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

КОЛОРАТУРНОЕ СОПРАНО

Когда-то французский поэт Жан Дипрео писал:

Прав ли он был? Действительно ли трещина ползет так уж и неслышно? Опыт говорит о том, что трещину к молчальникам отнести нельзя. На каждом этапе своего существования – от зарождения до стремительного закритического роста – она непрерывно заявляет о себе вслух. При этом она «вещает» едва ли не во всех диапазонах- от неслышимого инфразвука через весь слышимый нами спектр до ультразвука, также не воспринимаемого нашим слуховым аппаратом.

С чем же связана «говорливость» трещины? Прежде всего дело не только в ней. Любое тело, в котором под воздействием внешней нагрузки распространяются упругие волны, способно совершать колебания. А поскольку каждому телу свойственна собственная частота колебаний, так называемая резонансная, то при нагружении, особенно динамическом, еще задолго до разрушения происходит излучение волн в окружающее пространство. Ударьте по пустому ведру или бочке! Щелкните ногтем по тонкому стакану и вы услышите его звучание. Вспомните, как проверяют хрустальную вазу при покупке. По ней слегка стучат карандашом или ложечкой. Если она цела, звук чистый, звонкий, а если в ней есть трещина, возникает дребезжание. Вот как рассказывает о звучании хрусталя писатель Г. Семенов: «…он любил показывать домочадцам свое искусство: жестким пальцем, смоченным в вине или, если вина не было, в уксусе, вел по краешку вазочки, как по струне, и в какой-то момент в воздухе рождался вдруг тонкий и грустный, серебряный голос баккары, который властно витал по комнате и тихо замирал, вызывая на лице у Демьяна Николаевича торжествующую улыбку. Звуки были чище и гуще, чем звуки виолончели или скрипки, и чудилось всегда будто не хрусталь звучал, не он издавал протяжный ветренный гул или звон, а сам воздух наливался звучным пением… Видя новую вазочку, он говорил возбужденно: – «Ты знаешь, она поет, как снегирь… Какой звон!…»1

Описанное Г. Семеновым звучание создается трением пальца о кромку вазы, возбуждающим так называемые автоколебания хрусталя. Грубо говоря, палец «тянет» участок поверхности до тех пор, пока силы упругости материала не превысят силы трения между хрусталем

1 Семенов Г. Уличные фонари//Наш современник. 1975. № 5. С. 4 и 29.

и пальцем. Тогда контакт разрывается и освобожденный материал вазы быстро движется, возвращаясь на место. Множество таких процессов и создает звучание. При механическом нагружении детали или конструкции в них возбуждаются и такие, и многие другие виды упругих колебаний. Потому уже на самых начальных стадиях чисто упругого деформирования металл звучит. Слабо, но звучит!

Но вот кончилась упругая стадия и началась пластическая деформация. Еще с древних времен известен «крик» олова, раздающийся каждый раз, когда этот металл деформируют. «Шумят» при деформировании все металлы, но слабее. Например, низкоуглеродистая сталь испускает звуковые волны при растяжении в широком интервале температур от +200 до -196 °С. Звук, издаваемый нержавеющей и другими сталями, зависит от степени деформирования. Особенно интенсивно звучание при начальных стадиях формоизменения. Из поликристаллического цинка деформация «исторгает» не только звуковые частоты, но и неслышимые ультразвуки частотой до одного миллиона колебаний в секунду (герц). При увеличении скорости деформирования интенсивность звучания всех металлов растет.

Практически любой процесс деформации – и растяжение, и усталость, и ползучесть-провоцирует звучание металла, однако это всегда процесс слабый, поэтому для регистрации возникающих волн нужны специальные чувствительные приборы. Большинство материалов «звучит» только при деформировании. Но некоторые «не умолкают» и после прекращения действия нагрузки. С чем же связана эта звуковая активность? Ведь, казалось бы, ничего не происходит, а металл «возмущается».

Отсутствие внешних проявлений сложности процесса деформирования металлов не означает, что он прост. В основе акустического излучения металлов лежит элементарное движение дефектов – дислокаций, двойников и других.

