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.

---

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.

Удовлетворила бы физиков нарисованная картина? Нет. И вот почему. Механизм «накачивания» напряжений в вершине скопления безусловен и созревание окрестностей материала в районе барьера к разрушению сомнения не вызывает. Но совершенно непонятно, как же все-таки возникает первичный, изначальный разрыв связей в кристаллической решетке размером ну хотя бы в два межатомных расстояния? Описанному механизму уже 25 лет, но до сих пор он не помогает ответить на поставленный вопрос. Поэтому его зародышевая трещина носит, я бы сказал, странный, не вполне естественный характер, условия для ее появления есть, а «спускового механизма» нет.

„.Странный гость, говорю вам, неведомый гость.
Он прошел через стенку насквозь, словно гвоздь,
кем-то вбитый извне для неведомой цели…

(Б. Ахмадулина)

В этом смысле неопределенным является еще один механизм образования микротрещины. Он предложен бнзиками: советским – В. Н. Рожа-нским, и американским – дж. Гилманом и заключается в следующем. В полосе скольжения скопились дислокации, запертые каким-то барьером. По мере накачивания дислокаций в эту полосу внешним источником плоскость скольжения изгибается под действием множества экстраплоскостей дислокаций, расположенных над ней. При этом происходит явление, подобное осыпанию лака с модельной обуви. При нанесении на кожу лак сцепляется с ней. В процессе работы кожа постоянно изгибается. Но механические свойства ее и лака различны. Поэтому различны и напряжения в коже и слое лака. При некачественном наклеивании рано или поздно лак начнет отслаиваться от кожи и осыпаться. Условия «вскрытия» материала по плоскости скольжения здесь вполне понятны. Но как это получилось, с чего это началось – не ясно!

Один из возможных ответов на этот вопрос предложили сотрудники Института кристаллографии АН СССР В. Л. Инденбом и М. X. Блехерман. Они обратили внимание на то, что самое слабое место в скоплении дислокаций… сама дислокация. Оказалось, что сердцевина дислокаций – ее ядро – в определенных условиях может раскалываться. Вообще нужно заметить, что природа явлений в ядре краевых дислокаций сложна и недостаточно изучена. Окрестности края экстраплоскости принесут в будущем еще много неожиданностей. Одну из них и заметили В. Л. Инденбом и М. X. Блехерман. Сердцевина дислокации – материал с нарушенной сплошностью. По некоторым соображениям следует считать, что вдоль кромки экстраплоскости идет пустой канал.

Напряжения в ядре дислокации чрезвычайно велики и вычислить их прямым расчетом сегодня еще невозможно. Стало быть, собственно механические свойства у ядра дислокации почти наверняка хуже, чем у матрицы ненарушенного кристалла. Имеется при этом в виду сопротивление материала на разрыв и сдвиг. И, как это ни странно, разрушение может стартовать прямо из ядра, служащего в данном случае исходным зародышем

микротрещины. Вопрос лишь в том, как начнет расти микротрещина. Было установлено, что в пластичных кристаллах она распространяется по плоскости скольжения. В хрупких же кристаллах сближение дислокаций ведет к перестройке их ядер и вскрытию трещины прямо вдоль эстраплоскости. А что при этом происходит с дислокацией? Она самоуничтожается, совершая своеобаз-ное харакири!

В нашем научном багаже три механизма зарождения трещин с вариантами. Исчерпаны ли этим возможные случаи? Нет, конечно, их довольно много. До сих пор дислокации, образующие трещину, двигались по одной и той же плоскости скольжения. Между тем в кристаллах они способны перемещаться по различным плоскостям. Чего же можно ожидать от таких дислокаций, когда они сходятся вместе? Теория говорит, что они решительно взаимодействуют друг с другом. Настолько решительно, что, исчезая, сами дают жизнь новой «молодой» дислокации, расположенной в плоскости спайности, то есть как раз в той плоскости, в которой легче всего протекает разрушение. Поскольку обычно скольжение развивается по множеству плоскостей, на плоскости спайности создается много дислокационных «отпрысков», сливающихся вместе и образующих трещину. Этот механизм, предложенный английским физиком А. Коттрелом, напоминает двух лыжников, скатывающихся с горки и сталкивающихся внизу. Представьте: их лыжи наехали одна на другую, перекрестились и перепутались. В таком положении лыжники – дислокации – дальше скользить не могут. Особенность заключается в том, что до своего объединения две скользящие дислокации являются инструментами пластической деформации. А вот родившаяся дислокация -- уже инструмент разрушения. Что-то вроде ситуации, когда два человека, столкнувшись в дверях троллейбуса, зацепились друг за друга: пуговица пальто одного из них попала в ячейку «авоськи» другого. Естественный итог такого столкновения – оторванная пуговица или разорванное пальто… В большинстве случаев это – гордиев узел: разорвать его можно, только разрубив. Но… Коттрелл доказал, что иной раз «склеившиеся» дислокации, казалось бы, полностью потерявшие «свое лицо» и даже исчезнувшие, можно разделить. В нашей «троллейбусной» ситуации это означало бы следующее: неторопливо ос-

вободить пуговицу, что возможно далеко не всегда. На языке дислокаций это звучит так: диссоциировала, то есть распалась на две исходные скользящие дислокации, превращающиеся в трещину. Как сказал американский поэт У. Дж. Смит, «… здесь назад означает вперед» потому, что ушел кристалл от разрушения, вернулся к своему монолитному существованию, к прочности.

Целая группа механизмов разрушения связана с существованием границ в кристаллических материалах. В металлах – это границы зерен, в монокристаллах – границы субзерен. И в том, и в другом случае речь идет о стенках дислокаций. В монокристаллах стенки эти довольно просты. Грубо говоря, строй этот представляет собой краевые дислокации, стоящие почти «в затылок» друг другу. Экстраплоскости каждой из таких дислокаций кончаются на границе и все вместе они создают разворот одной половины кристалла по отношению к другой. Чем выше плотность дислокаций в границе, тем больше экстраплоскостей «умирает» на ней, тем больше развернуты кристаллы. Границ таких в кристаллах великое множество и образуют они сложные прост-транственные картины совершенно произвольного вида. Границы плохо видны, если смотреть на кристалл издалека. Но если приблизить его к глазам и повертеть под падающим световым лучом, то можно заметить отблеск

от различных участков кристалла. Это и есть наиболее крупные отдельные его субзерна. Что касается огромного числа мелких субзерен, то они едва заметны.

Между тем при деформировании кристалла дислокации движутся в нем по различным кристаллографическим направлениям и периодически пересекают границы. Что происходит при этом?

Если разворот смежных субзерен не слишком велик, то есть плотность дислокаций в границе мала, полоса скольжения может легко и безболезненно пройти сквозь границу. Однако по мере роста угла между смежными кристаллами межзеренная граница становится прочнее. Теперь уже нужно приложить определенные напряжения для ее прорыва дислокациями извне. Наступает наконец такой момент, когда межзеренное сочленение превращается в мощный барьер, ограничивающий движение всех дислокаций, упирающихся в границу в полосе скольжения. О том, что происходит дальше, известно из работ англичанина А. Стро и француза Ж. Фриделя. Под давлением «толпы» дислокаций напряжения в районе столкновения дислокационного скопления и границы быстро нарастают, и вот…