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

НЕПРАВИЛЬНОСТИ ДЕЙСТВУЮТ ПРАВИЛЬНО

Все методы и средства, которые мы рассматривали до сих пор как инструменты торможения разрушения, объединены одним – они макроскопичны. Кроме того, по существу мы совершали насилие над металлом, останавливая в нем трещину упругими волнами, температурными и упругими полями, наконец, другими трещинами. Единственным исключением были композитные материалы. Мы «дали им право высказаться», чтобы услышать «мнение» самого материала. Но, конечно же, оно было неполным, потому что обычные металлы не приняли участия в дискуссии. Между тем их «взгляды» далеко небезразличны нам. Ведь у кристаллов есть свои возможности торможения трещин. Свои резервы. И немалые. Что же может противопоставить кристаллический материал трещине? Свою прочность? Да, но это слишком собирательный и потому ничего не выражающий термин. Свою пластичность? Безусловно! – но уж слишком это общо.

Подлинное, «искреннее самовыражение» металла в его отношении к разрушению проявляется в тех реальных барьерах, которые он может выставить на пути разрушения. Образно говоря, каких солдат, какие полки и дивизии способен противопоставить металл наступающей колонне вражеских трещин? Этим войскам самообороны металла являются шеренги и скопления его дефектов. Состоит эта армия из солдат – дислокаций. Именно они, эти воинские группировки металла, должны принять на себя первый удар зарождающейся, а потом растущей трещины.

Итак, внутренние дефекты материала – вот основная

надежда его на прочность. Обратимся к королеве дефектов – дислокации. Мы помним, что существуют дислокации-сестры – краевые и винтовые. Опыт показал, что отдельная краевая дислокация и трещина совершенно безразличны друг к другу.

Они взаимно холодны и тогда, когда трещина пересекает краевую дислокацию. Совсем по-иному складываются отношения разрушения с винтовой сестрой. Дело в том, что эта дислокация закручивает кристалл в спираль. Значит, каждая кристаллографическая плоскость превращается тоже в спираль. Не избегает этой судьбы и плоскость разрушения. А там, где есть спираль, появляется и порог, соединяющий части плоскости с различным уровнем. Как говорят физики, при взаимодействии трещины с винтовой дислокацией возникают ступеньки. Но это – лишняя поверхность, а следовательно, дополнительная поверхностная энергия. Для образования ступеньки трещина вынуждена заимствовать упругую энергию из «банка», председателем и учредителем которого является разрушающая сила. Значит, преодоление трещиной винтовой дислокации требует дополни-

тельных усилий, хотя и очень малых. Если на пути разбойницы-трещины встречается одна винтовая дислокация, то она, конечно, не сможет оказать достойного сопротивления. По-иному обстоит дело, если дислокаций легионы. Тогда они превращают парадное шествие трещины в судорожные скачки с ухаба на ухаб. Для преодоления сопротивления маленьких, но многочисленных противников трещина вынуждена тысячи раз обращаться в «банк» за субсидиями. Между тем возможности «банка» ограничены. И запасы валюты – энергии – у него скудеют. При достаточно большом числе винтовых дислокаций рано или поздно наступит момент, когда банк обанкротится и трещина, в мгновенье ока, потеряв свою ретивость, остановится – она ведь всегда живет в кредит.

А много ли для этого нужно дислокаций? К сожалению, неисчислимо много – миллиарды, миллиарды и миллиарды. Далеко не всегда такое количество их имеется в распоряжении металла. Поэтому слишком надеяться на этот вариант торможения трещин в металле не следует, хотя свою положительную роль он, безусловно играет.

У нас могло сложиться впечатление о «трусости» краевой дислокации – ведь она «уклоняется» от боя с трещиной. Да, но только потому, что мы потребовали от нее сражаться определенным видом оружия, скажем, на рапирах. Между тем она сильна в другом: ее коронный номер – «классическая борьба». Каждая краевая

дислокация создает в окружающем ее пространстве упругие поля сжатия и растяжения. Первого трещина боится, второе любит. Поэтому, если краевая дислокация повернется к трещине своим щитом – полем сжимающих напряжений – трещина вынуждена будет приостановиться. Однако, так же как ее сестра – винтовая дислокация, краевая с таким хищником как трещина в одиночку не справится. Совсем по-другому протекает «раунд» с трещиной, когда краевые дислокации объединяются, противопоставляя опасности свою коллективную силу. Тогда они способны создавать обширную линию обороны, на всем протяжении которой существует мощное поле сжимающих напряжений. Обойти его трещине не удается, она вынуждена взаимодействовать с ним, серьезно притормаживая. Помните А. Межирова?

Встали в ряд. Поперек дорога Перерезана. – Тормози.

Какие же объединения дислокаций имеются в виду? Прежде всего, дислокационные границы.

