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.

---

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: