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

НУЖЕН ОРЛИНЫЙ ГЛАЗ

А. И. Куприн рассказывает древнюю историю о том, как царица Савская, желая испытать мудрость царя Соломона, задала ему загадку: «…прислала она Соломону алмаз величиной с лесной орех. В камне была тонкая весьма извилистая трещина, которая узким сложным ходом пробуравила все его тело. Нужно было продеть сквозь этот алмаз шелковинку. И мудрый царь впустил в отверстие шелковичного червя, который, пройдя наружу, оставил за собой следом тончайшую шелковую паутинку»1.

Скажем прямо, по нынешним меркам решение такой задачи посильно рядовому человеку. Во-первых, действительно, трещина, которую «исследовал» царь Соломон, была относительно широкой по своему сечению – порядка миллиметра. Во-вторых, она выходила на поверхность и была видна невооруженным глазом. В-третьих, трещина образовалась в прозрачном алмазе. Словом, царь знал о ней все. Это, конечно, не уменьшает его остроумия при «продевании» червя-нитки в эдакое хитрое «ушко». Но… …реальные задачи, стоящие перед специалистами в области прочности и разрушения металлов, куда сложнее.

Начнем с того, что трещины далеко не всегда значительны по размерам. Если бы они были слишком велики, детали как единого целого уже не существовало бы. Сплошь и рядом трещины в полном смысле слова микроскопичны, то есть видеть их можно в микроскоп. Да и то не во всякий. Иной раз нужен не оптический, а электронный. Это значит, что размеры таких трещин исчисляются тысячными, а порой, миллионными долями сантиметра.

' Куприн А. И. Собр. соч в девяти томах. Т. 5. – М.: Правда. С. 40.

Да и червя такого не сыскать, чтобы запустить его в трещину сечением в несколько межатомных расстояний. Но если вдруг мы и нашли бы какое-то живое существо, способное «втиснуться» в дефект, то оно оказалось бы либо в тупике – трещины конечны по своей длине, либо в безнадежном лабиринте. К тому же, далеко не все трещины выходят на поверхность…

Между тем реальный металл – это мир, пронизанный фантастическим количеством микротрещин. Я имею в виду полноценный металл, то есть хорошо выплавленный, прокатанный, термически обработанный с соблюдением всех правил и предосторожностей. Чем-то он напоминает старый потрескавшийся потолок. Трещины на нем образуют сложнейшие рисунки: вглядитесь в них пристально и воображение приблизит их к любому образу: вы увидите паутинное разветвление железнодорожного узла, фантастических зверей, удивительные лица. Не испугаться ли за прочность металла?

Но мы уже знаем – до поры до времени это не страшно. Трещины-то докритические. Тем не менее под контролем их держать надо. Как же это можно сделать? На прозрачных материалах самые малые трещины, которые видны в микроскоп, порядка нескольких тысячных миллиметра. А если меньше? Тогда можно использовать рассеяние света на неоднородностях, которыми являются микротрещины. Представьте себе, что Вы на хоккейном матче. За пять минут до его начала стадион оживлен, все осветительные устройства включены, но почему-то довольно темно. А дело в том, что световые лучи входят под углом в идеальный, полированный слой льда и начинают отражаться в нем от одной поверхности к другой. Очень много света буквально «запутывается в слое льда» и «выходит из игры» – теряется для освещения. Но вот прошло 5-10 минут. Накал ламп не изменился и новых прожекторов не включали, а явственно посветлело. Что же произошло? Хоккеисты своими коньками изрезали поверхность льда. Возникшие от коньков борозды и отходящие от них внутрь льда трещинки не пропускают свет в глубь слоя льда и рассеивают его в пространство. Вот так же примерно рассеивают свет и микроскопические трещины внутри прозрачного кристалла. Благодаря этому можно изучать трещинки, размер которых близок к длине волны света, то есть равен примерно пяти деся-тимиллнонным частям метра. А нельзя ли с помощью

