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

«УБЕЖДЕНИЯ» ТРЕЩИНЫ

Все предыдущее показало нам как бы обреченность детали с трещиной и, я бы сказал, торжество зла. Своего рода апофеозом бессмысленности явилась закритичес-кая стадия разрушения, несущая беду со скоростью в треть космической. На своей завершающей стадии процесс разрушения поражает прямолинейной нелепостью и неудержимостью.

Посмотрим внимательнее в связи с этим на «моральные устои» быстрой трещины. Начнем с того, что не

только при медленном, но и при взрывном разрушении трещина появляется не сразу. Происходит так называемая задержка разрушения. Ее длительность определяется характером нагружения и качеством разрушаемого металла. Для пластичных сталей при очень «нежном» нагружении изгибом она составляет 6500 мкс. При предельно «жестком» взрывном разрушении закаленной стальной полосы задержка всего 10-50 мкс. Природа этого явления сложна и связана в первую очередь с зарождением дислокаций и их движением созданием микротрещины и формированием поля напряжений. Все вместе это, так сказать, «роды» разрушения. Естественен вопрос: зависит ли каким-либо образом последующее распространение трещины от этого первого этапа? Нет! Ибо «мораль» трещины проста – она живет настоящим моментом, идет в том направлении и так, как того требует поле напряжений в данной точке пространства и времени. Она не помнит прошлого. В физике это явление не редкое. Например, когда в какой-то части пространства наложились друг на друга и провзаимо-действовали волны любой природы, их дальнейшее движение происходит так, как будто никакого взаимодействия между ними никогда и не происходило. Существует даже специальный принцип суперпозиции, определяющий это явление. Согласно ему в любом сложном акустическом процессе каждая волна, каждый звук сохраняют свою «суверенность» и всегда могут быть выделены, правда, с теми или иными ухищрениями. «Это как ветер и вода, они движут друг друга, но каждый остается самим собой»1.

Трещина растет в потоке упругих волн, обрушивающемся на нее. Волны подчиняются принципу суперпозиции и заставляют трещину покориться ему. Поэтому в каждый момент своего движения трещина поступает так, как ведет себя «непомнящий родства. Ее поведение диктуется только сиюминутной ситуацией реального поля напряжений. Инерцией и «совестливостью» она практически не обладает.

Ф. Кривин иронически говорит об этом так: «- Помещение должно быть открыто, – глубокомысленно замечает Дверная ручка, когда открывают дверь.

1 Ремарк Э. Тени в раю//Север. 1967. № 9-11.

– Помещение должно быть закрыто, – философски заключает она, когда дверь закрывают.

Убеждения Дверной Ручки зависят от того, кто на нее нажимает»1. Как будто списано все это с поведения «беспринципной» трещины. Мораль ее проста – она живет настоящим моментом, не помнит прошлого и идет туда и так, как того требует поле напряжений.

Невероятная чувствительность быстрой трещины к локальным изменениям упругого поля ведет к сложному явлению, называемому ветвлением. Внешне оно проявляется просто. При достаточно высокой скорости, достигающей в стали 1600-2000 м/с, трещина разделяется на две или три. Каждая из возникших трещин способна распространяться дальше и также ветвиться. Но после каждого акта ветвления трещина теряет свою скорость, иной раз до нуля! Затем следует быстрый разгон до пороговых скоростей – ветвление и опять спад.

Почему же это происходит? Да потому, что упругая энергия, идущая на хрупкое разрушение, тратится на компенсацию поверхностной энергии. Если при обычном разрушении возникают две поверхности, то при ветвлении их уже четыре, если трещина разделилась на две, и шесть, если она распалась на три. Поэтому запасы упругой энергии в микрообъемах материала, прилегающего к трещине, быстро иссякают и трещина гасит скорость, а то и вовсе останавливается. Нужно затем некоторое время, чтобы упругие волны принесли новые порции энергии издалека. Число таких циклов неограниченно, потому что вследствие огромных ускорений трещина развивает скорость молниеносно и на протяжении считанных миллиметров способна ветвиться многократно.

Рождение вторичных трещин всегда связано с искривлением траектории магистральной. Очередность событий при этом такова. Сначала основная трещина «ныряет» в сторону, выбрасывает ответвление, а затем, как бы оттолкнувшись от него, возвращается на прежнюю траекторию. В результате ответвление оказывается направленным по касательной к искривленному участку траектории. Впоследствии вторичная трещина отклоняется на углы до 30-40°.

Элементарный акт излучения вторичной трещины

' Кривин Ф. Сила убеждения. В стране вещей. – М.: Советский писатель, 1961. С. 15

связан, таким образом, с искривлением основной магистральной. Последующее их расхождение обусловлено, вероятно, известной отдачей в соответствии с законом сохранения количества движения. Вместе с тем даже при многочисленных ветвлениях магистральная трещина распространяется сравнительно прямолинейно. Поэтому первичным является искривление трещины, вызванное ее нестабильностью, а излучение – вторичным. И действительно, Элизабет Иоффе показала, что ветвление должно наступать тогда, когда в широкой области перед быстрой трещиной возникают примерно равные напряжения и трещине, в сущности безразлично, куда «бежать». Трещина при этом может легко «заблудиться» и отклониться в сторону. В этих-то условиях испускание ответвленной трещины и способствует спрямлению траектории. Чем-то это напоминает реактивное движение, при котором, выбрасываемое из ракеты вещество может сообщить ей движение в противоположном направлении.

