Портрет трещины

Можно ли взять трещину под уздцы?

Теперь, когда мы твердо убеждены, что разрушение — зло, уместен вопрос: как его остановить? Каким образом можно прервать распространение трещины, «взнуздать» ее?

Чтобы понять, насколько это не просто, вспомним некоторые качества трещины. Прежде всего она стремительна — расстояния, исчисляемые километрами, преодолевает в секунду. При таких скоростях разрушение хрупко и в пластической деформации не нуждается. Поэтому трещина довольствуется ничтожной энергией из разрушаемого объекта. Практически она безынерционна, поэтому способна мгновенно поворачиваться в любом направлении, сулящем ей новую порцию «пищи» — упругой энергии. К тому же трещина обладает удивительным качеством — молодеет с возрастом, то есть способна бежать по металлической конструкции со все возрастающей скоростью. Не страшны ей не только метровые детали, но и многокилометровые нефтяные и газовые трубы. Наоборот, чем больше размеры конструкции, тем больше у трещины возможностей «развернуться». Вот с каким врагом нам предстоит встретиться! И слабых мест у него сразу не видно! Но ведь нам нужны эти уязвимые места? Следовательно, они должны быть! Давайте сейчас их и поищем!

Прежде всего трещина питается упругой энергией нагруженного объема. А нельзя ли ею управлять? Оказывается, с трудом, но можно.

Вершина трещины очень острая. Поэтому концентрация напряжений в ней невероятно высока. А нельзя ли ее затупить? Обезглавить трещину? Непросто это — обстричь вершину у быстрой трещины, но вполне реально.

Хрупкая трещина требует для бега совсем немного упругой энергии. Не означает ли это, что и для ее торможения нужны не слишком большие затраты? Означает. Попробуем в этой главе поискать, пофантазировать: нет ли каких-нибудь барьеров, способных придержать разрушение.

Трещина испускает упругие волны, в том числе звуковые. Значит, она в свою очередь должна быть чувствительна к волнам, падающим на нее извне. Ведь композитор не может быть равнодушен к чужой музыке.

Трещина, даже быстрая, создает в своей вершине дефекты кристаллической решетки. Это, очевидно, означает, что и сама она будет чувствительна к ним. А значит, есть шанс использовать такие дефекты, как барьеры.

Вспомните ветвление трещины. Ведь оно похищало у трещины скорость. А вдруг?…

Таких «изъянов» у трещины много. Надо их только внимательно «выследить». И тогда окажется, что разрушение не всесильно. Неся людям зло, оно уязвимо само. И мы должны этим воспользоваться. Вы можете возразить мне: но почему же природа сама не позаботилась о предотвращении разрушения? Значит, оно ей выгодно? Может быть и так — природа часто стремит упорядоченное к хаосу. Вместе с тем еще Паскаль, веря в возможности человечества, сказал: «Природа не знает своего величия, но мы знаем».

Маникюр топором

Каким бы ни было торможение трещин, это всего лишь торможение, а не залечивание их. Поэтому цели его ограничены: срочно остановить разрушение, предотвратить надвигающуюся катастрофу, выиграть минуты, чтобы закончить какой-то производственный цикл, и провести ремонт изделия, скажем, заварить разрыв. Ясно поэтому, что все то время, пока в теле работающего металла существует трещина, хоть и приторможенная, он будет неполноценным, ущербным. И тем не менее даже такой умеренный процесс, как торможение трещины, нужен и полезен, ведь он предотвращает аварию, чреватую отрицательными последствиями, а часто и непоправимыми бедами.

Как же остановить трещину? Очевидно, вырвать у нее звено, без которого она не может существовать. Скажем, не допустить зарождения трещины. В принципе, конечно, это возможно, но практически нет. Дело в том, что зародышевые трещины либо уже имеются в детали с самого начала ее существования, либо сравнительно быстро появляются на самых ранних стадиях эксплуатации вследствие усталости металла. Значит, на этом пути мы вряд ли сможем одержать победу. Другое дело подрастание и закритический рост трещины. И тот, и другой требуют подведения к трещине упругой энергии. А нельзя ли этот поток если не прервать, хотя бы приостановить: превратить его в тонкую струйку?

