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

АКТИВНОЕ И ТВОРЧЕСКОЕ СОВЕРШЕННОЛЕТИЕ

Мы только что кончили разговор почти на оптимистической ноте. И, казалось, для этого были все основания – металл-то не разрушился. А те трещины, которые в нем были или образовались в процессе деформации, представлялись нам если не «милыми», то во всяком случае и не слишком страшными. Самое большее, что мы себе позволяли, – это академически благодушный вопрос:

Что же там за этим летом, в мире ТАМ, в стране ПОТОМ?..

(Р. Казакова)

Между тем, наша ошибка была почти стандартна. Для все нас смерть – событие далекого будущего. А ведь еще Сенека говорил, что большая часть смерти уже наступила: то время, что за нами – в ее владении. Поэтому все, что происходило при зарождении трещины и медленном докритическом ее подрастании было не только преамбулой, но, что гораздо страшнее, фундаментом наступающей катастрофы.

По мере подрастания докритической трещины в окружающем материале протекает пластическая деформация, ведущая к упрочнению металла. Особенно актиз-

на она в вершине медленно и как бы неуверенно ползущей трещины. Помимо этого, продолжается процесс создания новых трещин и рост основной из них осуществляется среди моря многих мелких. Это вводит в игру совершенно новый процесс – пожирание магистральной трещиной других, небольших трещинок, благодаря чему подрастание трещины ускоряется. Докритическая трещина то медленно семенит, поглощая дислокации своей вершиной, то совершает небольшие прыжки, заглатывая другие, поменьше. И все же пока еще скорость роста мала- лишь несколько миллиметров в час. Конструкция пока что жива и на вид здорова. Но поток энергии из ее напряженного массива плывет к трещине и обменивается на процессы необратимой деформации, готовящие металл к неизбежному. Все это время конструкция сопротивляется внешнему нагружению, несет свою службу.

Но вот процесс достиг такой стадии, когда объем металла вокруг трещины за счет пластической деформации упрочнился до предела. Это сразу же «благотворно» сказалось на трещине. Во-первых, она теперь движется в материале с огромным числом дислокаций одного знака. Во-вторых, кристаллиты материала пришли в движение как льдины во время ледохода – они разворачива-

ются в вершине трещины; подставляют свои уязвимые кристаллографические направления атакующему разрушению. Количество мельчайших трещин стало настолько большим, что магистральная «хватает» их направо и налево, все более темпераментно прыгая при этом из стороны в сторону. И хотя говорят, что двумя ключами нельзя открывать одну дверь, здесь дверь, охраняющую прочность металла, открывают едва ли не тремя ключами одновременно. Все это означает: трещина приближается к критической ситуации.

Наконец, трещина выросла до граффитсовских размеров. Значит, начиная с этого мгновения вся поступающая из напряженной конструкции упругая энергия осваивается трещиной и только ею. Кончились активные прежде процессы деформирования окружающего объема, насыщения его дислокациями, разворот зерен и прочие. Теперь они если и протекают, то только в непосредственной близости от вершины и ее полостей – из главных стали второстепенными. Лишь ничтожной части упругой энергии конструкции достаточно, чтобы скомпенсировать теперь более чем скромные «пластические» аппетиты трещины; основной поток энергии идет на разрыв межатомных связей в вершине. Теперь уже процесс становится либо подлинно хрупким, либо, как говорят механики, квазихрупким, то есть ложно хрупким. Тем самым подчеркивается мысль, что пластическая деформация хотя и существует, но решающей роли уже не играет.

Говоря словами А. Блока, «…Вот срок настал. Кры-лами бьет беда»… Трещина начинает стремительно разгоняться. Трудно себе это представить, что делает она это с оперативностью, которой позавидует даже ракета ПВО. Ускорение трещины достигает ЫО8 м/с2, что в 10 миллионов раз больше ускорения земного тяготения. Это, например, означает, что за тысячную долю секунды трещина способна развить скорость в 3 км/с. Из вялого увальня в мгновенье ока она превратилась в неудержимого спринтера, перелетела из области физики в область чистой механики и… перенесла нас туда. А ведь это не просто – оторваться от привычных нам теперь дислокаций, вакансий и дислоцированных атомов. Это означает вернуться в «будничный» мир макроскопических явлений и процессов. Это означает резкое изменение не только масштабов, но и направления мыш-

ления. Это означает, наконец, совершенную необходимость для нас увидеть романтическое и яркое «в неинтересной» нам механике.

