Портрет трещины

Возможен ли прогноз?

9 марта 1934 года мощная балка, предназначавшаяся для термодинамической лаборатории Льежского университета, самопроизвольно раскололась по всей своей 12-метровой длине[10].

2 декабря 1942 года в обшивке цельносварного танкера, находившегося еще на стапелях, без влияния какой-либо внешней нагрузки образовалась трещина длиной 13 метров. Танкер «Скенектеди» водоизмещением 7230 тонн попросту разломился пополам в спокойной воде.

В 1973 году обрушился мост с пролетом 336 метров через реку Огайо у города Уиллинг. Вот свидетельство очевидца: «В течение нескольких минут мы следили с тревогой за колебаниями, подобными качке корабля в шторм. Один раз мост поднялся почти на высоту пилонов и затем опустился; при этом вдоль всего пролета произошло скручивание, и одна половина проезжей части почти перевернулась. Затем огромная конструкция с головокружительной высоты устремилась в реку с ужасным треском и грохотом»[11].

Совсем недавно, в 1976 году, на глазах многих в центре Вены над Дунаем возник огромный столб пыли, земля задрожала и важнейшая транспортная артерия австрийской столицы, связывающая ее с пригородами — мост Рейхсбрюкке — рухнул в воду. К счастью, катастрофа произошла ранним воскресным утром, когда на мосту почти не было машин и пешеходов (в часы «пик» по Рейхсбрюкке проходило до 18 тысяч машин в час). Однако без жертв все-таки не обошлось. Обломки моста блокировали Дунай, из-за чего в районе Вены скопились сотни грузовых судов и барж[12].

0 крайне трудном прогнозировании всего, к чему ведет внезапное разрушение, свидетельствует и случай, происшедший на одном из металлургических заводов. В сталеплавильном цехе неожиданно лопнул миксер — огромная емкость с несколькими сотнями тонн жидкого чугуна. На беду оказалось, что в нижнем этаже этого же здания располагалась спектральная лаборатория, обслуживающая всю группу мартеновских цехов. Чугун проник туда, перекрыл выход, вызвал пожар…

Печальной особенностью многих разрушений являются их трудно предсказуемые последствия, что кстати и следует из буквального смысла греческого слова «катастрофа» — переворот, внезапное бедствие, влекущее за собой тяжелые последствия.

Разнообразие видов разрушения трудно себе представить. На морских судах, например, сталкиваются с кавитацией. Это явление связано с возникновением в жидкости разрывов сплошности в виде крохотных пузырьков. С течением времени они сливаются, образуя области с высокими растягивающими напряжениями. Появляющиеся при этом мощные упругие импульсы вырывают из винта корабля частицы металла и быстро разрушают его.

Я привел лишь несколько примеров аварий. Может сложиться впечатление, что их причины необъяснимы. Но это неверно. Тысячи и тысячи разнообразных катастроф, крушений и аварий известны человечеству в прошлом и, к сожалению, случаются в настоящем. Однако в подавляющем большинстве случаев наука обстоятельно проанализировала их природу. Это, правда, не может исправить произошедшее, но служит хорошим уроком на будущее. И, конечно же, каждая конкретная катастрофа, будь то падение моста, разрушение самолета или взрыв цистерны, имеет свои собственные корни. Именно о физических процессах, ведущих к появлению трещины при различных условиях эксплуатации, и пойдет речь ниже.

Пень у дороги

«Темной южной ночью на палубе французского научного судна «Жан Шарко», проводившего исследовательский рейс в районе Азорских островов, неожиданно раздался грохот. Встревоженные моряки и ученые, высыпавшие на освещенную прожекторами палубу, обнаружили, что взрываются глыбы обсидиана, накануне поднятые драгой с глубины около трех километров. Камни высоко подпрыгивали на палубе, с глухим звуком рассыпались в воздухе и дождем осколков падали на палубу.

Утром, когда улеглось волнение, вызванное ночным переполохом, геологи объяснили странное поведение камней. Видимо, в обследованном районе не так давно (по геологическим масштабам, конечно) произошло подводное извержение вулкана. Излившаяся магма застыла, испытывая огромное давление воды. Образовавшаяся при этом порода, как пружина, хранила в себе сильное внутреннее напряжение[13].

При производстве разнообразных металлических конструкций сварка — один из ведущих технологических процессов, позволяющих образовать монолит из одинаковых или различных металлов и сплавов или изготовить пространственно сложное изделие, не воспроизводимое другими методами. Ценный это метод, жизнью оправданный и имеющий большое будущее. Но он не лишен недостатков. Об одном из них мне хочется рассказать.

Дело в том, что сварка сопровождается серьезным повышением температуры в небольшом объеме, в то время как остальная часть детали остается холодной. Такой температурный перепад часто вызывает появление в изделии больших внутренних напряжений. Иногда они настолько значительны, что способны сами по себе разрушить конструкцию. Чаще их величина хоть и «весома», но недостаточна для самопроизвольного разрыва. Однако в процессе эксплуатации внутренние. напряжения суммируются с внешними и ведут к внезапным катастрофам.

В одной из своих книг сатирик Ф. Кривин пишет:

«Пень стоял у самой дороги, и пешеходы часто спотыкались об него.

— Не все сразу, не все сразу, — недовольно скрипел пень. — Приму сколько успею: не могу же я разорваться на части! Ну и народ, ни шагу без меня ступить не могут!»[14]

Роль такого пня у широкой магистральной дороги сварочного производства и прочности играют внутренние напряжения. Вот некоторые примеры[15]. Из 52 сварных мостов, построенных в Бельгии в 1934–1938 гг., почти одна пятая их часть к 1940 г. была выведена из строя вследствие серьезных дефектов. Так, в марте 1938 года разрушился мост через канал Альберта возле Хассельта с пролетом 73,5 м, а в январе 1940 года — сразу два моста через тот же канал с пролетами 61 и 48,8 м. Между 1940 и 1950 годами в Бельгии зарегистрировано 14 случаев хрупкого разрушения элементов мостов. В декабре 1951 года в Чехословакии обрушился временный железнодорожный мост с пролетом 12 м. Одна из наиболее заметных аварий — разрушение автодорожного моста в Квебеке (Канада), случившееся 31 января 1951 года при сильном морозе. Мост обрушился, когда по нему проезжала всего одна автомашина. И этого оказалось достаточным, чтобы все три пролета длиной 54 метра каждый упали в реку.

Соединенные Штаты Америки построили во время второй мировой войны примерно 5000 торговых кораблей. К апрелю 1946 года более чем в пятой их части обнаружили трещины. С ноября 1942 по декабрь 1952 года образовались трещины более чем на 200 судах. Десять танкеров и три грузовых судна типа «Либерти» разломились пополам. На 25 других судах трещины полностью разрушили палубу или днище. Например, в марте 1943 года на небольшой зыби переломился танкер «Эссо Манхеттен» водоизмещением 10344 т. Напряжения в его корпусе были ничтожны. Танкер «Закетс Харбор» оказался перерезанным трещиной сразу же после постройки, прямо на верфи.