Есть три пути, позволяющие это сделать. Обратимся к первому из них, самому радикальному. Нельзя ли при первых же признаках опасности моментально разгрузить всю систему с растущей трещиной? То есть лихо, «топором отрубить» действующую разрушающую силу от скомпрометированного узла и приложить ее к другим запасным пластинам металла. Наверное, в каких-то случаях это и можно было бы сделать. Но при этом возникли бы немалые трудности. Ведь чтобы мгновенно разгрузить систему с растущей трещиной, нужны быстродействующие устройства с невероятной реакцией — в тысячные и меньшие доли секунды. Это еще не все. К сожалению, здесь работает и обоснованно работает принцип: все или ничего. Во что бы то ни стало нужно разрядить, или как говорят физики, релаксировать все упругое поле. В противном случае достаточно хрупкая трещина, «подкрепляемая» энергией с не разгруженных участков, продолжит свой рост. Ей-то ведь многого и не надо!

Куда более простым и земным было бы следующее. Проектируют, скажем, крыло самолета. Исходят при этом из его прочности в состоянии монолитном. А надо учитывать кризисный случай, когда в крыле появляется трещина. Очевидно, это меняет многое. Концентрация напряжений теперь гораздо больше расчетной, да и остальной неповрежденный массив крыла, хотя и находится далеко от очага разрушения, вносит свою лепту во зло — ведь он поставляет упругую энергию растущей трещине.

Как бороться с этим? Прежде всего проектировать любую ответственную конструкцию, исходя из ее поведения не только в монолитном состоянии, но и в кризисном. Для этого мало думать об уменьшении концентрации напряжений вокруг заклепок или о пониженин напряжений за счет запаса прочности. Надо прогнозировать возможное подрастание трещины и принимать меры для того, чтобы всеми средствами понизить поток упругой энергии, поступающей к разрыву. Как это сделать? Надо, вероятно, разработать целую систему спасения от разрушения. И должна она включать сознательное управление разрушением, которого всегда надо опасаться. Никто не говорит, что просто. Но это необходимо.

Вот один из путей, способных облегчить решение этой задачи. Представьте себе, что нам удалось приостановить переход трещины из докритического состояния в закритическое. Означает ли это, что трещина остановлена? Не обязательно. Она может и подрастать, только медленно. Но это значит, что энергия, подводимая к трещине внешней силой и упругим резервуаром, затрачивается на пластическую деформацию в ее вершине. Вариант, конечно, не самый хороший — разрушение-то все-таки идет! Но. все же он «лучше» взрывного и неуправляемого закритического разрушения. Потому, что мы выигрываем время!

Как же можно продлить процесс разрушения в целом за счет пластификации? Прежде всего это входит в обязанности конструкционного материала. Он должен быть не только прочным, но и вязким. Если запас пластичности у него велик, это отодвинет момент зарождения трещины. Но и дальше способность металла деформироваться скорее и легче, чем разрушаться, обезопасит его от быстрого перехода вязкой трещины в лавинную стадию «оголтелого» разрушения, «обрушивающегося» со звуковыми скоростями. Все это время, пока докритическая трещина медленно подрастает, пластическая деформация в ее вершине «перемалывает» упругую энергию окружающего пространства, превращая ее в тепло, рассеивающееся в металле и воздухе. Выходит, что пластическая деформация здесь играет роль не только буфера, смягчающего нагружение, но и клапана, выпускающего «лишний пар и тем самым понижающего давление» И как знать, умей мы открывать этот клапан пошире и в любое время, может и удалось бы останавливать трещину легко и просто. Представьте себе, что мы резко понизили сопротивление пластической деформации в вершине трещины. Как это сделать? А вот так, к примеру: взяли и нагрели окрестности трещины. Чем? Это разговор особый, и мы к нему вернемся. Важно, что с повышением температуры металл деформируется намного легче. Ведь не случайно же его прокатывают и куют в раскаленном состоянии! Ясно, что при этом течение в вершине трещины пойдет намного быстрее. Большее количество упругой энергии будет растрачено, и разрушение отодвинется во времени.