…То, что казалось третьестепенным, сглаженным, тусклым, плавным, – вдруг вознесло свои башни и стены и оказалось главным. То, что казалось школьным, настольным, скучным, отжившим, давним. – вдруг оказалось краеугольным камнем…

(Я- Белинский)

В чем же проявляется господство механики на последнем этапе закритического разрушения? Прежде всего в надструктурном его характере. В стали, например, имеется несколько составляющих-феррит, цементит, перлит. Быстрая трещина как бы не замечает этого – она сечет все эти составляющие, не разбирая. Далее, когда трещина приобретает достаточно большую скорость, исчисляемую километрами в секунду, практически все известные нам материалы и вещества становятся хрупкими. Неудивительно, если речь идет о стали. Но вот плексиглас – вещество не особенно хрупкое, раскалывается быстрой трещиной как орех. Да что плекси-

глас, налейте жидкий кислород в обычную калошу и она будет ломаться, обвисая кусочками резины на тканевой подкладке.

Вы можете возразить: но ведь для этого желательно интенсивное охлаждение? Да, но даже при комнатной температуре можно построить опыт так, чтобы резина раскалывалась как стекло. Просто для этого нужно разогнать трещину.

Первую группу великолепных опытов еще до войны провел ленинградский физик М. И. Корнфельд. Он стрелял в обыкновенную струю воды. И оказалось, что пуля в полном смысле слова раскалывала воду. Последняя рассекалась не столько пулей, сколько возникающими трещинами и разлеталась на «осколки». Следовательно, даже жидкость можно колоть трещинами, если скорость приложения нагрузки достаточно велика. Ясно поэтому, что и сливочное масло можно было бы «рубить» пулей и трещинами. Впрочем, вы это знаете. Достаточно вспомнить, как ломается хорошо замороженное масло под тупым ножом. Таким образом, в механике структура материала уже не так важна – это обстоятельство отступает на второй план. Важнее некоторые макроскопические свойства вещества – его прочность, вязкость, мо-

дуль упругости и другие. Что касается дислокаций и иных дефектов, то они уходят в тень. И тогда разрушение самых различных материалов, металлов, монокристаллов, минералов, аморфных тел и… даже жидкостей происходит по некоторым общим законам, явно и недвусмысленно пренебрегающим физическим строением вещества и опирающимся на чисто упругие его характеристики.

Вот вам и характер трещины. При зарождении и медленном подрастании ею «руководит» физика. Зато в за-критическом своем состоянии она подчиняется механике.

Самым ярким доказательством этого являются предельные скорости распространения быстрых трещин. Почти все теоретические исследования в этом направлении выполнены механиками разных стран и их можно разделить на несколько групп. Прежде всего классическими исследованиями Гриффитса показано, что скорость трещины, которую можно было бы ожидать после потери трещиной устойчивости, способна достичь скорости звука. Сразу же скажем, что эксперимент этого не подтверждает. Но вряд ли от этого трещина, разрушающая подчас ценнейшие труды, становится менее страшной.

Вторую группу работ начал англичанин Невилл Френсис Мотт. Пожалуй, это единственный известный физик приложивший руку, и кстати с успехом, к закри-тической стадии роста трещины. Он, а затем Роберт Уэллс и другие более трезво оценили потолок скорости «сорвавшейся с цепи» трещины: они полагают ее в пределах 0,38-0,40 скорости продольных звуковых волн. Для стали, например, это 2000-2200 м/с, а для монокристаллов, алмаза и того больше: 6000-7000 м/с. Вот каков спринтер! Да, пожалуй, не только спринтер, но и необычайно «выносливый» стайер.

Писатель Г. Честертон рассказывает о древней мусульманской легенде. Некий султан повелел построить пагоду, которая вознеслась бы превыше звезд небесных. «…Но Аллах поразил его громовым ударом, от которого разверзлась земля, и он полетел, пробивая в ней дыру, все вниз, вниз, до бесконечности, отчего в ней образовался колодец без дна, подобно задуманной им башне без вершины. И вечно низвергается с этой перевернутой башни душа султана, обуянная гордыней…»

Трещина может поддерживать скорость так же неограниченно долго. Лишь бы разрушаемое тело было боль-

шим и поток энергии из его объема или от прикладываемой нагрузки продолжался пока трещина находится в пути, быть может даже в очень долгом.