Взрыв высокочастотных колебаний в виде огромного числа импульсов длительностью одна-три миллиардные доли секунды (наносекунды) происходит во всех изученных монокристаллах на самых ранних стадиях пластической деформации. Связана эта волновая эмиссия со скольжением дислокаций, происходящим с до-

вольно высокой скоростью – 20 м/с. Чувствительность наших приборов такова, что можно уловить излучение отдельной дислокации или малого их числа. Но для этого нужно, чтобы длина участка дислокации была не меньше 8 мкм.

Существует несколько вариантов испускания дислокацией акустических сигналов. Линия дислокации, распространяющаяся в кристалле, может застревать в нем, зацепившись за какие-нибудь барьеры, но по мере роста нагружении дислокация отрывается от них. Тогда примерно 1 млн. сегментов, закрепленных между «гвоздями в кристаллической решетке», отрывается одновременно и создает акустический сигнал длительностью в 10- 30 мкс. Харьковчанин В. Д. Нацик показал, что звук может издавать и дислокация, прорывающаяся через разнообразные границы в кристалле. Дело в том, что, переходя через барьер, дислокация вынуждена перестраивать свое упругое поле. В результате части этого поля как бы отрываются от дислокации и распространяются в кристалле в виде звукового сигнала. Оказалось, что «изрядно шумит» и дислокация, выходящая на поверхность кристалла. Здесь две причины. Во-первых, при этом дислокация исчезает и энергия ее упругого поля, оставаясь «бесхозной», преобразуется в звук. А во-вторых, выход дислокации на поверхность и высвобождение энергии, вызванное ее гибелью, возбуждает колебания атомов на самой поверхности.

Способны создавать шумы и двойниковые прослойки. Особенно когда они перемещаются вблизи поверхности кристалла. Не являются исключением здесь и другие дефекты кристаллической решетки. Если подытожить сказанное, то процесс пластической деформации, прежде всего деформации на ранних, неустановившихся стадиях, является источником акустического «эха» процесса тем более богатого и разнообразного, чем выше скорость деформирования и больше число механизмов, сопровождающих это явление. Таким образом, каждый акт пластической деформации имеет свое звучание, свои «имя и фамилию», выраженные в числе акустических сигналов и их частоте. В конечном итоге это определяется тем, как тот или иной дефект меняет упругое поле кристалла и насколько быстро. Диапазон частот «звучания» зависит от всего этого и может достигать ультразвуковых областей с частотами в несколько миллионов герц-

Если считать, что дефекты подобны певцам, то самая «талантливая» из них трещина: голос ее, пожалуй, наиболее богат. Дело в том, что голос определяется прежде всего двумя параметрами – диапазоном и тембром. У певцов, например, диапазон голоса колеблется в пределах примерно от 80 до 350 Гц (бас) и от 250 до 1300 Гц (колоратурное сопрано). Что касается тембра, то это результат сложения основных частот голоса (тона) с дополнительными большей частоты колебаниями (обертонами), которые и придают голосу индивидуальную окраску. Недаром В. Солоухин писал: «Сто тысяч звуков, миллион оттенков».

Звуки, лишенные тембра, орнамента, оранжировки, неприятны человеку и не воспринимаются им как музыка. Видимо, всегда мы тяготеем к звуковой гармонии, отражающей все фантастическое разнообразие окружающего мира, его беспредельность – и в пространстве, и во времени, и в нас самих, и в … частоте.

Среди объектов неживой природы, способных испускать звуковые сигналы, трещина обладает едва ли не самым высоким «голосом». Это связано с тем, что разрушение – процесс, в котором одновременно происходят и упругая, и пластическая деформации; сложное их сочетание сопутствует всем этапам развития явления при зарождении трещины, продвижении и после завершения разрыва. Естественно, что все стадии сопровождаются сложным взаимодействием волновых процессов.

Я думаю, что если бы частоты звуков были пониже, то «пение» трещины можно было бы слушать как подлинную мелодию. Вряд ли это были бы ритмы полонеза М. Огинского, вероятнее всего, нечто современное, в духе поп-музыки. Но все же…

Однако вернемся на землю. Услышать это невозможно, поскольку основной тон звучания трещины лежит в ультразвуковой области. Название этого раздела, таким образом, неточно – трещина «тянет свой мотив» в диапазоне гораздо более высоком, чем колоратурное сопрано.

