо в плоскости скольжения дислокаций, то есть в плоскости самого скопления.