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

ОТРОЧЕСТВО ТРЕЩИНЫ

Теперь мы знаем о первых мгновениях жизни трещины- от приложения нагрузки до появления зародышевой микротрещины. Следующим этапом ее бурного развития является медленное, как говорят, докритическое подрастание. Имеется в виду то, что на этом этапе своей истории трещина не опасна и полностью контролируема. Ее подрастание возможно лишь при повышении существующих напряжений. Это гарантия того, что разрушение не «сорвется с цепи» и не начнет безжалостно, без разбора крушить металл. Все это не означает, что здесь трещина обязательно микроскопически'мала. Нет. Она при этом может быть достаточно большой, например в стали, – в несколько миллиметров. Но длина ее все же не достигает тех размеров, после которых она перестает зависеть от внешних напряжений. На языке механики это звучит так: трещина меньше гриффитсовских размеров и для ее подрастания нужно подводить к ней больше энергии, нежели дает сама трещина.

Таким образом, докритическая трещина – устойчивая, «спокойная», я бы даже сказал «флегматичная», словом,неопасная.

Однако рано или поздно эта «спячка» кончится и тогда перед нами возникает другая трещина-хищник. Поэтому всплывает вопрос: как же все-таки такая трещина растет?

Ответить одной фразой на этот вопрос нельзя потому, что трещины бывают разные. Читатель уже знает, что трещины делят на силовые и геометрические. Обратимся к первым.

Силовая трещина отличается своей демонстративной независимостью от пластической деформации. Во всяком случае она это «декларирует вслух». Такая трещина представляет собой разрыв межатомных связей в своей вершине. Сначала между первой парой атомов, затем после концентрирования напряжений – между второй, опять собирается с силами – и между третьей… Так этот разрыв и передается от одной пары атомов к другой, как чеховский мираж из «Черного монаха»… «От миража получился другой мираж, потом от другого третий, так что образ черного монаха стал без конца передаваться из одного слоя атмосферы в другой. Его видели то в Африке, то в Испании, то в Индии, то на Дальнем Севере…»1

1 Чехов А. П. Черный монах. Соч. Т. VIII. М.: ОГИЗ, 1947. С. 269.

Ну, а что говорит по этому поводу эксперимент. К сожалению, эксперимент молчит. Потому что очень трудно, хотя, вероятно, и возможно, провести его так, чтобы трещина была начисто лишена признаков пластической деформации. Сегодня – это область, где безраздельно царствуют теоретики. И работают они примерно следующим образом. Рисуют на бумаге кристалл, состоящий, скажем, из 100 или 1000 атомов – эдакую кристаллическую решетку в десять атомов на десять. Выбирают некоторый закон взаимодействия атомов между

собой и «строят» трещину длиной в несколько атомов. А затем с помощью электронно-вычислительной машины просчитывают, каким образом с приложением внешних напряжений изменится равновесие этого вымышленного кристалла и как трещина будет расти, то есть рвать межатомные связи в своей вершине. В этой области работают и отечественные, и зарубежные ученые. Успехи здесь не слишком обнадеживающие, по крайней мере, по двум причинам. Во-первых, уж слишком условны межатомные силы – в действительности они несоизмеримо сложнее. Во-вторых, уж очень мал кристалл, а для большего у сегодняшних машин не хватает памяти. Поэтому надежность получаемых результатов здесь не очень велика.

Некоторые из результатов этой группы работ привели, например, к совершенно удивительному заключению. Оказалось, что, несмотря, на отсутствие изначальных посылок, каким бы то ни было образом связанных с пластичностью, расчеты привели к появлению вблизи трещины… типичной дислокации. Не может ли оказаться, что дислокации, которым «по условиям игры» не место в хрупком разрушении, присутствуют и здесь?

А. Н. Орлов и В. И. Владимиров сообщают об одном механизме подрастания трещин, основанном на сущест-

вовании в кристаллических материалах точечных дефектов. Само определние – точечный дефект – используют в физике для обозначения двух состояний. В первом из них атом сорвался из своего положения равновесия, как говорят, за счет тепловой флуктуации. Это означает, что в процессе теплового движения один из атомов подвергся «согласованной» атаке ряда ближайших соседей и оказался «вышвырнут» в междоузлие. Такой атом, потеряв насиженное место в решетке, переходит на нелегальное положение и бродяжничает по кристаллу со скоростью до 1 км/ч. Его называют дислоцированным атомом, или дефектом по Френкелю. Я. И. Френкель, как, вероятно, знает читатель, был великолепным физиком, исторгавшим лавину идей, одной из которых и была идея точечных дефектов. Вторым точечным дефектом, или так называемым дефектом по Шоттки, является вакантное место, оставшееся после перехода атома из «оседлого» состояния в бродячее. Дефект по Шоттки (вакансия или просто «дырка»--все это синонимы) обладает незаурядным темпераментом и способен двигаться с довольно значительными скоростями – до 10 км/ч, то есть во много раз быстрее дислоцированного атома. Читатель может удивиться, как это движется пустое место? Очень просто! Допустим, в некотором узле существует вакансия. На нее «садится» атом из соседнего узла. Естественно, теперь вакансия оказывается там, где был раньше атом. На это место переходит другой атом – тем самым перемещается и вакансия. Так она и путешествует по атомным узлам как тень ушедших атомов. В этом бтношении кристалл напоминает неполный зал во время концерта. Если программа интересна, зрители стремятся пересесть поближе к сцене; вакансии – пустые места – все дальше от сцены. Бывает и наоборот…

Эти-то два дефекта и приводят к подрастанию микротрещины. Вот как это происходит. В вершине трещины под совместным воздействием термических флуктуа-ций и приложенных напряжений атом вылетает в междоузлие, переходит в статус дислоцированного и диффундирует, то есть медленно, зигзагообразно, как частица в броуновском движении, мигрирует в районы, удаленные от трещины. Процесс этот повторяется неоднократно и вместо атомов в вершине образуются пустые места. Это означает, что трещина подросла.