Третья группа исследований появилась благодаря первооткрывательской работе Элизабет Иоффе из Великобритании. Было показано, что при скоростях трещины, равных 0,6 скорости поперечных упругих волн, наступает ветвление. Это явление и соответствующая ему скорость были приняты Иоффе за предельно возможную скорость роста трещин. Многие авторы позднее просчитывали идею Иоффе и получили цифры от 0,53 до 0,794 скорости поперечных волн. Для стали получаются значения ритма трещины примерно от 1600 до 2000 м/с. Таким образом, они пониже предельных скоростей по Мотту. Основной «грех» этих работ состоит не столько в не вполне правильном определении скорости, сколько в том, что ветвление не прекращает распространения трещины, а лишь открывает новую дверь разрушению. Дверь эта такова, что после прохождения в нее трещины исправить уже ничего нельзя. Если при быстром, но обычном разрушении конструкция раскалывается на две части, которые все-таки можно как-то соединить, сварить, скажем, то после ветвления деталь превращается в ворох осколков. Их и собрать-то порой невозможно.

…Так и природа, доведя До совершенства всякое свое,

(Дж. Леопарда)

Четвертая группа исследований отождествляет максимальную скорость роста трещины со скоростью рэле-евских волн. Что это за волны? К нашему несчастью, мы с ними хорошо знакомы. Вот произошло землетрясение. В очаге его возникают упругие колебания-продольные, поперечные и поверхностные. Если первые и вторые бегут по толще Земли, то третьи распространяются только по ее поверхности. При этом точки на поверхности движутся по эллипсам. В общем, это те же самые волны, которые возникают на поверхности воды, но их проявления более разнообразны. Например, поверхностные волны могут мчаться по дну океана, между двумя плотно соприкасающимися массивами. Главное их отличие от продольных и поперечных заключается в том, что поверхностные волны очень слабо затухают. Продольные и поперечные перемещаются в объеме и поэтому гаснут обратно пропорционально кубу расстояния. А поверхностные – обратно пропорционально квадрату. Поэтому с расстоянием продольные и поперечные из игры выходят, а поверхностные остаются и несут разрушительную энергию землетрясения, произошедшего где-то на другом конце земного шара.

Вот с этими-то волнами и связывают предельные возможности трещины. Абсолютные значения скорости рэ-леевских волн в стали составляют примерно 3000 м/с. Г. И. Баренблатт считает, что если трещина добралась до этого предела, то возникает какое-то резонансное состояние, при котором она невосполнимо теряет свою энергию, хотя и продолжает «систематически» получать ее из деформированного объема. Трещина выступает таким образом в роли мота и транжира, тратя неизмеримо больше, чем получая. Автору этой книги кажется, что механизм здесь иной. Растущая трещина разряжает энергию, накопленную в объеме. Последняя стекает на полость трещины и преобразуется в поверхностные волны. Они-то и транспортируют энергию в вершину трещины. Если снабжение вершины трещины энергией осуществляется поверхностными волнами, то сомнения как-будто отпадают и можно ощутить причинную связь

между скоростями рэлеевских волн и трещины. Беда лишь в том, что пока замкнутое кольцо перетока энергии прямо не доказано ни экспериментально, ни теоретически, хотя рэлеевские волны на полостях трещины обнаружить и удалось.

А что говорит опыт о скоростях, которые способна развивать трещина? Прежде всего трещина достигает предельной скорости не сразу. Она сначала разгоняется. Быстро, но разгоняется. Причем тем оперативнее, чем выше приложенные напряжения. Вероятно, можно считать установленной прямую связь между скоростью трещины и потоком упругой энергии, поступающей в ее вершину. На этапе разгона скорость разрушения определяется поэтому условиями опыта-напряжениями, размером образца, скоростью приложения к нему внешней нагрузки и многими другими. Иное дело, когда трещина выходит на предельные скорости. На стали, например, они колеблются от 2000 до 2600 м/с. Это скорости практически не зависят от природы разрушаемого тела и определяются только упругими его характеристиками. Например, на сталях разного состава они близки друг к другу. Хотя пластичности различных сталей серьезно отличаются друг от друга, на скорость звука их значения не влияют. А предельные скорости разрушения в конце концов представляют собой ту или иную долю звуковой скорости. Неудивительно поэтому, что быстрая трещина способна достичь одинаковых предельных скоростей и в стали СтЗ, и в высокоуглеродистой стали ШХ15, и в закаленной стали и даже… в стекле. Поведение трещины при критических скоростях обезличивает материалы и потому вызывает в нас внутренний протест. Но ничего нельзя поделать – таковы законы природы и надо жить в соответствии с ними.