Хорошо известно, что простейшая такая граница – это вертикальный ряд краевых дислокаций. Расстояние между дислокациями, стоящими в затылок друг к другу, тем меньше, чем на большие углы развернуты кристаллы по обе стороны границы. Сплотившие свой ряд дислокации напоминают строй римских воинов – черепаху. Сплошной массив из щитов с частоколом копий встречает враг. Примерно так же окружают себя дисло-

нации стеной полей сжатия, слившись в один ковер. Да еще в два ряда. На расстояниях в 1000 мкм образуется поле внутренних напряжений, возникших при кристаллизации различно ориентированных зерен, а вблизи самих дислокаций – собственное упругое поле, простирающееся всего на несколько межатомных расстояний.

Даже такая однородная граница между субзернами в монокристаллическом материале способна влиять на медленную трещину. Но задержать быструю она не может. Зато в поликристаллической стали зерна развернуты столь капитально, что иногда представляют собой множество подобных рядов. Если угол, составляемый соседними зернами, достигает 30°, такая граница непобедима, пробиться через нее трещина не в состоянии.

Параллельные ряды «римских черепах» останавливают трещину, идущую с любой скоростью и питающуюся любой упругой энергией. Если граница имеет винтовую природу (граница скручивания) и «сооружена» из винтовых дислокаций, то она еще прочнее. Понятно: ведь помимо того, что работают упругие поля дислокационных стенок, любой прорыв сопровождается возникновением ступеней, а это – дополнительные потери энергии. Поэтому уже 20-градусная винтовая граница – барьер совершенно непреодолимый для разрушения.

Вот как обстоят дела, когда мы проводим опыты в лаборатории с единственной границей между двумя кристаллами. Физики называют такую пару бикристаллом. Но в повседневной практике все сложнее – ведь сталь в конечном итоге неизбежно разрушается трещиной. А реальная сталь – это десятки и сотни тысяч, кристаллов. Каким же образом происходит «разгром» детали? Как

…Сквозь леса из кристаллов он держит свой путь напролом?..

(В. Шефнер)

Прежде всего разориентированы эти тысячи кристаллов по-разному. Огромное их количество едва развернуто по отношению друг к другу. Многие – на большие углы. Для такого опытного разрушителя, как трещина, возникают неограниченные возможности. Допустим, в этот момент ее противник – малоугловая граница. Прорыв происходит относительно легко, а раскол выходит на широкоугловую. Удар, еще атака… Прорыв не удал-

ся. Но трещина находится под непрестанным давлением внешних напряжений. Если она медленная, то у нее есть время для «артподготовки». Она начинает деформировать металл в своей вершине, насыщает его дислокациями, меняет его структуры, разворачивает кристаллиты перед собой и в конечном итоге прорывается через изувеченный материал. Если времени у нее нет, она поступает по-другому. Быстро разворачивается и идет к другой границе кристаллита, более удачно ориентированной. Мы уже говорили о «беспринципности» трещины – огромной ее маневренности и способности легко менять свою траекторию. Именно это она и делает. Своеобразный метод проб и ошибок. Быстро «накапливая» опыт, который по выражению восточного мудреца чаще всего – дитя ошибки, трещина находит уязвимое место в обороне поликристалла и прорывает одну его границу за другой. Конечно, трещина не только не существо, но даже и не вещество; поэтому говорить о каком-то гуманоидном опыте можно лишь в риторическом смысле. Физически это выглядит примерно так. Встретившись с барьером и не пробив его, трещина вынуждена развернуться и перейти на ближайшую по углу плоскость спайности кристалла. Происходит что-то вроде того, как если бы вы слишком сильно нажали на перо. Оно бы изогнулось, потеряв устойчивость. Так же изгибается и трещина, но на вполне определенный угол. Теперь уже она давит на другой участок границы. Иногда в удачном для нее месте произойдет прорыв. В неудачном – очередной разворот. Трещина как бы прощупывает различные участки границы, пока не находит самый уязвимый. В конечном итоге статистика (муза итогов!) оказывается иногда на стороне торжествующего разрушения. Уж очень разно-прочен стальной массив. Много в нем малоугловых лазеек для трещины.