Казалось бы, приведенных примеров достаточно, чтобы понять, сколь опасны внутренние напряжения и «спровоцированная» ими трещина? Да, конечно, случаев много и стоимость описанных аварий исчисляется миллионами рублей.

Попробуем объяснить, откуда у термических напряжений такая чудовищная сила?

Начнем с того, что удивляться этому не следует. Ведь ни для кого из читателей не секрет, что толстостенный стакан лопнет, если его быстро наполнить кипятком. Ясно, что в этом случае мгновенно расширяющиеся слои внутренней поверхности стакана вступают в конфликт с не успевшими прогреться холодными внешними слоями. Последние оказываются растянутыми и если тепло внутри стакана не поглотить металлической ложечкой, погрузив ее в кипяток, произойдет разрыв. Трещина, возникшая на поверхности стакана, «опояшет» его, двигаясь вначале по образующей, затем по днищу, и завершит «разгром» по второй образующей. Иногда тонкие стаканы лопаются от кипятка, если их поставить в подстаканник, слишком плотно охватывающий стакан: подстаканник не дает стакану расшириться и чем тоньше стенки стакана, тем легче они разрушаются. Стакан может лопнуть и через длительное время после того, как в него был налит горячий чай. Это бывает, если он конической формы или плотно вошел в подстаканник под действием, скажем, вибрации железнодорожного вагона во время движения. При охлаждении чая металлический подстаканник, сжимаясь быстрее стекла, раздавливает стакан.

Описанное явление есть проявление того, что физики называют внутренними напряжениями первого рода. Говорят, что напряжения эти уравновешиваются в объеме всего изделия и вызывают его деформирование и разрушение как единого целого.

С подобными внутренними напряжениями термического происхождения мы встречаемся часто и довольно неожиданно. Зимой в сильные морозы в лесу раздаются звуки гулкие, точно выстрелы. Чаще всего они вызваны быстрым разрушением дуба, причем на поверхности коры образуются трещины — морозобоины. Акустически это проявляется в достаточно мощном «выстреле», подобном тому, который мы слышим при изломе почти любого хрупкого тела.

Это и естественно, ведь причина явления заключается в термических напряжениях, вызванных перепадом температур — низкой на поверхности дерева и более высокой в его сердцевине. Разрушение стволов в мороз — явление достаточно общее, и от него страдают деревья многих пород.

Поэт С. Островой подметил интересное явление — еще один вид поражения ствола в результате термических напряжений:

Такой был холод адский,

Что все сучки подряд

Выскакивали с треском,

Как пушечный заряд.

Вспомним примеры со стаканом и металлическим подстаканником: роль первого может играть сучок, а второго — сердцевина древесного ствола.

Особенность этих случаев в появлении термических напряжений непосредственно после приложения термического воздействия. Между тем внутренние напряжение, во-первых, могут быть не связаны с температурой, а во-вторых, безотносительно к причине, их создавшей, могут неограниченно долго сохраняться в изделии и детали. В последнем случае их называют остаточными или внутренними напряжениями. Простым примером являются напряжения, искусственно создаваемые в рояле, скрипке, виолончели или гитаре при их настройке, заключающейся, в частности, в натягивании струн. В результате струны оказываются растянутыми, а корпус инструмента — сжатым. Доказательством этого является разрыв струн при особенно темпераментном исполнении. Известны случаи разрушения даже рамы рояля, сжатой натяжением многих струн с силой в несколько тонн.

Отличительной особенностью таких напряжений является, однако, их обычная сбалансированность. Деформируя части упруго напряженной конструкции, остаточные напряжения компенсируются прочностью изделия. В результате вся система, состоящая из двух противоборствующих сил — внутренних остаточных напряжений и силы сопротивления, как бы застывает во временном равновесии. Выходов из этого состояния несколько. Простейший из них «мирный» — постепенное уменьшение напряжений за счет повышения температуры или длительного вылеживания, называется он релаксацией. У струнных инструментов она проявляется в нежелательном, но постоянно действующем удлинении струн (говорят: инструмент расстраивается). Есть и другой способ — «аварийный», при котором либо за счет понижения прочности конструкции со временем, либо под действием внешних нагружающих усилий, либо по обеим этим причинам одновременно равновесие напряженной системы теряется и происходит ее разрушение с выделением аккумулированной упругой энергии. Вот как это выглядит в случае так называемых батавских слезок. Представьте себе, что капельки жидкого стекла падают в сосуд с водой. В процессе полета они приобретают грушевидную форму с искривленным тонким хвостиком, как у головастика. Эта стеклянная «запятая» быстро застывает снаружи, оставаясь жидкой внутри. В результате создаются большие внутренние напряжения. В сердцевине «слезки» они имеют сжимающий характер, а в поверхностных слоях — растягивающий. Удивительная прочность «батавских слезок», способность выдерживать удары молотком по утолщенной части, обусловленной как раз сжимающими напряжениями, препятствующими зарождению микротрещин. Но не следует забывать, что истоки этой высокой «прочности проистекают из внутренних напряжений, уравновешенных и «запертых» в объеме всей «запятой» И чтобы нарушить эту прочность, достаточно отбить крохотный кусочек хвоста «головастика». Мощные напряжения сжатия, теперь уже не сдерживаемые прочным ремнем растянутого поверхностного слоя, взрывают стекло, превращая прозрачную и красивую «батавскую слезку» в разлетающееся облачко мелких стеклянных зернышек.

Подобные процессы нередки и в металлических конструкциях. Так, в феврале 1943 года вблизи Нью-Йорка разрушился сварной сферический резервуар для хранения водорода. Его диаметр превышал 11 м, а толщина стенки—16 мм. Газгольдер, рассчитанный на рабочее давление 5 МПа, не выдержал… 0,35 МПа. Перед аварией температура окружающего воздуха понизилась до —12 °C, а затем с одной стороны, сосуд нагрелся на солнце. Этого оказалось достаточным, чтобы разрушение, сопровождаемое взрывом, привело к распаду оболочки на 20 кусков. На нефтеперерабатывающих заводах США за 35 лет (с 1918 по 1953 год) разрушилось 32 резервуара, причем убытки составили полмиллиона долларов.

Чаще всего аварии происходили главным образом из-за низкого качества сварки и высоких термических напряжений в конструкциях. Трещины возникали либо в основном металле вблизи мест скопления сварных швов, либо в стыковых швах, имеющих непровары. В большинстве случаев в результате аварий металл разлетался иногда на расстояние до 40 м. Справедливости ради нужно сказать, что, помимо внутренних напряжений, здесь действовали и другие причины: прежде всего плохое качество основного металла и дефекты в самом сварном шве, которые сыграли роль зародышевых трещин. Немаловажным оказалось и охрупчивание металла в связи с понижением окружающей температуры. Об этом явлении речь пойдет в другом разделе.

Холода, холода

Гигантские пространства, ранее совершенно пустынные и необитаемые, заселяет человек: Крайний Север и Сибирь в нашей стране, Аляску в США, северные районы Канады, Гренландию, Антарктиду… Многие препятствия встречают покорители этих районов. Одно из них имеет прямое отношение к материалам. Вот что произошло, если бы основной конструкционный материал машиностроения — сталь — захворал.