В случае, когда подрастание трещины определяется вакансиями, конечный результат оказывается тем же самым, но механизм иной. Теперь к вершине трещины течет поток вакансий. Они замещают атомы в устье трещины, обеспечивая ее рост. Различие в том, что первому процессу будет сопутствовать повышение плотности дислоцированных атомов в окрестностях подрастающей трещины, в то время как при вакансионном механизме этого нет, и в том, что второй процесс протекает гораздо быстрее. Но итог один и тот же. С помощью точечных дефектов трещина способна докритически подрастать. Поскольку точечные дефекты «шустры» лишь при достаточно высоких температурах, эти механизмы могут быть активными только при очень малых скоростях нагруже-ния сравнительно легкоплавких материалов. В противном случае высокая температура окажется совершенно необходимой. В целом этот процесс имеет статистический характер. Это означает, что в масштабе микросекунд активность оттока дислоцированных атомов от вершины трещины и притока к ней вакансий будет пульсировать- ведь это диффузионный процесс. Совсем как у Кэррола: «Тут не было «раз, два, три – и вперед!» Каждый начинал бежать, когда хотел, и останавливался тоже, когда хотел. Таким образом узнать, окончен ли бег, было нелегко…» Но при достаточно длительном времени процесса он протекает усредненно монотонно, размеренно.

И все-таки главными являются не эти механизмы. Большой опыт, накопленный и физиками, и механиками, говорит об одном: докритическое подрастание трещин неразрывно связано с пластической деформацией. Связь эта неслучайная – пластическая деформация не только сопровождает и в подлинном смысле контролирует процесс ранних стадий созревания, но, по-видимому, служит его основной движущей силой. Эта обрученность субкритической трещины с пластической деформацией хорошо проявляется во всех дислокационных механизмах «созревания» трещины.

Все они требуют для подрастания трещины поля распределенных дислокаций той атмосферы, без которой субкритическая трещина «дышать» не может, – ведь подрастать за счет упругих напряжений она еще не в состоянии. Поэтому она нуждается в весьма высокой плотности дислокаций – примерно 1010 их на 1 см2. Но

и этого трещине мало. Она весьма разборчива и для своего продвижения вперед требует не любых дислокаций, а только одноименных. Физики говорят, что одним из условий докритического разрушения является пространственное разделение дислокаций, то есть такое положение, при котором в некотором объеме существуют дислокации только (или преимущественно) одного знака. Не слишком ли все это сложно для трещины уи1§аг15, то есть трещины обыкновенной?

Дело заключается в том, что основным методом воздействия дислокаций на трещину является их самопожертвование- дислокации, «вливаясь» в полость разрушения, увеличивают ее. Сама дислокация после этого исчезает. Возникающая трещина расположена при этом так, чтобы приносимая дислокациями «пустота» располагалась по основанию трещины-клина под экстраплоскостями дислокаций. Поэтому-то и небезразлично, какого знака будет дислокация: положительная содействует росту трещины вниз, отрицательная – вверх. Ясно, что если нужно обеспечить устойчивое подрастание трещин, необходимы дислокации одного знака.

Есть ли названия у механизмов роста докритических трещин? Есть, вот они. Механизм Орована, первый из них, опирается на отдельную полосу скольжения, подошедшую к уже существующей трещине и подкармливающую ее сваливаемыми в трещину дислокациями. Оказалось, однако, что дислокаций, атакующих с единственной полосы скольжения, мало. Е. Паркер послал к трещине пачки скольжения, то есть системы из большого числа параллельных линий скольжения.

А. Н. Орлов усложнил картину, рассмотрев продвижение докритической трещины вблизи барьеров, сдерживающих работу дислокационных источников. Это привело сразу же к скачкообразному распространению трещин на самых ранних стадиях их существования. »Ис-портился характер» микротрещин, стал неровным, почти взрывным и тем самым сделал докритическую стадию немного более опасной.

Но если уж говорить начистоту, природа очень помогла нам тем, что у трещины существует период докритического роста. Представьте себе, что его не было бы. Сегодня не вызывает никакого сомнения, что в металлах и любых кристаллах всегда существует большое количество зародышевых микротрещин. Тем не менее материа-

лы обладают определенным иммунитетом по отношению к ним – живут себе с зародышевыми микротрещинами и свой долг по отношению к конструкциям и, следовательно, к человечеству выполняют. Зарождение и подрастание трещин, таким образом, тревожно, но нестрашно. Почему? Потому, что трещины эти докритические, и для того, чтобы они перешли в опасную стадию, неизбежно должен быть пройден медленный путь докритического подрастания.

(Данте)

Таким образом, докритический период – великое счастье для человечества – отсрочка разрушения, предоставленная нам природой. Время для спасения конструкций от аварий.