В предыдущем разделе мы говорили, что ветвление открывает совершенно новую дверь в разрушение, новую его страницу.

Необычный это процесс. Иной раз ответвления способны разворачиваться по отношению к основной трещине на 90° и даже идти в направлении, обратном тре-

щине. Особенно часто это наблюдается при взрывном нагружении. Бывает, что трещина растет вдоль растягивающей нагрузки, что почти неправдоподобно. Правда, она в этом случае «влияет», как бы извивается вдоль направления приложенной силы.

Не менее сложны и процессы по фронту трещины. В обычных условиях он довольно полог. То есть трещина ведет наступление на материал примерно одинаково по всему его сечению. Иное дело при ветвлении. С его началом трещина атакует пластину металла двумя колоннами. Фронт ее расщепляется и имеет форму двух лепестков, прилегающих к поверхности. Обе эти трещины на противоположных сторонах образца приобретают при критической скорости значительную самостоятельность, позволяющую им «рыскать» из стороны в сторону и создавать ответвления. Чувствительность их огромна. Они реагируют на малейшие изменения поля упругих напряжений или структуры материала.

Необычайные формы приобретает подчас ветвление в закаленной стали ШХ15. Оно рассекает массив металла на множество крупных осколков. Помимо них, из поверхности разрушения буквально выпадает огромное количество мельчайших металлических щепок сечением иногда в сотые и тысячные доли миллиметра. Эти щепки раскола появляются из-за того, что вибрирующие участки фронта ветвящейся трещины выкалывают их из материала.

Оказывается эта разновидность микроскопических усов встречается при разрушении различных монокристаллов и далеко не всегда связана с ветвлением. Однако в процессе ветвления образование «щепок» носит массовый характер и ведет к появлению усов сколь угодно мелкого размера, возможно до отдельных кристалликов мартенситных игл – тончайших структурных элементов закаленной стали поперечным размером в 10~4-10~5 см. Процесс вибрации фронта трещины, при котором одна или обе поверхностные трещины-лепестки дают ответвления, и является механизмом всего явления. Механизмом – да, но вряд ли его сердцем!

Что касается подлинных причин ветвления, то единого мнения о них пока нет. Хронологически первой является известная читателю точка зрения Элизабет Иоффе, связывающая наступление разделения трещин с пороговыми скоростями. Есть и другое мнение, соглас-

но которому ветвление наступает в момент, когда напряжения в вершине растущей трещины достигают некоторых критических значений. Это, однако, не всегда подтверждается. Например, на ряде сталей быстрые трещины есть и напряжения в их устье могут быть как угодно большими, а вот ветвления нет. И вообще этот процесс тяготеет к определенным, далеко не любым веществам: на закаленных сталях трещина ветвится, а на термически не обработанных остается монолитной при любых скоростях.

А закаленное стекло? Что происходит с ним при разрушении, читатель хорошо знает. Для этого достаточно представить себе, что будет, если камень попадает в лобовое стекло автомашины. Из точки удара разбегаются трещины радиальные, а кроме того, все секторы между ними раскалываются трещинами поперечными. И те, и другие бегут со скоростью в 1500-1700 м/с и мгновенно превращают большое и монолитное стекло в груду из тысяч мельчайших осколков…

Неудивительно поэтому, что в годы войны на оконные стекла наклеивали крест накрест полоски бумаги. Сейчас для этой же цели на автомашинах используют так называемый триплекс. Два его слоя представляют собой закаленное стекло, а третий (промежуточный) – вязкий пластик, не позволяющий стеклу развалиться при поражении.

Большие скорости, по-видимому, далеко недостаточный критерий для суждения о возможности или невозможности ветвления. Обратите внимание, читатель, на то, что материалы, в которых происходит размножение трещин, являются носителями больших внутренних напряжений. За исключением целлулоида, плексигласа и некоторых других пластиков. Случаи ветвления в ненапряженных материалах не известны.

Процесс ветвления следует связывать с величиной и распределением остаточных напряжений в разрушаемом материале. Можно нарисовать следующий механизм их действия. Быстро растущая трещина разряжает остаточные напряжения в прилегающем районе. Упругие импульсы от поля распадающихся внутренних напряжений, подводимые произвольно к трещине, «ломают» ее установившееся движение. Отдельные участки фронта под действием этих импульсов врезаются в берега трещины, создавая ответвления.

Помните, у Ильфа и Петрова? В учреждении был сторож, который строго спрашивал пропуска. Если пропуска не предъявляли, пропускал и так. В последние годы выяснилось, что в принципе для ветвления не требуется поле внутренних напряжений. И на других материалах, в частности металлах, этот процесс мог бы реализоваться в виде однократного акта при условии подавления пластичности и ужесточения напряженного состояния в вершине трещины. Таким образом, внутренние напряжения, по-видимому, являются стимулятором, но не первопричиной ветвления. Причиной же следует считать нестабильность трещины, наступающую по достижении критических скоростей.

Таковы теоретические соображения о природе ветвления – интересного с научной точки зрения и отталкивающего с практической, инженерной. Это и понятно. Ведь если обычное разрушение оставляет нам какие-нибудь надежды, то ветвление развеивает их в прах и в переносном, и в прямом смысле слова -

(В. Маяковский)