Гигантский состав из сотен вагонов, идущий со скоростью в 70— 100 км/ч, рухнул под откос. Причина проста — лопнул рельс. Огромная мостовая ферма через широкую реку внезапно обрушилась вниз вместе с электровозом. Тяжелые грузовики и автопоезда останавливаются из-за массовой поломки деталей. Железобетонные перекрытия цехов длиной в сотни метров падают, казалось, без всякого влияния извне. Портальные краны и самосвалы, трубы нефте- и газопроводов, драги для добычи золота и алмазов ломаются как спички.

Быть может автор, драматизируя, искусственно раскрасил, а возможно и попросту придумал эти события? Оказывается нет, может быть даже преуменьшил, затушевал.

Судите сами. Спусковым рычагом, приводящим к разрушению сталей, является понижение температуры. В этом отношении подавляющее большинство сталей подобно нездоровым людям — при малейшем переохлаждении они заболевают. Для иных, например низкоуглеродистых, «воспаление легких», то есть разрушение, наступает при (—60) — (—70)° С, для других, высокоуглеродистых — уже при комнатных температурах. И совсем хрупок в любых условиях чугун. Между тем климат в некоторых районах нашей страны весьма суров[16]. Отрицательная температура в Норильске, Якутске и на Магадане держится свыше 8 месяцев в году. Минимальная температура, зарегистрированная в Норильске, — 57, в Магаданской области —65, в Устье-Нере (Якутия) —72 °C. В северо-восточных и северных областях среднегодовая температура находится в пределах (―4) ― (—17), а в декабре, январе (—20) — (—50)° С.

При таких условиях металл, не защищенный от морозов и шквальных ветров, подвергается большой опасности.

Справедливости ради нужно сказать, что хладноломкость — не всегда следствие природных условий. Чаще она результат технологических процессов, нуждающихся в низких температурах, протекающих например, в установках, получающих жидкий воздух (—180 °C), кислород (—183 °C), гелий (—277 °C), водород (—253 °C), азот (—195,7 °C), а также в разнообразных холодильных агрегатах. С крайне низкими гелиевыми температурами и особыми свойствами металлов мы вынуждены встречаться в технике получения сверхмощных магнитных полей, основанной на использовании сверхпроводников. Наконец, все космические полеты протекают в условиях температур, близких к абсолютному нулю.

Цена, которую мы платим за хладноломкость, невероятно велика. Иногда из-за этого конструкция на стройках Сибири и Севера месяцами не работают. Наконец, разрушение всегда опасно.

В чем же причина удивительного и коварного явления — охрупчивания металла при низких температурах?

Существуют два ответа. Убедительный — металлурга и металловеда и неубедительный — физика.

Хорошо известно, что хладноломкости подвержены стали с объемноцентрированной кубической решеткой. А большинство сталей с гранецентрированной решеткой, то есть аустенитных, не боится понижения температур. И вообще металлы, а не только стали с атомами, выстроенными по гранецентрированному кубу, почти никогда не ломаются из-за охлаждения, например медь и алюминий. Однако подавляющее большинство металлоконструкций изготовлено из обычных сталей с объемноцентрированной решеткой потому, что они относительно дешевы и беззащитны перед «простудными заболеваниями».

Но сами эти стали подразделяют на две группы: кипящие и спокойные. В процессе изготовления стали возникает вопрос: как быть с растворенным в ней кислородом? Удалять насильственно или предоставить ему возможность выделяться самому? Первое достигается технологической операцией, называемой раскислением. Она заключается в том, что в ковш с жидким металлом вводят марганец, кремний и алюминий, связывающие кислород и переводящие его в соединения, нерастворимые в металле. При последующем застывании такая сталь «спокойна», не бурлит, так как из нее уже не выделяются газы. Что касается кипящей стали, то она раскисляется не полностью и при застывании в изложнице «кипит»: из нее выделяются пузырьки окиси углерода. Выход газов искусственно предотвращают, и окись углерода в виде рассеянных газовых пузырей и раковин остается в металле. При прокатке эти дефекты завариваются. Однако, как показывает практика, «кипящая» сталь более подвержена охрупчиванию, чем «спокойная», и детали, изготовленные из нее хотя и дешевле, но зато и легче разрушаются в зимнее время.

Довольно определенные ответы дают металлурги и на вопрос о влиянии состава стали на поведение ее в морозы. Углерод вызывает охрупчивание, марганец, наоборот, повышает хладостойкость. Благоприятно действие такого раскислителя, как кремний. Очевидным злом, влекущим за собой понижение сопротивляемости стали хрупкому разрушению, являются азот, сера, фосфор, водород, кислород.

Издавна известны легирующие элементы, снабжающие сталь надежным щитом от меча хладноломкости. Это в первую очередь никель, молибден, цирконий, титан. Могут быть полезны добавки небольших количеств ванадия, хрома, меди, алюминия. Существуют и так называемые модификаторы — малые добавки, вводимые в сталь. В первую очередь к ним относятся редкоземельные элементы.

Итак, с точки зрения металлурга[17] проблема хладноломкости решена и сводится к следующему. Если температура окружающего воздуха не ниже +20 °C, можно использовать углеродистые кипящие, стали при ударных нагрузках. В условиях статического нагружения те же стали способны работать при температурах до (—20) — (—30) °С. Полуспокойные и спокойные углеродистые стали проявляют «терпимость» до (—30) ― (—50)°С. Но при дальнейшем усилении морозов без легирования не обойтись. Так, стали, содержащие 3,5 % никеля, работоспособны от —70 до —120 °C. А углеродистые стали с 8,5–9 % никеля — даже до —200 °C. Что касается более низких температур, то для них нужны уже аустенитные стали, способные противостоять «морозам» до —253 °C, не разрушаясь. Суммируется это коротко. Для эксплуатации металлоконструкций в климатических районах с низкими температурами нужны стали «в северном исполнении», то есть высоколегированные. И хотя они очень дороги, все же вездеход для антарктических условий, сделанный из легированной стали, подвергнутой соответствующей термической обработке, будет гарантирован от внезапных разрушений при любых морозах.

Но достаточно ли этого? Можно ли считать, что тысячелетний опыт прошлого, непоправимые ошибки и невосполнимые потери научили человека бороться с такими разрушениями. Очевидно, еще не вполне. Потому что нужны точные знания.

Но до глубокого осмысления природы явления хладноломкости, к сожалению, еще далеко. И если бы мне пришлось дать названия всему тому, что знают физики о хладноломкости, я, пожалуй, вместо слова «мнения» употребил бы «сомнения».

Вот, например, одна из точек зрения. Металл способен разрушаться двумя путями: хрупким и вязким. При хрупком осуществляется как бы прямой разрыв межатомных связей. При вязком вначале происходит пластическое течение и лишь затем разрушение. Жизненный опыт будто подтверждает сказанное. Действительно, когда вы ударом молотка разбиваете стекло или когда в ваших руках ломается и крошится грифель, глаз не отмечает существования какой-то деформации — вы видите просто разрушение и все. Но хрупкость попробуйте разорвать полихлорвиниловую изоляционную ленту сломать медную или алюминиевую проволоку. Вы видите и ощущаете большую деформацию еще до наступления собственно разрушения Причем эта деформация служит буфером, гасящим внешнее усилие съедающим его энергию еще до разрыва межатомных связей.