Вот бы перекрыть их! В этом отношении немалые надежды подают нам точки, где сохранятся воедино границы трех зерен. Они оказываются крепкими орешками для любой, в том числе и для предельно быстрой трещины. Причин этому несколько. Прежде всего тройной стык – это три «вертикальных» ряда дислокаций, сошедшихся в одну точку. Надо сказать, что до сих пор мы не знаем, что происходит в этой самой точке. Каковы там перемещения атомов, что произошло с кристаллической решеткой? Поэтому нельзя сказать что-либо определенное

о природе взаимодействия трещины с самим тройным стыком. Зато ясно, что происходит при малейшем удалении от геометрической точки стыка. Тройной узел окружен двумя сортами напряжений. Термическими и упругими – от собственно дислокаций в стенках. И те, и другие гораздо больше, чем у простой границы. И что немаловажно, они простираются значительно дальше. Например, поля напряжений от дислокаций занимают в 10 раз большее пространство, чем у обычной стенки. Неудивительно, что напряжения эти, начиная действовать раньше, вызывают больший эффект торможения. Но это не все. Поле напряжений в окрестностях узла настолько сложное, что трещина, привыкшая в обычном монокристалле к расположению только по плоскости спайности, здесь «теряет свое лицо». Она распадается на множество мельчайших трещинок, способных размещаться даже не в спайности! Она вынуждена круто разворачиваться, описывать криволинейные пути, ветвиться. Словом, от монолитной трещины мало что остается. В этих условиях трещина, испытывающая, по выражению О. Мандельштама, «голод по рассеченному пространству», превращается из хищника в жертву. Она напоминает впервые оседланного дикого мустанга, взмыленного, мчащегося в облаке пыли по кругу. Он еще надеется разорвать удила, но уже навсегда потерял свободу. В нем еще буйствует сила разрушения и зла, но он уже неспособен обрушить ее на людей.

Неудивительно поэтому «повальное» торможение трещин на стыках трех зерен. Вот только относительно редко «напарывается» трещина на сам стык. Чаще, гораздо чаще она проходит стороной и не испытывает на себе его влияния.

Однако дислокации могут выстраиваться не только в затылок друг к другу. Они не прочь стоять и шеренгами «плечо к плечу», словно бы крепко взявшись за руки. Так, они расположены в плоскостях скольжения. Экстраплоскости всех этих дислокаций направлены зачастую в одну и ту же сторону. Иначе говоря, они могут быть одного знака. В этом случае по одну сторону плоскости скольжения преобладают напряжения сжатия, а по другую – растяжения. Ясно поэтому, что если трещина подходит к полосе скольжения со стороны сжатия, она обязана притормаживаться. В противном случае может и ускориться. Однако, пройдя такую полосу, трещина

опять попадает в область сжатия… Опыты показывают в целом благоприятное тормозящее влияние полос скольжения любой ориентации на трещину. Разрушение, как и в случае межзеренных сочленений, теряет монолитность и распадается на множество мельчайших трещинок, поворачивает вдоль полосы и распространяется параллельно ей. А в отдельных случаях способно даже поворачивать назад! Чтобы прорвать полосу скольжения, трещине совершенно необходимо занимать и тратить упругую энергию.

Трещина гибельна лишь для одной или нескольких полос скольжения. Системы, содержащие десятки и сотни полос, ее не боятся и способны остановить. Особенно устойчивы пачки, состоящие из пересекающихся полос скольжения. Здесь образуются настолько мощные поля сжимающих напряжений, что даже закритическая трещина часто не в состоянии их преодолеть.

В 1934 году советские физики Н. А. Бриллиантов и И. В. Обреимов обнаружили в кристаллах ЫаС1 области с очень большим разворотом кристаллической решетки и назвали их иррациональными двойниками. Вокруг этого термина разгорелась дискуссия, потому что выяснилось: с двойникованием эти дефекты не имели ничего общего. В. Л. Инденбом и А. А. Урусовская доказали, что «двойники» Бриллиантова-Обреимова связаны с пластической деформацией. Дислокационные процессы лежат в корне этого дефекта. Выяснилось, что из-за неоднородности напряженного состояния поперечное сечение кристалла деформировалось неодинаково. В результате множественных сдвигов образовался взаимный разворот смежных областей кристалла на углы в несколько градусов. Возникающая при этом дислокационная структура в некотором отношении подобна структуре, образующейся при одновременном сдвиге по различным пересекающимся плоскостям скольжения. И опыты, и расчеты показали, что вокруг и внутри полосы Бриллиантова-Обреимова существуют весьма мощные поля сжимающих напряжений. Мы уже знаем, что это дает надежду на тормозящие свойства дефекта. Интересна и такая деталь. Полоса «умудряется» тормозить трещину не только перед собой, но (в случае прорыва) и за собой: что-то вроде приема древних греческих воинов – лечь на землю и, прикрываясь щитами, пропустить вражескую конницу. А затем ударить ей в тыл. Физический же смысл

этого явления здесь понятен. Полоса Бриллиантова-Обреимова создает сжимающие напряжения как впереди себя, так и позади. Неудивительно поэтому, что полосы эти почти не имеют себе равных по влиянию на трещину. Если одна из них задерживает быструю трещину на 20- 30 мкс, то две-три останавливают разрушение при любых скоростях его распространения. Говоря о дефектах, способных остановить раскол, нельзя не упомянуть так называемый сброс. Термин этот геологический и означает он смещение одной части поверхности земли по отношению к другой. Причем смещение идет по высоте, и по простиранию, то есть вдоль поверхности. Металло-и кристаллофизики переняли этот термин и придали ему следующий смысл: плоскости скольжения кристалла должны превратиться в плавно изгибающуюся ступеньку.