рассеяния света исследовать зарождение самых первых, самых маленьких трещин длиной в одно межатомное расстояние? Нет, нельзя! Это означало бы повторение «научной ошибки» прекрасной поэтессы Марины Цветаевой, которая писала:

Гамлетом – перетянутым – натуго,

В нимбе разуверенья и знания, Бледный – до последнего атома…

Может ли атом нашего тела иметь цвет? По двум причинам – нет. Во-первых, потому, что мы видим свет, отраженный и рассеянный нами, а не излучаемый телом. А во-вторых, размеры атома в 5000 раз меньше длины волны света. И если бы бегущая световая волна встретила на своем пути одинокий атом или… микротрещину, равную примерно его размерам, она попросту обогнула бы его или, как говорят, дифрагировала бы на нем. Иначе говоря, по существу не заметила бы, подобно тому как большая волна «не замечает» тонкий пруток, воткнутый в дно.

Но что же надо сделать, чтобы увидеть настоящие зародышевые микротрещины, да еще в непрозрачном материале? Нужно тоже использовать рассеяние, но таких электромагнитных волн, размеры которых были бы близки к межатомному расстоянию. «Да ведь это рентгеновские лучи» – скажет догадливый читатель. И будет прав. Да, рассеяние рентгеновских лучей позволяет изучать распределение самых маленьких «атомных» трещин в металлах.

У рассеяния рентгеновских лучей есть и незаурядный конкурент – рассеяние электронов. В последние, годы электронные микроскопы настолько усовершенствовали, что они способны буквально следить за поведением отдельного атома. Неудивительна поэтому перспективность такого метода для наблюдения самых ранних стадий появления микротрещин. И если у наших предшественников эталоном мастерства считалось, образно говоря, умение «подковать блоху», то в недалеком будущем может случиться так, что нужно будет «подковать» атом. Скажем, чтобы восстановить его сцепление с соседом. Тогда-то и окажется, что нет метода эффективнее и, что самое важное, нагляднее, чем электронная микроскопия.

Ну, а как быть в «земных» случаях? Когда с завода идет поток термически обработанных деталей, на которых не должно быть больших, то есть явно опасных тре-

пе

щин? Здесь наша задача проще, ведь речь идет о трещинах в доли миллиметра и более. Методов определения размеров и, как говорят, лоцирования трещин тем больше, чем большие размеры имеет трещина. Допустим, что вначале трещина довольна мала. Тогда можно применить флуоресцентный анализ. Металл, на поверхности которого возможно появление трещин, смачивают специальным раствором, обладающим двумя ценными качествами. Прежде всего он способен проникать в мельчайшие полости и заполнять их. Это качество «первопроходца» дает уверенность в том, что если трещина существует, то жидкость (которую может смоделировать, например, керосин) наверняка окажется в трещине. Второе свойство раствора – его способность светиться под действием ультрафиолетового света. Деталь смачивали, а затем, спустя некоторое время, раствор смывали с поверхности металла струей воды. Затем освещали ультрафиолетовыми лучами. При этом

Поверхность гладкого металла Была бесцветнее стекла.

(Ш. Бодлер)

Потому, что керосина на ней уже не было. Присутствие трещины «выдает» задержавшаяся в ней и светящаяся жидкость. Свет этот, правда, очень слабый потому, что в узкой трещине жидкости мало, и потому, что люминофор остается лишь в глубине трещины, как бы на дне глубокого и узкого каньона. Он излучается не во все стороны, а только в направлении, определяемом берегами трещины. Поэтому металл рассматривают в темноте. Ультрафиолетовые лучи мы не видим, а слабое свечение люминофора в трещине замечаем.