Известно мнение, что в этой пластической деформации — ключ к пониманию явления хладноломкости. В отличие от межатомных сил связи, практически не меняющихся в интервале (+ 50) ― (—50)° С величина пластической деформации крайне чувствительна к температуре именно у металлов, склонных к хладноломкости. При этом с понижением температуры она ослабевает, что уменьшает ее амортизирующее влияние. В результате внешнее усилие передается непосредственно на устье трещины, где и затрачивается на разрыв межатомных связей.

В действительности, однако, все гораздо сложнее. Деформация напоминает двуликого Януса. Она не только поглощает энергию, нагружения, но и сама зарождает микроскопические трещины, способные подрастать еще во время деформирования.

Согласно другим точкам зрения хрупкость стали при низких температурах обусловлена изменением межатомных сил связи, уровень которых падает. Некоторые авторы приписывают хладноломкость особым процессам упорядочения, при которых вращение электронов вокруг своей оси (так называемый спин) происходит преимущественно в определенных направлениях. Некоторые ученые считают, что хладноломкость означает появление какого-то нового полиморфного превращения, т. е. перехода кристаллической решетки металла из одной формы в другую… Однако все это лишь гипотезы. Правильны они или неправильны — проверит будущее.

Неприятные последствия

«— Немедленно прекратите стрельбу! — скомандовал военпред и резко склонился над орудием. Даже невооруженным глазом артиллерист заметил на стволе извилистую трещину… Все пять пушек после первых же выстрелов дали ствольные повреждения»[18]. Причина брака скорее всего была в неправильно проведенной термической обработке орудийных стволов.

Ранее мы говорили о вредном влиянии остаточных напряжений. Между тем они действуют на материал не «откровенно» и прямолинейно, но многими, часто завуалированными путями: например, в детали возникает одна или несколько трещин, ослабляющих конструкцию и способных расти под влиянием все тех же остаточных напряжений. С опосредствованным участием остаточных напряжений в разрушении мы сталкиваемся довольно часто.

В связи с этим обратимся к термической обработке стали — техническому процессу, применяемому при изготовлении почти любой ответственной детали механизмов и машин.

В основе большинства видов этого воздействия на сталь лежит структурное превращение аустенита в мартенсит. Аустенит представляет собой плотноупакованную систему атомов, расположенных в форме куба, в вершинах и центрах граней которого находятся атомы железа. В отличие от этого, в более твердом и хрупком мартенсите атомы, занимающие вершины и центр куба, менее уплотнены В итоге объем, приходящийся на единицу массы в аустените, меньше, чем в мартенсите. Этот факт позволяет понять причины, приводящие к возникновению мощных напряжений при охлаждении стали с высоких температур, при которых она находится в виде аустенита, до низких, когда при достаточно быстром охлаждении она получает мартенситную структуру. Превращение аустенита в мартенсит идет неоднородно и не одновременно по сечению детали. Схематически процесс этот представляется таким образом[19]. Наружные слои изделия приобретают мартенситное строение раньше внутренних, и металл на какой-то промежуток времени становится как бы двухслойным: снаружи мартенсит, внутри аустенит. Когда позднее по мере охлаждения внутренних слоев аустенит в них начнет превращаться в мартенсит и объем недр детали начнет расти, наружные слои мартенсита будут этому препятствовать. В итоге, наружные слои окажутся растянутыми, а внутренние — сжатыми. Это и есть внутренние напряжения. Таким образом, после термической обработки мы получили высокую твердость металла, но использовать ее затруднительно из-за огромной напряженности изделия, и, следовательно, возможного в любой момент разрушения.

Подобные же процессы, но в ином масштабе могут протекать при неоднородном распределении химических элементов по сечению изделия. Например, в условиях так называемой химико-термической обработки, заключающейся в насыщении поверхности металла каким-нибудь другим элементом. При этом в области высоких температур формируется аустенит иного химического состава, с иными скоростями и особенностями превращения в мартенсит.

На эти явления налегают и внутренние напряжения, имеющие собственно термическое происхождение и образующиеся из-за неодинакового расширения и сжатия различных структурных составляющих при охлаждении и нагревании обрабатываемой детали.

Так или иначе, но термическая обработка стали генерирует довольно мощные напряжения, имеющие зачастую пространственный характер и приводящие к появлению в металле разнообразных трещин. Иногда это одинокие и глубокие трещины в изделиях сложной конфигурации, например во фрезах; иногда внутренние дугообразные разрывы, встречающиеся, например, в цементированных сталях, то есть сталях, поверхность которых насыщена углеродом. Встречаются и другие виды разрушений — в форме, скажем, множества мельчайших трещин, покрывающих всю поверхность детали.

Чего уж хорошего, если в ответственной детали сто трещин. Ведь мы знаем: достаточно даже одной! Потому, что невозможно предсказать, как такая деталь поведет себя в напряженном рабочем состоянии. Поскольку дальновиднее предусмотреть худшее, можно ожидать разрушения за счет роста какой-то одной трещины, оказавшейся в наиболее «выгодном» положении. И тогда окажется справедливой печальная шутка, согласно которой у жертвы было обнаружено четыре раны: две из них смертельные, а две другие, к счастью, нет. Одним словом, трещины, возникающие при термической обработке, вредны и опасны.

Но, кроме того, существует ряд побочных причин, увеличивающих тревогу за обработанную деталь. Например, может оказаться, что величина приводящих к разрушению напряжений (создаваемых внешним или внутренним усилием) зависит от времени и убывает с его течением. В результате при длительном воздействии нагрузки прочность стали снижается в семь раз. В некоторых сталях, в частности быстрорежущих, появление поверхностных трещин провоцируется так называемым обезуглероженным слоем, т. е. поверхностной пленкой металла, из которой по тем или иным причинам «ушел» углерод. Стали, подвергаемые термической обработке, очень чувствительны к любым концентраторам напряжений (различным надрезам) на их поверхности и внутри материала. Это и понятно. Такой концентратор создает свое упругое (силовое) поле, суммирующееся с остаточными напряжениями и ведущее к преждевременному разрушению. Не последнюю роль играют и разнообразные избыточные фазы в стали, особенно расположенные по границам зерен. Часто они играют решающую роль в образовании трещин после закалки. Словом, серьезных причин много. Но бывают и несерьезные, приводящие тем не менее к серьезным последствиям.