Как же осуществить это на практике? Очень просто. Пусть на одной половине плоскости скольжения скопятся дислокации одного знака. Тогда плоскость изогнется выпуклостью в сторону «торчащих» экстраплоскостей. А на второй половине плоскости скольжения пусть столпятся дислокации противоположного знака. Очевидно, там кривизна будет противоположной. Так образовались две полочки сброса. Теперь остается соединить их наклонной плоскостью без дислокаций и сброс «готов». Размеры сбросов в кристаллах типа цинка исчисляются миллиметрами. В обычной стали они намного меньше – измеряются десятками и сотнями микрон. Углы разворота материала в полосах сброса могут быть довольно значительными и достигать 30-40°. Плотность дислокаций в сбросе очень велика – до 10 млрд. на 1 см2.

Как же взаимодействует такой 5-образный сброс с трещиной? По-вражески. Еще на далеких подступах он задерживает трещину, «выставляя» против нее поля сжимающих напряжений. Эти же поля действуют и в сердцевине сброса. Из-за их чрезвычайной сложности трещина, проникшая в ядро сброса, движется ступеньками, распадается на мелкие трещинки. Часто она останавливается и создает перед собой вторичные дочерние трещины. Потом, объединяясь с ними, проскакивает вперед и так далее. Словом, это не развернутое шествие, а тяжелая работа, требующая большого запаса упругой энергии и времени. Итак, сброс – это серьезное препятствие на пути трещин – и медленной и быстрой.

Пора подвести итог. Что же общего во влиянии на

разрушение со стороны отдельных дислокаций, полос скольжения, межзеренных сочленений, полос Бриллиан-това-Обреимова и сброса? Ведь дело не в отдельных, может быть иногда и случайных фактах, событиях, результатах экспериментально. Важно ответить на вопрос: в чем их корень? Корнем этим являются дислокация и ее упругое поле. Причем не растягивающая и сдвигающая его компоненты, а только поле сжатия. Именно оно в первую очередь и сражается с трещиной. Немалую роль играет и сама линия винтовой дислокации.

Следовательно, первые «бойцы», встающие на пути трещины и способные оказать ей сопротивление, – это дефекты кристаллической решетки. Поэтому металл с высоким сопротивлением разрушению должен содержать определенный набор этих неправильностей, расположенных к тому же определенным образом.

Читатель может задать каверзный вопрос: а как же быть с носителями предельной прочности – усами? Или с монолитными монокристаллами, начисто лишенными дислокаций?

Боюсь, что ответ будет неутешительным. Образование в таких материалах дислокации или зародышевой трещины затруднительно. Но что касается роста в них уже существующей трещины… Он пойдет очень быстро и легко. Практически разрушение бездислокационных монокристаллов, уж если оно началось, протекает как у весьма хрупкого тела. Это неудивительно, потому что такой амортизатор, как пластическая деформация, отсутствует. Вот уж действительно, в поисках высокого сопротивления растущей трещине нам следует уподобиться персонажу сатирика Ф. Кривина – Жабоногу:

Каждый ищет, где лучше, а Жабоног ищет, где хуже. Дайте ему соленую воду, дайте ему самую холодную воду или даже горячую воду, и это как раз ему подойдет.

Потому что все ищут, где лучше, а когда все ищут, где лучше, тогда там, где лучше, становится хуже всего. Чтобы найти, где лучше, надо искать, где хуже, – он это понимает, мудрый, опытный Жабоног»1.

Вот почему в изобретении способов высокого сопротивления, которые можно было бы противопоставить существующей и растущей трещине, нельзя ссылаться на традиционные бездислокационные материалы с прочно-

1 Кривин Ф. Самбо. Туда, где хуже//Крокоднл. 1974. № 22. С. 14.

стью, близкой к теоретически достижимой. Ибо это было бы решением только одной очень важной, но частной задачи – сдерживания зарождения первичной микротрещины. Но если трещина каким-то образом уже появилась, то теоретическая сверхпрочность мало поможет в борьбе. Ведь концентрация напряжений в вершине такой трещины при отсутствии пластичности легко достигает значений теоретической прочности. Поэтому такая трещина и распространяться будет легко. Чтобы справиться с ней, нужны совершенно иные качества кристалла, в частности необходимы дефекты. В этом несовместимом противоречии прекрасного и ущербного, совершенства кристалла, с одной стороны, и его одновременного несовершенства – с другой, и заключается одна из проблем современного конструирования металлов и сплавов.