Живой кристалл

ГДЕ ТОНКО — ТАМ НЕ РВЕТСЯ

Инженер американского Авиационного исследовательского центра А. А. Гриффитс в 1920 г. указал на пример, свидетельствующий о том, что народная мудрость «где тонко, там и рвется» состоятельна не всегда. Его интересовала проблема реальной прочности различных материалов, применяемых в авиастроении, — сталей, чугуна, алюминиевых сплавов. Он, однако, вопреки прямолинейному здравому смыслу, ставил свои опыты на на этих материалах, а на модельном материале — обычном стекле, разумно рассудив, что закономерности разрушения у различных твердых тел могут оказаться общими, а экспериментировать со стеклом проще.

Среди множества прочих наблюдений Гриффитс сделал и такое: прочность на разрыв цилиндрических стеклянных нитей увеличивается с уменьшением их диаметра d: нить, диаметр которой 2•10 ²см, имеет прочность около σ = 2• 10⁹ дин /см², а у нити, имеющей диаметр ≈ 3^. 10^-4 см, прочность возрастает до σ = 6^. 10¹⁰ дин/см². Нарастание прочности с уменьшением диаметра происходит монотонно. Экспериментально определив прочность стеклянных нитей при различных значениях Гриффитс сумел оценить предельную прочность тончайших нитей. Она оказалась около 1,1 • 10¹¹ дин/см². Обратим внимание на эту величину, запомним ее, далее она нам встретится.

Итак, рвется там, где не тонко, а там, где тонко, — не рвется. Почему? Есть в этом явлении что-то, что выводит его за пределы привычных представлений, так как рваться все же должно там, где тонко!

Читатель не может не почувствовать, что мы в преддверии проблемы большой значимости, что противоречие с народной мудростью должно таить в себе не пустяк, а нечто принципиально важное. Быть может, вскрыв и поняв это важное, мы осмыслим явление и восстановим торжество мудрости. Так должно быть!

Прежде чем мы последуем за логикой идей и опытов Гриффитса, необходимо подчеркнуть, что всякий раз, говоря о разрушении, мы будем иметь в виду хрупкое разрушение, т. е. такое, после которого из частей разрушенного тела (осколков!) можно его склеить, восстановив форму. «Хрупкое» разрушение — это, в отличие от «вязкого», разрушение, которое сопровождается изменением формы образца. Например, под влиянием растягивающих усилий в вязком теле образуется утончение, так называемая «шейка».

А вот теперь можно следовать за Гриффитсом. Его основная идея состояла в том, что разрушение твердого тела есть следствие поглощения им некоторого количества энергии. В великолепной популярной книге «Почему мы не проваливаемся под пол?» Джон Гордон пытается восстановить психологическую канву, на фоне которой Гриффитс создал свою классическую теорию разрушения хрупких тел. Гордон, шутя (а быть может, всерьез), допускает, что энергетический подход к проблеме разрушения Гриффитсу был подсказан воспоминаниями о тех мальчишеских днях, когда он и его друзья успешно разбивали стекла в окнах, пользуясь рогаткой и камешками. Энергия мышц передавалась растянутой резине, энергия резины — камню, энергия камня — стеклу, а хрупкое стекло, не выдерживая сгустка энергии, разрушалось. Если дело обстояло именно так, то можно не сомневаться, что своей теорией Гриффитс полностью искупил вред, который нанес окнам и он, и его ближайшие друзья, и все прочие мальчишки мира — любители рогаточного спорта.

Гриффитс предположил, что в той области нагруженного кристалла, где должно произойти разрушение, сконцентрирована избыточная энергия, величина которой зависит от приложенной к кристаллу нагрузки. При хрупком разрушении эта энергия превращается в энергию образовавшейся поверхности. На языке эксперимента с рогаткой это означает, что часть энергии летящего камня превратилась в энергию поверхностей всех образовавшихся осколков оконного стекла.

Приравняв энергию упругих напряжений, создаваемых в кристалле внешним воздействием, и энергию поверхностей, образующихся при хрупком разрушении, Гриффитс оценил ту прочность, которой должен был бы обладать кристалл. Воспроизведем его расчет, разумеется, в упрощенной форме. Вычислим вначале энергию, сосредоточенную в кубике твердого тела с размером ребра l, который, под действием силы F в направлении ее действия, изменил свой размер на величину Δl. Сопротивление кристалла деформированию увеличивается с ростом деформации, поэтому сочтем, что среднее значение силы, действующей на кристалл, приблизительно равно F/2. Вспомнив, что работа (или энергия) равна произведению силы на путь, энергию, запасенную в кристалле, определим соотношением

Приравняв упругую энергию поверхностной, Гриффитс нашел формулу, определяющую напряжение σ*, при котором кристалл должен разрушиться (т. е. его теоретическую прочность):

Итак, результат, к которому мы пришли, оказался следующим: ту прочность, которой, согласно расчету, должно обладать вещество, имеют лишь очень тонкие нити из этого вещества, а толстые нити имеют прочность, в 50 — 100 раз меньшую. Такое кричащее несоответствие между теоретической и реальной прочностью твердого тела не может быть обусловлено ошибкой расчета или эксперимента: слишком велико несоответствие, и слишком прозрачны и просты и расчет, и эксперимент. Здесь необходима оговорка. Расчет внушает доверие лишь в случае, если реальная ситуация соответствует той идеализированной, которая в расчете предполагается: твердое тело свободно от каких-либо дефектов, и все связи между атомами, которым надлежит быть разорванными, рвутся одновременно. А вот это, рассуждал Гриффитс, очевидно и не имеет места. Видимо, в реальном твердом теле — в его объеме и на поверхности — имеются микроскопические трещинки. Возможно, именно они и ответственны и за обнаруженное несоответствие теории и эксперимента, и за зависимость прочности нити от ее диаметра. Гриффитс был вынужден придумать дефект и поселить его в твердом теле для того, чтобы помирить теорию и эксперимент. В этом одна из основных забот теоретика — пытаться мирить теорию и эксперимент. Тем более, если теоретик и экспериментатор — одно лицо.