Есть ли какие-нибудь шансы использовать пластическую деформацию на закритическом этапе жизни трещины? Есть, но мало. И вот почему. При высоких скоростях разрушения пластичность подавляется — она просто не успевает осуществиться: слишком мало времени предоставляется дислокационным источникам пока мимо них бежит трещина. Поэтому пластическая деформация сосредоточена по тончайшим кромкам трещины (не толще десятков микрон). Вот, если бы удалось получить такие материалы, у которых дислокационные источники были совершенно свободными, не заблокированными примесями… И если бы удалось сделать их совершенно раскрепощенными и способными генерировать дислокации моментально и в большом количестве… И если бы эти источники начинали работать не при определенном, а при любых, как угодно малых напряжениях, чтобы они могли функционировать и далеко от берегов трещины… Вот тогда бы… Но не слишком ли много «если бы»? Сегодняшняя реальность такова, что надеяться на мощную пластическую деформацию около закритической трещины, к сожалению, не приходится. Следовательно, если и рассчитывать на пластифицирование материалов, то только до появления трещины и на ранних до-критических этапах ее роста. Потом это уже бесполезно.

Но неужели так уже все безнадежно? Нет, конечно, возможности есть и немалые. Представьте себе, что на пути трещины мы сознательно, еще при проектировании конструкции, а потом при ее изготовлении расположили мощное упругое поле сжатия. Никаких особенных проблем с его образованием нет. Как изготавливают упруго напряженный железобетон? Растягивают на простейших станках арматуру и в таком состоянии заливают бетоном. Когда бетон застывает, он оказывается растянутым, а арматура — сжатой. Прочность такого бетона, как известно, значительно выше, чем обычного. Примерно таким же образом можно поступить и с металлической конструкцией. Часть ее сжимается, на нее накладывают слой металла и проваривают или приклепывают. Тогда основной металл окажется сжатым, а накладка — стрингер — растянутой. Когда быстрая трещина вторгается в сжатую область, подталкивающая ее упругая энергия растяжения гасится на противоположном упругом поле сжатия, а разрушение, лишенное пищи, останавливается. Таким образом тормозят любые, в том числе закритические, трещины в судо- и самолетостроении.

Иногда на кораблях поступают и по-другому. На предполагаемом пути трещины вырезают паз. А сверху на него наклепывают стрингер. Такой барьер — совершенно непреодолимое препятствие для трещины. Правда, и этот, и предыдущий методы, останавливая трещину, сами вносят в конструкцию дефекты — и сварные швы, и отверстия. По что же делать? Приходится из двух зол выбирать меньшее…

«Бутерброд» тормозит разрушение

В предыдущем разделе мы затронули проблему взаимодействия трещины со стрингером и пазом. В действительности, это лишь один из аспектов обширной темы — поведения трещины у границ. Читатель знает, что материалы, состоящие из разнородных слоев, называются композитами. По существу каждый композит похож на бутерброд. Но в отличие от обычного бутерброда, который должен быть съедобным, бутерброд-композит «обязан» быть неудобоваримым для разрушения. Это заранее задуманный и «спроектированный» враг трещины. Иной раз он может и пожертвовать прочностью какого-нибудь из многих своих слоев, но рано или поздно на эту «приманку» обязательно попадется изловленная трещина. У трещины в этом случае тоже свое «кредо» — она почти всегда неравнодушна к границам сред с различными упругими характеристиками. Она может их «любить» или «ненавидеть», то есть проникать через них или не проникать, но она не бывает безразлична к ним.

При встрече трещины с границей возможно несколько вариантов ее поведения. Прежде всего трещина может прорваться через нее, потеряв при этом какую-то часть своей скорости, и распространяться во втором материале. Этот вариант лишь отчасти полезен на практике или совсем бесполезен. Важнее, когда трещина застревает на границе и разрушение останавливается. Возможно и такое: трещина затормозила, упершись в границу. А затем под действием давящих на нее усилий разорвала материал по границе склейки. Это реально, когда трещина идет из мягкой составляющей в более твердую.