(И. А. Бунин)

Из всех оценок скорость трещины, достигающая рэлеевских волн, – наибольшая. Разогнать до такого ритма трещину трудно, но можно. Автору удалось его сделать лишь в одном случае-при импульсном нагружении. Надеяться на подвод энергии из объема нагруженного образца не приходилось. Поэтому в непосредствен-

ной близости от возникающей трещины взрывали небольшой заряд взрывчатки. Именно его энергией и определялся рост трещины в первые микросекунды после взрыва. И на стекле, и на стали на непродолжительное время трещина умудрялась развивать скорости до 3000 м/с. Вот уж воистину, как заметил шведский журналист Л. Бьорг, «иной раз благодаря хорошему пинку, мы обретаем крылья». Лишь только волна, возникшая в очаге взрыва, обгонит трещину, стремительный рост приостанавливается и разрушение распространяется со скоростями «моттовскими» примерно 2200-2600 м/с.

Таким образом, как будто с рэлеевскими волнами действительно связаны предельные возможности движения трещины. Недавно это было еще и экспериментально подтверждено Л. М. Лезвинской и автором этой книги. Оказалось, что поток энергии из объема разрываемого металла подтекает не буквально в вершину трещины, а, как это не удивительно, в зону перед трещиной. С ростом скорости поток, снабжающий трещину, распределяется по все расширяющейся области перед устьем. Все большее количество энергии «промахивается» мимо вершины и тем самым устраняется от разрушения. При предельной скорости, равной рэлеевской, почти вся энергия в вершину не попадает, а убегает в пространство.

Длительное время точка зрения о рэлеевском барьере преобладала. Правда, складывалось впечатление, что если бы удалось осуществить энергоснабжение вершины трещины каким-либо другим способом со скоростью, превышающей рэлеевскую, образование трещины можно было бы ускорить и достичь сверхрэлеевских скоростей. Но прямо осуществить это было трудно. Сенсацией прозвучали в 1970 году работы зарубежных ученых С. Винклера, Д. Шоки и Д. Каррена. Они направили световой импульс рубинового лазера на кристалл хлористого калия. При этом в очаге поражения вещество превратилось в плазму с температурой в миллион градусов, расширяющуюся со скоростью в десятки километров в секунду. По фронту плазмы возникла трещина. Плазма проникла в ее полость и создала своеобразный клин, разгоняющий трещину. Скорость распространения оказалась удивительной – 60 км/с, то есть в 10-15 раз превысила скорость звука! Почему же это оказалось возможным? Но прежде надо объяснить, почему это было невозможным ранее.

Когда мы прикладывали нагрузку и растягивали образец, трещина получала энергию опосредованно – через материал деформированного образца. А он мог пропускать поток волн напряжений в лучшем случае только со звуковой скоростью. При нагружении же лазером энергия плазмы прикладывается непосредственно к вершине трещины. Отсутствие посредника позволяет накачивать энергию с неограниченной скоростью и, таким образом, разогнать трещину, как показывают расчеты, в 25 раз быстрее, чем скорость звука. Интересно здесь то, что материал перед клином «не предупрежден» о приближении трещины до тех пор, пока не подвергнется непосредственному удару. Речь идет не об обычном разрушении, а о своего рода сверхзвуковом течении твердого тела вокруг горячей плазмы и трещины.

На этом надо бы и окончить этот раздел. Но я хотел бы поделиться с читателем тем чувством, которое охватило меня много лет назад, когда я начинал свою работу. Каждый раз, когда моя кинокамера, хороший и надежный прибор, – приносила новые и новые цифры ошеломляющих скоростей разрушения, каждый раз, когда я читал статьи о сумасшедших скоростях трещины, мне казалось, что мало найдется сил, способных остановить это торжество бессмысленности и хаоса. Но на самом деле учеными разных стран уже был заложен крепкий фундамент в основание науки о прочности.