Термическая обработка, в частности закалка стали, повышает ее механические свойства и поэтому совершенно необходима машиностроению. Но вместе с тем она вводит в металл трещины, смертельно опасные для конструкции. К счастью, есть многочисленные методы, позволяющие исключить появление трещин и сохранить тем самым преимущества, которые дает термическая обработка металла. Методы эти не всегда просты, но…

Одна закона грубая скрижаль

равно для человека и металла:

нужна борьба, чтоб сталью стала сталь…

(Я. Белинский)

Вы вероятно, помните, что так называемые внутренние напряжения и есть ложка дегтя, которая портит бочку меда при термической обработке стали. Именно они и ведут к появлению трещин. Следовательно, первейшей задачей является гашение напряженного состояния детали. Сделать это можно несколькими путями. Вот один из них. Помимо структурных напряжений, возникают и другие — термические. Они появляются при более высоких температурах, когда металл еще очень пластичен, а фазовые переходы еще не начались. Очевидно, при достаточно высокой скорости охлаждения эти напряжения могут привести к пластической деформации детали и разрядиться, то есть стать не опасными.

Со структурными остаточными напряжениями, как правило, дело обстоит наоборот — быстрое охлаждение при довольно низких температурах вызывает лишь многие трещины. Поэтому целесообразно при температурах ниже начала перехода аустенита в мартенсит вести охлаждение бережно и очень медленно. Такое «нежное» обращение со сталью осуществляют зачастую, закаливая ее не в воде, а в масле, где она «остывает» с меньшей скоростью. Ясно, что во всех случаях внутренние напряжения будут определяться той исходной температурой, с которой начинается закалка. Поэтому рекомендуется эту температуру выбирать максимально низкой.

Надежным методом снятия внутренних напряжений является отпуск, то есть повторный нагрев после закалки, во время которого металл и его структурные компоненты несколько лучше приспосабливаются друг к другу. Что-то вроде встряхивания пассажиров в переполненном троллейбусе: все кое-как разместились, «притерлись» и едут в тесноте, да. не в обиде.

На языке термической обработки это означает, что термическое «встряхивание» структурных элементов ведет к снятию внутренних напряжений.

Когда-то Александр Грин сказал, что действительность большей частью завязывает и развязывает узлы в длительном темпе. Закалка не такова — за ничтожные секунды проходит фазовый переход, возникают мощные остаточные напряжения, трещины и следует неизбежное разрушение. Поэтому важно не затягивать с проведением отпуска, помня, что с течением времени прочность напряженной детали падает. Поэтому отпуск и осуществляют немедленно после закалки.

Металл устал…

Человек устает, и это нас не удивляет. Силы металла тоже ограничены. Но если человек может устать при выполнении любой работы, то «усталость» металла — это его реакция на вполне определенный вид нагружения — многократно повторяющееся приложение нагрузки одного и того же или противоположных знаков. Как же проявляется усталость в неживом материале? Вначале он пластически деформируется, а затем разрушается. Но ведь то же самое происходит при обычном нагружении?

Как будто и события те же и составляющие его элементы — пластическая деформация, микротрещины, разрушение — почти такие же. Однако явление это серьезно отличается от разрушения, вызванного действием однократно приложенной нагрузки. Попробуем, читатель, хотя бы поверхностно разобраться в этом вопросе.

Прежде всего металлы окружающего нас мира испытывают постоянные воздействия пульсирующих нагрузок. Железный каркас здания принимает на себя беспрерывную микроскопическую вибрацию почвы — ведь по земле, никогда не прекращаясь, струится поток слабых упругих волн. Это результат сейсмической активности нашей планеты. Корпус цеха с металлообрабатывающими станками также все время находится в состоянии вибрации. Станина станка из-за контакта резца с деталью дрожит. Вибрируют двигатели, корпуса самолетов, машины. Ясно, что эти колебания должны влиять на состояние металла. Вот только как? Иной раз трагически — самолеты разваливаются в воздухе. Рельсы, многократно прогибающиеся под тяжестью железнодорожных составов, лопаются. Оси, несущие мощные маховики и колеса, под действием рабочей нагрузки и несбалансированной центробежной силы изгибаются поочередно в различном направлении и ломаются. А это страшное зрелище — подпрыгивающее на шоссе оторвавшееся колесо тяжелого грузовика. Итак, усталость металла порой проявляется драматически.

Каковы же внешние особенности явления усталости с позиции механики? Прежде всего усталостное разрушение протекает с участием пластической деформации, но масштабы ее очень невелики в сравнении с одноразовым разрушением. Особенно опасная черта усталостного разрушения — его способность начинаться и протекать при напряжениях, намного меньших, чем предел прочности или текучести. По существу, напряжения эти не выходят из упругих рамок, но циклическое нагружение так эффективно использует их, что «с успехом» разрушает материал. В случаях, когда напряжения эти значительны, усталостное разрушение наступает раньше. Но если напряжения очень малы, это тоже «не пугает» усталость. Просто для гибели нужно большее число циклов. Металл как бы располагает некоторым моторесурсом — долговечностью. Он способен выдержать определенное число циклов приложения нагрузки. И это число снижается с увеличением приложенных напряжений, что в общем естественно. Ведь усталость человека тоже зависит от тяжести выполненной работы. Чем она больше, тем быстрее мы «сдаем». Но, конечно, масштабы усталости металлов иные. При разумном приложении внешнего нагружения сталь способна выдерживать десятки миллионов актов нагружения. Например, рессора автомобиля! Какое огромное число колебаний она должна «вытерпеть» — на каждом камешке и неровности, чтобы обеспечить безопасность и комфорт движения. А разнообразные клапаны в двигателе, работающие непрерывно, да еще при высокой температуре! Таким образом, процесс усталости развивается за счет того, что невысокие напряжения как бы «компенсируются» многоразовым приложением нагрузки. Это и ведет к утомлению и «одряхлению» металла. Не следует думать, что устают только отдельные непрочные металлы. Нет! Это явление общее и подчиняет себе любую, даже сверхпрочную сталь!

Если механические, так сказать внешние особенности протекания усталости достаточно ясны, то с физическим механизмом процесса дело куда сложнее. Начнем с пластической деформации. Отличительной особенностью пластического течения при усталости является его сосредоточенность в меньшем объеме, чем при одноразовом нагружении. И в том, и в другом случаях механизм пластической деформации дислокационный, однако вместо появления все большего числа линий скольжения при обычном деформировании усталость сопровождается образованием ограниченного количества линий скольжения с последующим их расширением. Это общая фундаментальная закономерность усталости — высокая неоднородность всех процессов по сечению металла. Усталость — процесс, способный «выбирать» самые слабые звенья прочности и сосредоточивать на них свои подтачивающие усилия. При этом свойства основного массива металла могут быть и не затронуты разрушением. Приведем некоторые примеры «коварства» избирательности усталостного разрушения.

Прежде всего оказывается, что концентрация напряжений при усталости ведет к охрупчиванию металла гораздо быстрее, чем в условиях обычного нагружения. При многоцикловом нагружении металл становится более чувствительным к самым разнообразным концентраторам: дефектам на поверхности, надрезам любых видов и сортов, участкам коррозии.

В частности, такими концентраторами всегда являются неметаллические включения. Но при усталости они становятся подлинно опасными, потому что многоцикловое нагружение сразу же сосредоточивает пластическую деформацию вокруг включений и уже на ранних стадиях, когда основной металл еще здоров, зарождает на включении микротрещину. Этому способствует и то, что со временем включение, которое после выплавки металла было прочно «вклеено» в матрицу, отрывается от нее — теряет связь с металлом; концентрация напряжений сразу возрастает и вероятность протекания скольжения и микроразрушения вокруг включения резко увеличивается.

