"Портрет трещины" - читать интересную книгу автора (Финкель Виктор Моисеевич)

БРАТСКИЕ? СКОРЕЕ ВОЛЧЬИ КАЧЕСТВА!

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.

Число примеров без труда можно умножить. Ясно, однако, что образование систем микротрещин до разрушения и в его процессе – не исключение, а правило. На этом основании полагают, что любую разрушаемую упругую среду нужно рассматривать как тело, содержащее множество мельчайших острых трещин всевозможных ориентаций.

Любой металл, из которого мы строим самолет, автомашину или корабль, не монолит в полном смысле этого слова. Пройдя прокатные станы, обработку на станках и прессах, он накопил в себе огромное число мельчайших трещинок как память о встрече с инструментом различных сортов и видов.

Сюрпризы такого рода, конечно, не могут радовать специалистов по прочности. Но что делать, ведь не случайно говорят: гони природу в дверь, – она войдет в окно.

Таким образом, всегда или почти всегда реальный металл работает с готовыми или появляющимися на самых ранних стадиях деформирования микротрещинами.

Самое интересное здесь заключается в том, каким образом и когда закончится докритическое вязкое подрастание трещин и начнется вторая, неуправляемая и катастрофическая стадия лавинного их роста. Физические процессы, лежащие в основе такого перехода в системах трещин, н вполне понятны. Ведь речь идет об устойчивости не одной трещины, а огромного их числа. Тем более неясно решение этой задачи в микроскопических условиях, когда одна из микротрещин растет за счет того, что «поедает» многие другие. Да, я не оговорился, трещина – хищница, да к тому же питающаяся себе подобными.

Есть две легенды о Минотавре. Согласно одной из них, у него были бычьи рога, змеиный хвост, львиные лапы и он пожирал свои жертвы. Вторая легенда изощреннее. Вся сила Минотавра, рассказывает Мартина Моно, в ней заключалась не в острых когтях и клыках, а в том, что желая уничтожить человека, он принимал его облик. Люди погибали, сводя счеты сами с собой… Похоже это очень на битвы трещин-они-то ведь братья-близнецы. Отличие, однако, от близнецов здесь немалое- трещины, оказывается, – заклятые враги.

Вопрос в том, какая из сотен и тысяч трещин окажется Минотавром, а какая – жертвой. Любая из них может быть и тем и другим. Это зависит от одного: каким образом она ориентирована и насколько успела подрасти. Главным «канибалом» обычно становится трещина, наибольшая по размерам и перпендикулярная к направлению растягивающих напряжений. Именно она начинает свое продвижение вперед, прощупывая своим упругим полем окрестности. Речь, конечно, идет не о каком-то радаре, которым она располагает. Нет, просто она очень чувствительна к.окружающему полю напряжений. А находящиеся рядом с нею микротрещины, меняют его, заставляя магистральную хищницу это ощущать и реагировать движением своей вершины.

Пока две трещины взаимно удалены, то есть расстояние между ними намного превышает их размеры, они друг друга не чувствуют. Словами А. С. Пушкина: «Все кончено: меж нами связи нет».

Но если расстояние между их вершинами меньше длины одной из трещин, картина меняется. Обе, находясь в пластичном материале, скажем стали СтЗ, начинают разворачивать свои вершины навстречу друг другу.

Это происходит и в случае медленного статического на-гружения и при динамическом процессе. Скорость разрыва перемычек в последнем случае достигает порой 50 м/с. При их объединении скачком увеличивается длина магистральной. Упругое поле такой трещины становится больше по размерам и она начинает «ощущать» более отдаленно расположенные трещины. Следует очередной «кровожадный» акт поглощения и возможности трещины еще более расширяются. «Съеденные» трещины не всегда и не строго расположены по линии основной. Поэтому ее форма сложная, ступенчатая. Таким образом, объединяя десятки и тысячи своих же сестер-трещин, магистральная достигает, наконец, критических размеров. Теперь уже она способна пренебречь пластическим течением в своей вершине и процесс кооперирования трещин ускоряется. Скорости трещин и разрыва перемычек между ними исчисляются сотнями и тысячами метров в секунду. «Волчий» характер при этом неизменен, а вот механизмы потери равновесия могут стать совсем другими. Например, небольшие трещины около устья магистральной, чем-то напоминающие рыбок-лоцманов у пасти

некоторых видов акул, теперь уже легко возбуждаются мощным упругим полем основной трещины и сами сливаются с ней, образуя быстро растущее целое.