Поговорим о некоторых типах упругих волн, связанных с разрушением. Прежде всего в большинстве случаев появление трещины предваряется пластической деформацией, а она, как известно, излучает высокочастотные колебания с очень низкой интенсивностью. Эта же составляющая сопровождает и весь последующий рост

трещины, если по берегам ее идет пусть даже совершенно слабое пластическое течение. Но вот появилась первая трещина. Подобно новорожденному, она «заходится» в крике. Поэтому и интенсивность, и частота, и тембр звучания металла моментально изменились:

…И мы должны понять, что это есть значок Который посылает нам природа, Вступившая в другое время года…

(Н. Заболоцкий)

Отличие настолько разительно, что акустика в этом случае превращается в первоклассный инструмент определения самых ранних стадий появления трещин. Дело, правда, пока не дошло до определения момента возникновения зародышевой микротрещины в две – пять стомиллионные доли сантиметра, то есть двух межатомных расстояний, но это вопрос техники. Надо думать, что в ближайшие годы мы вполне сможем его разрешить.

Следующий период докритического подрастания трещины в акустическом отношении процесс довольно вялый – шепот да и только. Он «оживляется» лишь вспышками звучания в моменты возникновения новых трещин и объединения их. Постепенно подрастая, трещина «рас-

ходится» и с переходом через гриффитсовский размер начинает говорить, да что там – «орать» в полный голос. Она умудряется «вещать» и «пищать» не только в звуковом диапазоне от 3 до 25 кГц, но и захватывает область ультразвука. И хотя основная энергия при этом приходится на волны частотой от 200 до 500 кГц, но полный спектр простирается за частоту 1 МГц. Нет никакого сомнения, что по мере совершенствования методов измерения выяснится: ультразвук – не предел. Видимо, возможности трещины куда больше и достигают они так называемого гиперзвукового диапазона. А это не что иное, как тепловые колебания кристаллической решетки н частоты их от 109 до 1012-1013 Гц. И серьезные указания на этот счет имеются уже сейчас. Еще до'войны группа немецких акустиков обнаружила на поверхности разрушенных кристаллов круговые борозды. Оказалось, что они возникают из-за распространения по берегам трещины волн Вальнера (названных по имени открывшего их физика). Фронт трещины при взаимодействии с этими волнами отклоняется и образует борозды и ступеньки. А частоты этих волн составляют 1010-10" Гц. Вот вам и колоратурное сопрано!

Разнообразию исполнительских жанров трещины можно только позавидовать. Если певец «пользуется» только продольными акустическими волнами (воздух-то другие не пропускает!), то трещина, «выступающая» в твердой среде, «поет» и на продольных, и на поперечных. Мало того, она умудряется солировать и на так называемых поверхностных волнах. Правда, соло это очень своеобразное – волны бегут только по поверхности самой трещины. Если она внутренняя, то есть замкнутая, то они «перекатываются» от одной вершины трещины к другой. Так сказать, концерт для собственного удовольствия. Если трещина открыта, то волны эти выбегают на поверхность металла1. Впервые их наблюдал автор книги, а также И. С. Гузь. Оказалось, частоты волн лежат в пределах до 200 кГц, а максимальная интенсивность соответствует 50-60 кГц.

По отношению ко всем волнам, связанным с разрушением, можно сказать, что их энергия растет при увеличении приложенных напряжений и энергии деформи-

1 Интересно, что этот класс волн, вероятно, существует и у певцов – тело-то среда сплошная!

рования. Влияет на «шумливость» стали и термическая обработка. Правда, это происходит не прямо, а посредством изменения свойств самого металла.

Но вот настал и последний, финальный момент – трещина пересекла сечение детали и выбежала «сломя голову» наружу. Вот уж, действительно, «сломя голову», потому что она исчезла теперь и вместо одного куска металла мы имеем два. Но вспомним, в каком состоянии находятся две части металла по обе стороны бывшей трещины. Они, естественно, деформированы приложенными силами. После завершения разрушения сопротивление металла исчезло, следовательно, исчезла и внешняя сила. И тогда предоставленный самому себе металл начал восстанавливать свою форму. Если он был изогнут, то распрямляется; если был сжат, растягивается. Здесь и возникают мощные колебания, приводящие к распространению звуковой волны. Поскольку конструкция выступает сейчас в роли разорванной струны, ее частоты умеренны, акустический спектр, сопутствующий разрушению, как правило, сосредоточен на участке звуковых и начальных ультразвуковых частот. Но мощность их велика – ведь в едином ритме содрогается весь кусок освободившегося металла!