Читатель удивлен, его явно смущает словосочетание «придумать дефект», он, видимо, считает, что ничего придумывать не следует, что поступать надо совсем наоборот — «не поселять» в твердом теле придуманное, а, внимательно изучив структуру твердого тела, обнаружить дефект, наличие которого так резко понижает его прочность. Конечно, хорошо бы поступать так, как рекомендует читатель. Однако в его разумной рекомендации имеется одна логическая брешь. Если дефект будет непосредственно обнаружен, то, следовательно, в кристалле он присутствует. Если же он не будет обнаружен — это не значит, что его в кристалле нет. Это просто значит, что он не был обнаружен, и не более того! Именно такая трудность и встретилась Гриффитсу, не видевшему нужных ему трещин. В этом случае фантазия ученого должна домыслить необнаруженное в надежде на то, что со временем, когда экспериментальные методы станут более совершенными, можно будет убедиться в разумности домысла. Здесь в игру вступает такая тонкая материя, как интуиция ученого, его способность проникать в существо явлений природы, его фантазия, питающаяся знаниями, аналогиями, воспоминаниями, смелостью и независимостью суждений. Гриффитс явно был одарен этими ценностями, потому что, не видя ультрамикроскопических трещин, он их домыслил, а уже затем они были обнаружены и косвенно, и непосредственно.

Предложенный Гриффитсом энергетический подход к описанию разрушения хрупкого твердого тела можно использовать для определения размера той трещинки l*, которая окажется очагом разрушения, если к телу приложено определенное напряжение σ₀.

Если трещина имела размер l* или достигла этого размера, ее дальнейшее подрастание будет выгодным, так как при l > l* упругая энергия с ростом l уменьшается быстрее, чем возрастает поверхностная.

Из приведенной оценки l* ~ 1 /σ²₀ следует, что с ростом приложенного напряжения размер опасной трещины быстро уменьшается. Та трещина, которая при данном напряжении могла существовать в кристалле, не обнаруживая себя, при немного большем напряжении перейдет в разряд развивающихся трещин, которые себя обнаруживают очень впечатляющим образом: из-за них кристалл рушится. Из нашей оценки l* следует, что в кристаллах, модуль упругости которых Е ≈ 10¹² дин/см², при напряжении σ₀ ≈ 10⁹ дин/см² все те трещины, размер которых l < 10^-3 см, не должны развиваться, опасны лишь те трещины, размер которых превосходит 10^-3 см. А вот при напряжении σ₀ ≈ 10¹⁰ дин/см² опасными окажутся трещинки, размер которых превосходит 10 ^-5 см.

Формулу, которая определяет величину l*, стоит использовать еще и для других оценок, прочтя ее для этого как бы в обратном направлении. Из этой формулы следует оценка напряжения, достаточного для того, чтобы тело, содержащее трещину с размером l*, разрушилось:

Если бы тело было абсолютно свободно от каких-либо трещин, оно обладало бы «теоретической прочностью» σ*, величинакоторой, как известно, близка к модулю упругости. На этом основании можно получить формулу

и с ее помощью оценить, во сколько раз трещинка данного размера понизит «теоретическую прочность» σ*, доведя ее до уровня некоторой истинной «технической прочности». Вот пример: при α ≈ 10³ эрг/см², Е ≈ 10¹² эрг/см³ и l ≈10^-3см оказывается σ/σ* ≈ 10^-3. Повторю этот впечатляющий результат обычными словами: трещинка размером десять микрометров понижает прочность тела в 1000 раз! А трещинка в одну десятую микрометра — в 100 раз! Здесь читатель не может не задуматься над тем, как многого могут добиться технолог-металлург и технолог-машиностроитель, если они сумеют обеспечить производство изделий, свободных от трещин.

У Гриффитса, по меньшей мере, две фундаментальные заслуги перед той главой физики твердого тела, которая посвящена реальному кристаллу. Первая состоит в том, что он описал хрупкое разрушение твердого тела как процесс превращения упругой энергии, сосредоточенной в объеме тела, в поверхностную энергию его частей, образовавшихся при разрушении. Вторая, не менее важная, состоит в том, что Гриффитс первый рискнул придумать и «поселить» в твердом теле дефект — отклонение от идеальной структуры — для того, чтобы объяснить механические свойства реального тела. За Гриффитсом это делали многие и во многих случаях.

В начале очерка была высказана надежда, что мудрость «где тонко, там и рвется» восторжествует.Она действительно торжествует: рвется у устья трещины, т. е. там, где напряжения оказываются максимальными, а максимальными они оказываются потому, что напряжен лишь узкий, в угодной нам терминологии — тонкий, участок. Именно там и рвется! Подробнее об этом — в следующем очерке.