Эта неоднородность деформирования по сечению «утомляющегося» металла и ведет к тому, что общая энергия, затрачиваемая на пластическую деформацию циклично нагружаемого металла, меньше, чем при обычном деформировании. Вот и получается, что неоднородность и избирательность разрушения «спасают» металл в целом и от деформации, и от разрушения. Но все же в его объеме найдутся одно-два слабых места — пожива для процесса усталости. Таким образом, металл может быть выведен из строя сосредоточенным разрушением на считанных участках, уязвимых для зарождения усталостной трещины. Что касается общих мощнейших ресурсов прочности металла, то они остаются неиспользованными. В этом-то и опасность усталости, выискивающей в металле слабые звенья и обыгрывающей их.

В избирательности и заключается основная проблема обеспечения прочности металла, противопоставляемой возможной усталости. Металл должен быть равнопрочным по всей своей структуре. Но для реального металла это невозможно — он неоднороден от рождения. И потому, что он — поликристалл, и потому, что он — сплав, и потому, что в нем разбросаны разнообразнейшие примеси и дефекты. А следовательно, в нем изобилие слабых мест, которые безошибочно находит усталость. Ведь для разрушения достаточно лишь одного!

Каков физический механизм зарождения микроскопических трещин при циклическом нагружении? Прежде всего ими могут быть едва ли не все дислокационные механизмы, рассмотренные в первой главе. Но есть и специфические «усталостные» модели. Одной из них является схема, предложенная японским физиком Эиихи Фудзита. Читатель, вероятно, помнит, что когда в одной плоскости скольжения сближаются разноименные краевые дислокации, то у одной из них экстраплоскость находится вверху, а у другой — внизу. Естественно, что они соединяются и дислокации исчезают — аннигилируют. А теперь представьте себе те же дислокации, но на разных и очень близких плоскостях скольжения. У основания каждой из экстраплоскостей — пустое пространство, немного большее, чем между атомами в здоровой кристаллической решетке. Эти пустоты двух разноименных дислокаций сливаются и образуют зародыш микротрещины. Такой же процесс в этом же районе протекает и с объединением других пар дислокаций. В результате многих подобных актов зародыш подрастает и становится устойчивым. В дальнейшем он увеличивается благодаря втеканию в него дислокаций с полосы скольжения. И, наконец, превращается в трещину. Фудзита очень остроумно использовал в дислокационной модели то, что усталость чувствительна к различным включениям и выделениям. Он допустил, что из-за многократного путешествия дислокаций по полосе скольжения туда и обратно — нагружение-то циклическое — происходит окисление материала в окрестностях линий скольжения. Читатель может спросить: а откуда же появляется кислород в середине металла? Ответить можно двояко. Во-первых, кислород и другие газы остаются в металле во время его выплавки. Во-вторых линии скольжения выходят на поверхность металла, а уж там кислорода сколько угодно. И если этот вопрос снять, то гипотеза Фудзиты означает следующее: в полосе скольжения образуются окислы. А частица окисла — это барьер для дислокаций. А отсюда, как нам хорошо известно, один шаг до трещины.

Есть много вариантов взаимодействия дислокаций, приводящих к возникновению точечных дефектов, называемых вакансиями. Не вызывает сомнения, что в процессе усталости в металле образуется большое количество вакансий. Это явление и порождает разнообразные гипотезы о скапливании вакансий и объединении их в поры или лакуны. Такие каверны могут стать источником разрушения. Простейшим вариантом превращения полости в трещину является ее «сплющивание» под действием внешнего нагружения.

Советские ученые И. А. Одинг и В. С. Иванова считают, что причины зарождения разрушения связаны с огромной энергией упругой деформации, возникающей в некоторых микрообъемах. Тогда первичное разрушение может «вспыхнуть», например, из-за обычного процесса плавления.

При усталости появляются некоторые эффекты, не встречающиеся в случае обычной деформации. Так, из циклически нагружаемого металла вытесняются тонкие пластинки материала прямо по плоскостям скольжения. Явление это называют экструзией. Известен и обратный процесс втягивания металла — интрузия. Вопрос об их происхождении спорен. Тем не менее некоторые считают, что образование трещины может быть связано и с ними.

Если подвести итог наших представлений о природе усталости, то оказывается, что он еще не очень богат. Но бояться этого не надо. — «Ведь только мудрый человек способен сказать: «Я этого не знаю»… Ибо только мудрый может знать истинные пределы своих знаний»[20].

В этом «нет» есть и своя прелесть — ведь столько интересного и неизведанного впереди. Конечно, границ для знаний нет. И те, кто сегодня сдает вступительные экзамены в вузы, в свой срок раздвинут границы познанного и решат свои задачи!

Не надо забывать, что проблема усталости — одна из самых важных в современной технике. Нет такой отрасли промышленности, где она не фигурировала бы как обнаженное зло, поражающее разнообразнейшие оси, огромные роторы, коленчатые валы двигателей, лопатки паровых, водяных и газовых турбин. А в авиации? Со времени серии аварий английских пассажирских самолетов «Комета» так называемая малоцикловая усталость — притча во языцех. И неудивительно. Все самолеты при подъеме на большую высоту претерпевают своего рода «раздутие» из-за того, что внутреннее давление воздуха остается почти тем же самым, а внешнее — резко падает. При посадке давления выравниваются. За время жизни самолета таких циклов несколько сотен. И так как в корпусе лайнера есть окна, люки, тысячи заклепок и другие концентраторы напряжений, то может возникнуть трещина, представляющая в этих условиях прямую угрозу жизни сотен пассажиров.

А что такое усталость для глубоководных подводных лодок? При погружении корпус корабля подвергается невероятному обжатию. При подъеме же на поверхность не только люди, но и вся лодка вздыхает с облегчением и расширяется. Повторенный многократно этот процесс тоже должен вызвать усталость металла.

Два последних примера подчеркивают важность и неотложность глубокого понимания всего, что связано с усталостью. И поскольку речь идет едва ли не о самых ответственных отраслях промышленности, в проблемы усталости, несомненно, будут вложены и средства, и способности ученых всего мира. А это, конечно же, приведет к решению в целом. Когда это произойдет, сказать трудно. Но, вероятно, в ближайшие десятилетия.

Нужен орлиный глаз

А. И. Куприн рассказывает древнюю историю о том, как царица Савская, желая испытать мудрость царя Соломона, задала ему загадку:

«…прислала она Соломону алмаз величиной с лесной орех. В камне была тонкая весьма извилистая трещина, которая узким сложным ходом пробуравливала все его тело. Нужно было продеть сквозь этот алмаз шелковинку. И мудрый царь впустил в отверстие шелковичного червя, который, пройдя наружу, оставил за собой следом тончайшую шелковую паутинку»[21]

Скажем прямо, по нынешним меркам решение такой задачи посильно рядовому человеку. Во-первых, действительно, трещина, которую «исследовал» царь Соломон, была относительно широкой по своему сечению — порядка миллиметра. Во-вторых, она выходила на поверхность и была видна невооруженным глазом. В-третьих, трещина образовалась в прозрачном алмазе. Словом, царь знал о ней все. Это, конечно, не уменьшает его остроумия при «продевании» червя-нитки в эдакое хитрое «ушко». Но… реальные задачи, стоящие перед специалистами в области прочности и разрушения металлов, куда сложнее.