Какие же простейшие комбинации сред способны оказать сдерживающее влияние на трещины? Это прежде всего чередующиеся прочные и мягкие слои композита. Первые — основа, они несут нагрузку, вторые — тормозят разрушение. Композиты такого рода представляют собой, например, стальную основу из легированной высокопрочной стали, содержащей один или два слоя низкоуглеродистой мягкой стали. Особую роль играет метод соединения слоев. Наиболее простой — сварка. Могут быть использованы и современные прочные клеи. Трещина, подходящая к вязкому слою, растрачивает упругие напряжения в своей вершине на пластическое течение. Это неизбежно ведет к торможению или полной остановке. Помимо того, в процессе течения радиус основания трещины растет — она затупляется. А известно, что напряжение в вершине тупой трещины меньше, чем в вершине острой.

Совсем не обязательно, чтобы весь композит был целиком стальным. Металлы-«сэндвичи» могут быть сконструированы, например, из стали и меди. Стальной компонент придает конструкции высокую прочность; медь предохраняет ее от возможного разрушения. Трещина, возникающая в стальном слое, всегда застревает или, как говорят, локализуется в медном.

Вязкость такого биметалла гораздо больше, чем обычной стали.

Какие поистине фантастические возможности открываются при подборе пар: пластик и дерево, монокристалл и поликристалл, стали и смолы. А какие перспективы «в содружестве железа и стекла»!

Совсем не обязательно, чтобы слоев было два. Иной раз их может быть и много. Например, шесть слоев бериллия чередуются с пятью слоями алюминия. В отличие от монолита бериллия, разрушающегося сразу по всему сечению, «сэндвич» рвался слой за слоем и поэтому выдерживал нагрузку выше в 5–6 раз. Особенно хороши «бутерброды» при динамическом нагружении. Это и понятно, ведь при быстром приложении нагрузки большую роль играют упругие волны, не только нагружающие деталь, но и подталкивающие трещины. Вместе с тем границы слоев преломляют, отражают, а порой и рассеивают волновые потоки. Именно поэтому в слоистой среде распространение волн осложняется, а это на руку прочности.

Но барьерные свойства многослойных композитов — только одна из их положительных черт. Есть и другие, например, если композит перед склеиванием слоев был сжат, то в нем затруднено и зарождение исходной трещины. Более того, тонкие слои высокопрочного металла, входящие в него, как известно, по сравнению с тем же металлом в монолите менее подвержены хрупкому разрушению из-за малых размеров. Важно и то, что в композите они находятся в пространственном напряженном состоянии, которое подавляет разрушение.

Пока что, говоря о границе, разделяющей материалы, мы предполагали ее клеящие и барьерные свойства. Однако ее влияние может быть гораздо более обширным. Так, граница способна создавать по обе стороны от себя области сжимающих напряжений. А мы знаем, что трещина их «боится» и быстро в них останавливается. Этим часто пользуются в судостроении. На некоторых трещиноопасных направлениях накладывают такие сварные швы даже на однородной стали, чтобы они создавали протяженные упруго сжатые поля. Тем более полезен сварной шов, соединяющий разнородные металлы. Здесь, однако, не все просто и далеко не всякий сварной шов годится для этой цели. Иной из них способен не столько тормозить трещины, сколько ускорять их.

Однако, сознательно управляя полями упругих напряжений в окрестностях границы слоев, можно создавать такие ситуации, когда трещина вынуждена поворачивать под углом к плоскости границы и идти вдоль нее, то есть в неопасном направлении.