На заводах очень широко пользуются магнитным методом. Идея его проста. Допустим, что каким-то способом мы создали в металле магнитное поле. Оно стремится равномерно распределиться по сечению металла. Оно стремится равномерно распределиться по сечению металла. Но если в нем есть трещина, то ни о какой равномерности и речи быть не может. В вершине трещины магнитное поле концентрируется. А если трещина при этом замкнута, то ведет все это к образованию на краях ее у вершин самых настоящих магнитных полюсов. Теперь возьмем литр керосина и насыплем в него мельчайший порошок железа. Размешаем и выльем эту смесь на деталь. Крупинки железа, способные легко перемещаться в жидкости, осядут на деталь, сконцентрировавшись прежде всего у магнитных полюсов. И трещина будет «разоблачена».

Однако безусловным хотя и некоронованным королем дефектоскопии является ультразвук. И вот почему. Метод этот прощупывает трещины самых разных размеров – от долей сантиметров до километров. Нижний предел со временем будет уменьшен раз в сто. Ультразвук всеяден – он найдет любую трещину: и выходящую на поверхность, и прячущуюся в глубине металла. Ему не важно, капитально ли вскрылась трещина или ее берега едва разошлись. Оборудование для его осуществления очень транспортабельно. Поэтому не удивительно, что его широко применяют во всем мире. В любой отрасли промышленности он поможет отыскать дефекты – заводском цехе и в поле у бесконечной нитки нефтепровода.

На чем же он основан? Прежде всего на неспособности ультразвука проходить через воздух и вакуум. Он любит «твердую почву» и способен распространяться лишь по металлу. Поэтому, окажись на пути ультразвукового луча трещина, – дальше идти он не может. Уста-

новить это нетрудно. Но мало того, что звук «боится» трещин, он буквально «отшатывается» от них, отражается, как солнечный луч от зеркала, и бежит назад. Поймать его просто. А если мы заметим его путь, то, значит, получим ответ луча на вопрос: что произошло? Ведь, как известно, угол падения равен углу отражения. И тогда специалисты по дефектоскопии уподобляются древним воинам.

(77. Мартынов)

А раз так, мы всегда можем установить угол, под которым расположена трещина.

Не так давно на Аляске построили нефтепровод длиной примерно в 1500 км, способный пропускать 60 миллионов тонн нефти в год. Стоимость его должна была составить 7 миллиардов долларов. На нефтепроводах такого типа трубы соединяют сварными швами. Качество сварных швов контролировали самым распространенным и надежным способом – рентгеновским. Оказалось, однако, что 30 % швов содержали внутренние раковины и опасные трещины. Обнаружены были трещины и в Н-образных стальных опорах. Несмотря на это, нефтепровод был сдан в эксплуатацию. При анализе аварии выяснилось, что тысячи рентгеновских снимков, предъявленных заказчикам, были, повидимому, фальсифицированными. Но, конечно же, этот случай ни в коем случае не компрометирует рентгеновские методы определения трещин в сварных швах, поковках, термически обработанных деталях и других изделиях.

В чем суть рентгеновского просвечивания, разбирается каждый. Достаточно вспомнить, что все мы проходим периодические осмотры в рентгеновских кабинетах. Все просто. Рентгеновские лучи реагируют в первую очередь на плотность вещества и его способность поглощать радиацию. Поэтому если в металле есть пора, она не поглощает лучи и изображение ее на экране будет светлее. Так же обстоит дело и с трещиной. Огромным достоинством рентгеновского метода является его нетребовательность к качеству металла. Потому-то он и годится для сварки. Другое дело ультразвук. Он невероятно привередлив к поверхности. Ему подавай полированную, а это при массовом производстве, да еще в полевых условиях

тысячекилометрового нефтепровода, немыслимо. Поэтому, где сварка, там и рентген. Однако и у него свои недостатки: длительность процесса, необходимость фотолаборатории, опасность радиационного поражения обслуживающего персонала. И все же этот метод применяют. Ведь при гигантских авариях, например на газопроводах, не только подвергаются опасности тысячи человеческих жизней, но и наносится колоссальный материальный ущерб. Поэтому специальные группы исследователей просматривают абсолютно все сварные стыки и если обнаружены трещины, вырезают дефектные места и проваривают все заново.