Начнем с того, что трещины далеко не всегда значительны по размерам. Если бы они были слишком велики, детали как единого целого уже не существовало бы. Сплошь и рядом трещины в полном смысле слова микроскопичны, то есть видеть их можно в микроскоп. Да и то не во всякий. Иной раз нужен не оптический, а электронный. Это значит, что размеры таких трещин исчисляются тысячными, а порой, миллионными долями сантиметра. Да и червя такого не сыскать, чтобы запустить его в трещину сечением в несколько межатомных расстояний. Но если вдруг мы и нашли бы какое-то живое существо, способное «втиснуться» в дефект, то оно оказалось бы либо в тупике — трещины конечны по своей длине, либо в безнадежном лабиринте. К тому же, далеко не все трещины выходят на поверхность…

Между тем реальный металл — это мир, пронизанный фантастическим количеством микротрещин. Я имею в виду полноценный металл, то есть хорошо выплавленный, прокатанный, термически обработанный с соблюдением всех правил и предосторожностей. Чем-то он напоминает старый потрескавшийся потолок. Трещины на нем образуют сложнейшие рисунки; вглядитесь в них пристально и воображение приблизит их к любому образу: вы увидите паутинное разветвление железнодорожного узла, фантастических зверей, удивительные лица. Не испугаться ли за прочность металла?

Но мы уже знаем — до поры до времени это не страшно. Трещины-то докритические. Тем не менее под контролем их держать надо. Как же это можно сделать? На прозрачных материалах самые малые трещины, которые видны в микроскоп, порядка нескольких тысячных миллиметра. А если меньше? Тогда можно использовать рассеяние света на неоднородностях, которыми являются микротрещины. Представьте себе, что Вы на хоккейном матче. За пять минут до его начала стадион оживлен, все осветительные устройства включены, но почему-то довольно темно. А дело в том, что световые лучи входят под углом в идеальный, полированный слой льда и начинают отражаться в нем от одной поверхности к другой. Очень много света буквально «запутывается» в слое льда и «выходит из игры» — теряется для освещения. Но вот прошло 5—10 минут. Накал ламп не изменился и новых прожекторов не включали, а явственно посветлело. Что же произошло? Хоккеисты своими коньками изрезали поверхность льда. Возникшие от коньков борозды и отходящие от них внутрь льда трещинки не пропускают свет в глубь слоя льда и рассеивают его в пространство. Вот так же примерно рассеивают свет и микроскопические трещины внутри прозрачного кристалла. Благодаря этому можно изучать трещинки, размер которых близок к длине волны света, то есть равен примерно пяти десятимиллионным частям метра. А нельзя ли с помощью рассеяния света исследовать зарождение самых первых, самых маленьких трещин длиной в одно межатомное расстояние? Нет, нельзя! Это означало бы повторение «научной ошибки» прекрасной поэтессы Марины Цветаевой, которая писала:

Гамлетом — перетянутым — натуго,

В нимбе разуверенья и знания,

Бледный — до последнего атома…

Может ли атом нашего тела иметь цвет? По двум причинам — нет. Во-первых, потому, что мы видим свет, отраженный и рассеянный нами, а не излучаемый телом. А во-вторых, размеры атома в 5000 раз меньше длины волны света. И если бы бегущая световая волна встретила на своем пути одинокий атом или…микротрещину, равную примерно его размерам, она попросту обогнула бы его или, как говорят, дифрагировала бы на нем. Иначе говоря, по существу не заметила бы, подобно тому как большая волна «не замечает» тонкий пруток, воткнутый в дно.

Но что же надо сделать, чтобы увидеть настоящие зародышевые микротрещины, да еще в непрозрачном материале? Нужно тоже использовать рассеяние, но таких электромагнитных волн, размеры которых были бы близки к межатомному расстоянию. «Да ведь это рентгеновские лучи» — скажет догадливый читатель. И будет прав. Да, именно рассеяние рентгеновских лучей позволяет изучать распределение самых маленьких «атомных» трещин в металлах и монокристаллах другой природы.

У рассеяния рентгеновских лучей есть и незаурядный конкурент — рассеяние электронов. В последние годы электронные микроскопы настолько усовершенствовали, что способны буквально следить за поведением отдельного атома. Неудивительна поэтому перспективность такого метода для наблюдения самых ранних стадий появления микротрещин. И если у наших предшественников эталоном мастерства считалось, образно говоря, умение «подковать блоху», то в недалеком будущем может случиться так, что нужно будет «подковать» атом. Скажем, чтобы восстановить его сцепление с соседом. Тогда-то и окажется, что нет метода эффективнее и, что самое важное, нагляднее, чем электронная микроскопия.

Ну, а как быть в «земных» случаях? Когда с завода идет поток термически обработанных деталей, на которых не должно быть больших, то есть явно опасных трещин? Здесь наша задача проще, ведь речь идет о трещинах в доли миллиметра и более. Методов определения размеров и, как говорят, лоцирования трещин тем больше, чем большие размеры имеет трещина. Допустим, что вначале трещина довольно мала. Тогда можно применить флуоресцентный анализ. Металл, на поверхности которого возможно появление трещин, смачивают специальным раствором, обладающим двумя ценными качествами. Прежде всего он способен проникать в мельчайшие полости и заполнять их. Это качество «первопроходца» дает уверенность в том, что если трещина существует, то жидкость (которую может смоделировать, например, керосин) наверняка окажется в трещине. Второе свойство раствора — его способность светиться под действием ультрафиолетового света. Деталь смачивали, а затем, спустя некоторое время, раствор смывали с поверхности металла струей воды. Затем освещали ультрафиолетовыми лучами. При этом

Поверхность гладкого металла

Была бесцветнее стекла

(Ш. Бодлер)

Потому, что керосина на ней уже не было. Присутствие трещины «выдает» задержавшаяся в них и светящаяся жидкость. Свет этот, правда, очень слабый потому, что в узкой трещине жидкости мало, и потому, что люминофор остается лишь в глубине трещины, как бы на дне глубокого и узкого каньона. Он излучается не во все стороны, а только в направлении, определяемом берегами трещины. Именно поэтому металл рассматривают в темноте. Ультрафиолетовые лучи мы не видим, а слабое свечение люминофора в трещине замечаем, На заводах очень широко пользуются магнитным методом. Идея его проста. Допустим, что каким-то способом мы создали в металле магнитное поле. Оно стремится равномерно распределиться по сечению металла. Но если в нем есть трещина, то ни о какой равномерности и речи быть не может. В вершине трещины магнитное поле концентрируется. А если трещина при этом замкнута, то ведет все это к образованию на краях ее у вершин самых настоящих магнитных полюсов. Теперь возьмем литр керосина и насыплем в него мельчайший порошок железа. Размешаем эту смесь и выльем на деталь. Крупинки железа, способные легко перемещаться в жидкости, осядут на деталь, сконцентрировавшись прежде всего у магнитных полюсов. И трещина будет «разоблачена».

