Виктор Финкель - Портрет трещины

• Название: Портрет трещины
• Автор: Виктор Финкель
• Жанр: Техническая литература

Разрушение… Мы сталкиваемся с ним ежедневно, ежечасно. Вот слабый стебель травы пророс сквозь асфальт и победно зеленеет. Как это призошло? Вот совершенно неожиданно переломилась мощная металлическая конструкция, которой стоять бы века… Почему? В чем причина катастроф и разрушений, происходящих в мире прочнейших материалов? Как ведет себя микроскопическая трещинка, откуда у нее такая сила и такое коварство? Как человек учится управлять этой страшной силой и обращать ее себе на пользу? На эти и многие другие вопросы отвечает автор. Непринужденная форма изложения, поэтические примеры, подтверждающие мысль автора, делают книгу интересной и познавательной. Книга предназначена для широкого круга читателей, для всех, кто хочет постичь одну из великих загадок природы. И прежде всего она адресована молодежи, стоящей перед выбором профессии.

---

Когда-то французский поэт Жан Дипрео писал:

…Змеею трещина ползет,
Ползет неслышно по стене
В просторном доме…

Прав ли он был? Действительно ли трещина ползет так уж и неслышно? Опыт говорит о том, что трещину к молчальникам отнести нельзя. На каждом этапе своего существования – от зарождения до стремительного закритического роста – она непрерывно заявляет о себе вслух. При этом она «вещает» едва ли не во всех диапазонах- от неслышимого инфразвука через весь слышимый нами спектр до ультразвука, также не воспринимаемого нашим слуховым аппаратом.

С чем же связана «говорливость» трещины? Прежде всего дело не только в ней. Любое тело, в котором под воздействием внешней нагрузки распространяются упругие волны, способно совершать колебания. А поскольку каждому телу свойственна собственная частота колебаний, так называемая резонансная, то при нагружении, особенно динамическом, еще задолго до разрушения происходит излучение волн в окружающее пространство. Ударьте по пустому ведру или бочке! Щелкните ногтем по тонкому стакану и вы услышите его звучание. Вспомните, как проверяют хрустальную вазу при покупке. По ней слегка стучат карандашом или ложечкой. Если она цела, звук чистый, звонкий, а если в ней есть трещина, возникает дребезжание. Вот как рассказывает о звучании хрусталя писатель Г. Семенов: «…он любил показывать домочадцам свое искусство: жестким пальцем, смоченным в вине или, если вина не было, в уксусе, вел по краешку вазочки, как по струне, и в какой-то момент в воздухе рождался вдруг тонкий и грустный, серебряный голос баккары, который властно витал по комнате и тихо замирал, вызывая на лице у Демьяна Николаевича торжествующую улыбку. Звуки были чище и гуще, чем звуки виолончели или скрипки, и чудилось всегда будто не хрусталь звучал, не он издавал протяжный ветренный гул или звон, а сам воздух наливался звучным пением… Видя новую вазочку, он говорил возбужденно: – «Ты знаешь, она поет, как снегирь… Какой звон!…»1

Описанное Г. Семеновым звучание создается трением пальца о кромку вазы, возбуждающим так называемые автоколебания хрусталя. Грубо говоря, палец «тянет» участок поверхности до тех пор, пока силы упругости материала не превысят силы трения между хрусталем

1 Семенов Г. Уличные фонари//Наш современник. 1975. № 5. С. 4 и 29.

и пальцем. Тогда контакт разрывается и освобожденный материал вазы быстро движется, возвращаясь на место. Множество таких процессов и создает звучание. При механическом нагружении детали или конструкции в них возбуждаются и такие, и многие другие виды упругих колебаний. Потому уже на самых начальных стадиях чисто упругого деформирования металл звучит. Слабо, но звучит!

Но вот кончилась упругая стадия и началась пластическая деформация. Еще с древних времен известен «крик» олова, раздающийся каждый раз, когда этот металл деформируют. «Шумят» при деформировании все металлы, но слабее. Например, низкоуглеродистая сталь испускает звуковые волны при растяжении в широком интервале температур от +200 до -196 °С. Звук, издаваемый нержавеющей и другими сталями, зависит от степени деформирования. Особенно интенсивно звучание при начальных стадиях формоизменения. Из поликристаллического цинка деформация «исторгает» не только звуковые частоты, но и неслышимые ультразвуки частотой до одного миллиона колебаний в секунду (герц). При увеличении скорости деформирования интенсивность звучания всех металлов растет.

Практически любой процесс деформации – и растяжение, и усталость, и ползучесть-провоцирует звучание металла, однако это всегда процесс слабый, поэтому для регистрации возникающих волн нужны специальные чувствительные приборы. Большинство материалов «звучит» только при деформировании. Но некоторые «не умолкают» и после прекращения действия нагрузки. С чем же связана эта звуковая активность? Ведь, казалось бы, ничего не происходит, а металл «возмущается».