Совершенно понятно, что это уже беда. После начала стремительного роста трещины с повальным объединением всех попадающихся на пути мелких трещинок у конструкции нет будущего. Она обречена. Для практики интересен период докритического стабильного существования металла. Пусть с трещиной! Пусть с целой их системой! Но металл должен служить, сопротивляться внешним силам и нести нагрузку. Он должен жить. И мы хорошо знаем, что он живет. Все без исключения конструкции детали и узлы содержат трещины и в большом количестве, но служат великой прочности! Почему?

По двум причинам. Во-первых, они спроектированы так, что приложенные к ним напряжения всегда меньше тех, которые нужны для подрастания самой «агрессивной» трещины. А во-вторых, и мы об этом уже говорили, металлы имеют определенный иммунитет против трещин. Он создается «прививкой», в роли которой выступает пластическая деформация. Она отодвигает закритичес-кий процесс и содействует локализации разрушения вблизи его наиболее острых в вершинах трещин и дефектов. Процессы деформирования, как человек, сглаживающий возможные конфликты, обволакивающий их деликатностью и мягкостью, понижают поле упругих напряжений в вершине трещины и, не давая ей расти, растрачивают накопленную энергию на движение дислокаций. Плохо, если металл хрупок по своей природе. Обладай он даже высокой прочностью, это не спасет его от разрушения, появись в нем какой-то концентратор напряжений или микроскопическая трещина. Ведь теперь нет амортизатора – пластичности, а напряжения в остром концентраторе настолько велика, что без труда превзойдет изначальные прочностные свойства металла.

Вот поэтому-то и говорят, что чувствительность к надрезам высокопрочных сталей всегда выше, чем у низкопрочных.

Долго ли может жить металл с докритической системой трещин? Быть может вечно? Это было бы слишком хорошо, чтобы быть правдой!

Природа позаботилась и здесь о том, чтобы противопоставить плюсы минусам. Один из таких минусов заключается в следующем. Пусть нагрузка на деталь мала

и несоизмеримо ниже, нежели любые пределы прочности. По всем законам механики трещины не должны были бы расти в этих условиях. Но советский физик С. Н. Журков показал, что даже в этом случае разрушение неизбежно. Вопрос лишь в том, когда оно произойдет. Чем больше приложенная нагрузка, тем неотвратимее конец и тем раньше он наступит. Эту закономерность так и называют временной зависимостью прочности.

С какими же физическими процессами связано убывание прочности со временем? Видимо, их много. Здесь и дислокационные явления, если речь идет о кристаллических материалах. Здесь и подрастание трещин за счет вакансий и дислоцированных атомов. Здесь, как считают некоторые физики, происходит и прямой разрыв атомных связей. И уж, безусловно, протекает разрушение за счет медленного докритического объединения трещин. Однако в целом это явление исключительно сложное и до конца пока что не изученное. Главное, однако, заключается в том, что даже при относительно низких нагрузках беспредельно долго прочным материал быть не может.

Что же делать? Прежде всего стремиться к тому, чтобы количество микротрещин в металлах было минимальным. Также важно, чтобы, уж коль они существуют, размеры их были возможно меньшими. Совершенно необходимо предусмотреть какой-то буферный механизм притормаживания трещин. Простейшим является, конечно же, пластическая деформация. Поэтому желательно, чтобы металл всегда был максимально вязким, без потери в прочности. При выполнении этих условий даже со многими микротрещинами, металл может долго, очень долго служить людям и быть воплощением надежности и прочности.