Однако безусловным хотя и некоронованным королем дефектоскопии является ультразвук. И вот почему. Метод этот прощупывает трещины самых разных размеров — от долей сантиметров до километров. Нижний предел со временем будет уменьшен раз в сто. Ультразвук всеяден — он найдет любую трещину: и выходящую на поверхность, и прячущуюся в глубине металла. Ему не важно, капитально ли вскрылась трещина или ее берега едва разошлись. Оборудование для его осуществления очень транспортабельно. Поэтому не удивительно, что его широко применяют во всем мире. В любой отрасли промышленности он поможет отыскать дефекты — в заводском цехе и в поле у бесконечной нитки нефтепровода.

На чем же он основан? Прежде всего на неспособности ультразвука проходить через воздух и вакуум. Он любит «твердую почву» и способен распространяться лишь по металлу. Поэтому, окажись на пути ультразвукового луча трещина, — дальше идти он не может. Установить это нетрудно. Но мало того, что звук «боится» трещин, он буквально «отшатывается» от них, отражается, как солнечный луч от зеркала, и бежит назад. Поймать его просто. А если мы заметим его путь, то, значит, получим ответ луча на вопрос: что произошло? Ведь, как известно, угол падения равен углу отражения. А раз так, мы всегда можем установить угол, под которым расположена трещина.

Не так давно на Аляске построили нефтепровод длиной примерно в 1500 км, способный пропускать 60 миллионов тонн нефти в год. Стоимость его должна была составить 7 миллиардов долларов. На нефтепроводах такого типа трубы соединяют сварными швами. Качество сварных швов контролировали самым распространенным и надежным способом — рентгеновским. Оказалось, однако, что 30 % швов содержали внутренние раковины и опасные трещины. Обнаружены были трещины и в Н-образных стальных опорах. Несмотря на это, нефтепровод был сдан в эксплуатацию. При анализе аварии выяснилось, что тысячи рентгеновских снимков, предъявленных заказчикам, были, по-видимому, фальсифицированными. Но, конечно же, этот случай ни в коем случае не компрометирует рентгеновские методы определения трещин в сварных швах, поковках, термически обработанных деталях и других изделиях.

В чем суть рентгеновского просвечивания, разбирается каждый. Достаточно вспомнить, что все мы проходим периодические осмотры в рентгеновских кабинетах. Все просто. Рентгеновские лучи реагируют в первую очередь на плотность вещества и его способность поглощать радиацию. Поэтому если в металле есть пора, она не поглощает лучи и изображение ее на экране будет светлее. Так же обстоит дело и с трещиной. Огромным достоинством рентгеновского метода является его нетребовательность к качеству поверхности металла. Потому-то он и годится для сварки. Другое дело ультразвук. Он невероятно привередлив к поверхности. Ему подавай полированную, а это при массовом производстве, да еще в полевых условиях тысячекилометрового нефтепровода, немыслимо. Поэтому, где сварка, там и рентген. Однако и у него свои недостатки: длительность процесса, необходимость фотолаборатории, опасность радиационного поражения обслуживающего персонала. И все же этот метод применяют. Ведь при гигантских авариях, например на газопроводах, не только подвергаются опасности тысячи человеческих жизней, но и наносится колоссальный материальный ущерб. Поэтому специальные группы исследователей просматривают абсолютно все сварные стыки и если обнаружены трещины, вырезают дефектные места и проваривают все заново.

В шутке из «Крокодила»: «Дефекты, имеющиеся в сварных швах, устранены путем вырубки дефектов и наложения новых» — немалая доля правды. Ведь каким бы качественным ни был сварной шов, в нем всегда, к сожалению, найдется место, если не крупным, то уж мельчайшим трещинам. И зафиксировать их при помощи рентгеновских лучей определенно не удастся. Это не значит, что шов разрушится, но достоверно одно: микротрещины в нем будут. Как бы ни было трудно фиксировать трещину, но если она неподвижна, это возможно. Иное дело, когда она движется, да еще с бешеной скоростью 1–2 км/с. Ясно, что возможность здесь одна — киносъемка. Да не простая, а скоростная. В простейшем случае это делают так. Световое изображение движущегося объекта, например трещины, падает на быстро вращающееся зеркало. Оно как бы разворачивает изображение по неподвижной пленке. А чтобы кадр не получился «смазанным», свет направлен через небольшую линзу, как бы останавливающую изображение на одном участке пленки. Линз таких десятки; зеркало вращается с частотой в десятки тысяч оборотов в минуту. Частота киносъемки — миллионы кадров в секунду. На пленке получают изображения, отделенные интервалами в миллионные доли секунды. Этого достаточно для изучения поведения довольно большой трещины, движущейся относительно долго. Ну, а если нас интересуют тонкие особенности разрушения, скажем, на протяжении одной десятой или стомиллионной доли секунды? Тогда покадровая съемка бесполезна из-за своей относительной медлительности, нужны более тонкие дробления времени.

Поэтому вращающимся зеркалом просто разворачивают изображение на неподвижную пленку, без промежуточных линз. Теперь уже не до качества и не до объемного изображения трещины. Получают лишь ее тень. Зато скорости регистрации сразу подскакивают в сто раз. И мы уже различаем временные промежутки в одну стомиллионную долю секунды.

Ну, а если и этого мало? Тогда есть еще один путь. Читатель знает, что лазер сегодня превратился в подлинного труженика науки. Помогает он и здесь. Длительность свечения лазера может составлять одну миллиардную долю секунды. Включенный в определенный момент времени, лазер создает однократное изображение летящего объекта за это время. Так снимают полет пули, снаряда, метеора или ракеты. Если нужны не один, а много последовательных снимков, то устанавливают несколько лазеров, срабатывающих с помощью электроники последовательно через заданные промежутки времени.

Полбеды, как мы видим, если трещина сечет прозрачный материал. А если она растет в стали? Как быть тогда? Сегодня для этого случая существует, пожалуй, один отработанный метод — скоростная съемка в рентгеновских лучах. Проблема заключается в том, что рентгеновские лучи не преломляются и не «соблюдают» привычный для света закон: угол падения равен углу отражения. Поэтому развернуть рентгеновскую тень движущегося предмета вращающимся зеркалом невозможно.

Поступают так. Устанавливают несколько импульсных рентгеновских трубок со временем испускания рентгеновского луча в одну миллионную долю секунды. Лучи от каждой трубки создают тень объекта и дают изображение на своей пленке. Трубки срабатывают поочередно, и мы получаем пять-шесть отдельных кадров процесса, происходящего внутри металла. Таким способом изучают проникновение снаряда в броню или форму фронта трещины в стали.

Не слишком ли все это сложно для простой трещины? Нужно ли?

Да, нужно. Достаточно вспомнить те беды, которые может принести с собой разрушение, чтобы стремиться узнать о трещине все: и время, и место ее рождения, и ее «родителей», и условия ее роста, и ее характер. Для всего этого нужны и методы, и инструменты.