Звуки разрушения каждый раз индивидуальность, исключение, свойственное данному процессу разделения твердого тела. Неудивительно: ведь звучание процесса- это картина структурных особенностей и деформирования, и зарождения трещины, и закритического эпизода разделения материала, как бы нарисованная с помощью звука. Поэтому из серьезного анализа спектра звука можно понять, если не все, то многое, произошедшее и происходящее с металлом в процессе его разрушения. Другое дело, что это не просто, и сегодня по акустическому спектру нельзя еще получить полного представления о механических процессах, ибо далеко не все мы знаем и нам удается услышать эхо далеко не каждого физического процесса. Но это вопрос, безусловно, разрешимый и в ближайшие годы можно ожидать его прояснения. Однако уже сейчас кое-что понятно. Ясно, например: одна ли трещина или сто, уже по интенсивности звучания мы можем это определить. Поэтому «эхо» процесса четко различимо при обычном разрушении, и при ветвлении. Ветвление имеет несколько особенностей. Прежде всего относительно монотонный рост обыкновенной трещины

выглядит во втором случае как скачкообразный, прерываемый эпизодами зарождения ответвленных трещин. Кроме того, из одной трещины при ветвлении возникает настоящая «металка». Вспомните сотни трещин, лавиной расходящихся в закаленном стекле, пересекаемых другими, круговыми.

Все эти различия звуков, издаваемых материалами, как бы проецируются на наши приборы. Анализ данных показывает, что зарождение и разгон трещины до наступления ветвления в закаленной стали сопровождаются испусканием относительно низкочастотных упругих импульсов (40-50 кГц). Необычные акустические сигналы начинают появляться после преодоления трещиной скорости распространения 1900-2200 м/с, то есть с наступлением ветвления. В спектре трещины появляется высокочастотная компонента, состоящая из импульсов длительностью 0,5-2,0 мкс. Каждый из импульсов-визитная карточка самого элементарного процесса разветвления трещины. Ветвление в закаленном стекле происходит, примерно, за такой же промежуток времени – за

1 мкс. В целом, акустический сигнал всего процесса ветвления гораздо мощнее, нежели обычного разрушения, и по нему сразу же можно ясно установить его происхождение. Ибо рост одной трещины – это щебетанье по сравнению с гулом землетрясения при ветвлении.

К слову, нужно сказать, что акустическое отображение разрушения – не единственный процесс, в котором проявляет себя разрыв сплошности. Например, в некоторых кристаллах разрыв сопровождается различными видами свечения в форме импульсов длительностью 1 мкс.

(Ш. Бодлер)

При разрушении кристаллов оба берега трещины покрываются разноименными электрическими зарядами – электризуются. Образуется обычный конденсатор. В процессе роста трещины берега раздвигаются, а на языке электротехники это означает рост электрического потенциала. С его повышением происходит пробой промежутка, иначе говоря, возникает разряд, Сопровождаемый электромагнитным излучением и световой вспышкой.

Наряду с этими явлениями вскрывающаяся трещина излучает поток электронов. Да не обычных, а ускоренных напряжением до 15-40 кВ. Взяться этим напряжениям неоткуда. Разве что возникнуть из тех самых зарядов, которые имеются на полостях трещины. И тогда окажется, что заряды эти довольно велики. Они велики и на плоскостях трещины, и в ее вершине.

При росте трещины она способна вызывать излучение электромагнитных импульсов, длящихся микросекунды, повторяющихся через несколько миллисекунд. Отличительная особенность этих явлений в том, что они возникают не только во время роста трещины, но и после его завершения. Это и неудивительно, ведь электрические процессы, лежащие в их основе, продолжаются при раз-движении заряженных берегов трещины, все еще «чувствующих» друг друга даже на довольно значительных расстояниях.

Вот, оказывается, какова певица трещина! Она – исполнительница и в звуковом диапазоне, и на языке ультра- и гиперзвука. Но этого ей мало – она- поет и на электромагнитном, и «электронном» диалектах, а еще… на световом жаргоне! Многообещающая исполнительница! Судя по всему, все это для нее не потолок!