Отсутствие внешних проявлений сложности процесса деформирования металлов не означает, что он прост. В основе акустического излучения металлов лежит элементарное движение дефектов – дислокаций, двойников и других.

Взрыв высокочастотных колебаний в виде огромного числа импульсов длительностью одна-три миллиардные доли секунды (наносекунды) происходит во всех изученных монокристаллах на самых ранних стадиях пластической деформации. Связана эта волновая эмиссия со скольжением дислокаций, происходящим с до-

вольно высокой скоростью – 20 м/с. Чувствительность наших приборов такова, что можно уловить излучение отдельной дислокации или малого их числа. Но для этого нужно, чтобы длина участка дислокации была не меньше 8 мкм.

Существует несколько вариантов испускания дислокацией акустических сигналов. Линия дислокации, распространяющаяся в кристалле, может застревать в нем, зацепившись за какие-нибудь барьеры, но по мере роста нагружении дислокация отрывается от них. Тогда примерно 1 млн. сегментов, закрепленных между «гвоздями в кристаллической решетке», отрывается одновременно и создает акустический сигнал длительностью в 10- 30 мкс. Харьковчанин В. Д. Нацик показал, что звук может издавать и дислокация, прорывающаяся через разнообразные границы в кристалле. Дело в том, что, переходя через барьер, дислокация вынуждена перестраивать свое упругое поле. В результате части этого поля как бы отрываются от дислокации и распространяются в кристалле в виде звукового сигнала. Оказалось, что «изрядно шумит» и дислокация, выходящая на поверхность кристалла. Здесь две причины. Во-первых, при этом дислокация исчезает и энергия ее упругого поля, оставаясь «бесхозной», преобразуется в звук. А во-вторых, выход дислокации на поверхность и высвобождение энергии, вызванное ее гибелью, возбуждает колебания атомов на самой поверхности.

Способны создавать шумы и двойниковые прослойки. Особенно когда они перемещаются вблизи поверхности кристалла. Не являются исключением здесь и другие дефекты кристаллической решетки. Если подытожить сказанное, то процесс пластической деформации, прежде всего деформации на ранних, неустановившихся стадиях, является источником акустического «эха» процесса тем более богатого и разнообразного, чем выше скорость деформирования и больше число механизмов, сопровождающих это явление. Таким образом, каждый акт пластической деформации имеет свое звучание, свои «имя и фамилию», выраженные в числе акустических сигналов и их частоте. В конечном итоге это определяется тем, как тот или иной дефект меняет упругое поле кристалла и насколько быстро. Диапазон частот «звучания» зависит от всего этого и может достигать ультразвуковых областей с частотами в несколько миллионов герц-

Если считать, что дефекты подобны певцам, то самая «талантливая» из них трещина: голос ее, пожалуй, наиболее богат. Дело в том, что голос определяется прежде всего двумя параметрами – диапазоном и тембром. У певцов, например, диапазон голоса колеблется в пределах примерно от 80 до 350 Гц (бас) и от 250 до 1300 Гц (колоратурное сопрано). Что касается тембра, то это результат сложения основных частот голоса (тона) с дополнительными большей частоты колебаниями (обертонами), которые и придают голосу индивидуальную окраску. Недаром В. Солоухин писал: «Сто тысяч звуков, миллион оттенков».

Звуки, лишенные тембра, орнамента, оранжировки, неприятны человеку и не воспринимаются им как музыка. Видимо, всегда мы тяготеем к звуковой гармонии, отражающей все фантастическое разнообразие окружающего мира, его беспредельность – и в пространстве, и во времени, и в нас самих, и в … частоте.

Среди объектов неживой природы, способных испускать звуковые сигналы, трещина обладает едва ли не самым высоким «голосом». Это связано с тем, что разрушение – процесс, в котором одновременно происходят и упругая, и пластическая деформации; сложное их сочетание сопутствует всем этапам развития явления при зарождении трещины, продвижении и после завершения разрыва. Естественно, что все стадии сопровождаются сложным взаимодействием волновых процессов.

Я думаю, что если бы частоты звуков были пониже, то «пение» трещины можно было бы слушать как подлинную мелодию. Вряд ли это были бы ритмы полонеза М. Огинского, вероятнее всего, нечто современное, в духе поп-музыки. Но все же…

Однако вернемся на землю. Услышать это невозможно, поскольку основной тон звучания трещины лежит в ультразвуковой области. Название этого раздела, таким образом, неточно – трещина «тянет свой мотив» в диапазоне гораздо более высоком, чем колоратурное сопрано.

Поговорим о некоторых типах упругих волн, связанных с разрушением. Прежде всего в большинстве случаев появление трещины предваряется пластической деформацией, а она, как известно, излучает высокочастотные колебания с очень низкой интенсивностью. Эта же составляющая сопровождает и весь последующий рост