В шутке из «Крокодила»: «Дефекты, имеющиеся в сварных швах, устранены путем вырубки дефектов и наложения новых» – немалая доля правды. Ведь каким бы качественным ни был сварной шов, в нем всегда, к сожалению, найдется место, если не крупным, то уж мельчайшим трещинам. И зафиксировать их при помощи рентгеновских лучей определенно не удается. Это не значит, что шов разрушится, но достоверно одно: микротрещины в нем будут.

Как бы ни было трудно фиксировать трещину, но если она неподвижна, это возможно. Иное дело, когда она движется, да еще с бешеной скоростью 1-2 км/с. Ясно, что возможность здесь одна – киносъемка. Да не простая, а скоростная. В простейшем случае это делают так. Световое изображение движущегося объекта, например трещины, падает на быстро вращающееся зеркало. Оно

как бы разворачивает изображение по неподвижной пленке. А чтобы кадр не получился «смазанным», свет направлен через небольшую линзу, как бы останавливающую изображение на одном участке пленки. Линз таких десятки; зеркало вращается с частотой в десятки тысяч оборотов в минуту. Частота киносъемки – миллионы кадров в секунду. На пленке получают изображения, отделенные интервалами в миллионные доли секунды. Этого достаточно для изучения поведения довольно большой трещины, движущейся относительно долго. Ну, а если нас интересуют тонкие особенности разрушения, скажем, на протяжении одной десятой или стомиллионной доли секунды? Тогда покадровая съемка бесполезна из-за своей относительной медлительности, нужны более тонкие дробления времени. К счастью

(А. Церетели)

Поэтому вращающимся зеркалом просто разворачивают изображение на неподвижную пленку, без промежуточных линз. Теперь уже не до качества и не до объемного изображения трещины. Получают лишь ее тень. Зато скорости регистрации сразу подскакивают в сто раз. И мы уже различаем временные промежутки в одну стомиллионную долю секунды.

Ну, а если и этого мало? Тогда есть еще один путь. Читатель знает, что лазер сегодня превратился в подлинного труженика науки. Помогает он и здесь. Длительность свечения лазера может составлять одну миллиардную секунды. Включенный в определенный момент времени, лазер создает однократное изображение летящего объекта за это время. Так снимают полет пули, снаряда, метеора или ракеты. Если нужны не один, а много последовательных снимков, то устанавливают несколько лазеров, срабатывающих с помощью электроники последовательно через заданные промежутки времени.

Полбеды, как мы видим, если трещина сечет прозрачный материал. А если она растет в стали? Как быть тогда? Сегодня для этого случая существует, пожалуй, один отработанный метод – скоростная съемка в рентгеновских лучах. Проблема заключается в том, что рентгеновские лучи не преломляются и не «соблюдают» привычный для света закон: угол падения равен углу

отражения. Поэтому развернуть рентгеновскую тень движущегося предмета вращающимся зеркалом невозможно.

Поступают так. Устанавливают несколько импульсных рентгеновских трубок со временем испускания рентгеновского луча в одну миллионную долю секунды. Лучи от каждой трубки создают тень объекта и дают изображение на своей пленке. Трубки срабатывают поочередно, и мы получаем пять-шесть отдельных кадров процесса, происходящего внутри металла. Таким способом изучают проникновение снаряда в броню или форму фронта трещины в стали.

Не слишком ли все это сложно для простой трещины? Нужно ли?

Да, нужно. Хорошо известно со времен Спинозы, что «невежество не есть аргумент». В нашем же отношении к трещине оно было бы попросту преступным.

Достаточно вспомнить те беды, которые может принести с собой разрушение, чтобы стремиться узнать о трещине все: и время, и место ее рождения, и ее «родителей», и условия роста, и характер. Для всего этого нужны и методы, и инструменты.

А. Вознесенский