Интересные возможности открывают сложные «сэндвичи», в которых трещина растет в направлении слоя, но ее плоскость перпендикулярна плоскости слоев. Здесь начинает работать механизм расслоения композита. Это, конечно же, нехорошо — ведь идет разрушение. С другой стороны, такое множественное образование трещин приводит к быстрому торможению магистральной — уж очень велика энергия многих одновременно вскрывающихся поверхностей. И все-таки сегодняшние композиты, как правило, опасаются трещины, идущей по границам — это уязвимое направление. «Сэндвич» как древний воин стремится подставить свой щит — границу под прямой удар меча. Между тем теория показывает, что трещина, распространяющаяся по склейке, имеет свое тормозящее влияние. Дело в том, что в вершине ее напряжения не постоянные, а пульсирующие. Они как бы много раз меняются в пространстве и во времени. В результате берега трещины, то есть пластины различных материалов, должны как бы перекрываться. Делать это буквально они не в состоянии. Поэтому речь может идти только о своего рода взаимном вдавливании материала одного слоя в материал другого. К сожалению, экспериментально этого пока еще никто не проверил. Однако явление такое, имей оно место, оказалось бы интересным не только с познавательной точки зрения, но и в сугубо практическом отношении. Ведь оно означало бы отсутствие у трещины широкой дороги между слоями из-за меняющихся напряжении и невероятно сложную пространственно изогнутую траекторию движения от вмятины к соседнему бугру. Остановка за малым — доказать возможность такого эффекта, ведь в него верят далеко не все.

Иной раз границы действуют не только на пересекающую их трещину или на разрушение в них самих. Трещина в многослойном композите может находиться внутри слоя и располагаться параллельно границе. При этом поведение трещины будет непростым. Так, если соседние среды жестче, то трещина стремится распространиться в середине «своего» мягкого коридора. Однако и здесь движение ее неустойчиво, а путь представляет собой плавную волнистую кривую.

По-моему, именно к быстрой закритической трещине относятся иронические слова американского писателя Джоунса: «Пусть это дорога в никуда. Но зато на всем пути зеленый свет». Композитные материалы играют роль красного света, останавливающего трещину не только символически, но и непосредственно, физически. Пожалуй, это самый простой и надежный способ прервать разрушение. Правда, не всегда он выгоден и удобен. И из-за относительно высокой стоимости и вследствие того, что далеко не каждую конструкцию можно сегодня изготовить из сэндвичеподобных материалов. Однако там, где это возможно, многослойные материалы надежно стоят на пути разрушения, защищая прочность.

Трещина, гори огнем!

Действительно ли холодна трещина? Да, если она неподвижна. Но было бы неверно сказать так, имея в виду темпераментно растущую трещину. И вот почему. При разрыве связей в вершине выделяется тепло. Кроме того, протекающая на этом участке пластическая деформация в конечном итоге ведет к выделению тепла. При достаточно быстром разрушении скорость этих процессов растет. В то же время теплообмен с массивом холодного металла не успевает осуществиться за короткое время, тепло скапливается в том месте, где оно выделилось. Поэтому-то и можно ожидать вблизи поверхности трещины и в ее вершине повышенных температур. Дело, таким образом, в адиабатическом (быстротекущем) характере процесса разрушения. Читатель знает, конечно, что все адиабатические процессы ведут к неизменному повышению температуры. Например, при вспышке топлива в камере сгорания дизеля, при попадании пули в преграду, при быстром сжатии воздуха в насосе и т. д.

Итак, принципиально разогрев вершины трещины сомнений не вызывает. И действительно, теоретические исследования показывают, что температуры, которых можно ожидать, в стали, например, могут достигать 100–700 °C. На практике, однако, все гораздо сложнее. Зарегистрировать такое повышение температур в опытах с металлами не удалось. Дело не в том, что оно не возникает. Просто его очень трудно зафиксировать. Ведь «ловить»-то температурные скачки надо в объемах, исчисляемых квадратными микронами и меньше.

И все же не вызывает сомнения, что какой-то нагрев в устье трещины происходит. Но вместе с тем ясно и то, что решительного влияния на процесс разрушения оно не оказывает. А было бы совсем неплохо, если бы оказывало. Представьте себе: быстрая трещина так разогрела сама свою вершину, что материал стал едва ли не жидко-текучим и хрупкое разрушение прервалось.

Как для нас заманчиво самоторможение быстрой трещины, ведь это подлинное ее самоубийство! К сожалению, трещина — зло слишком самоуверенное и самовлюбленное, чтобы «покончить с собой» Поэтому учинить над ним «расправу» — дело наше. И для этого можно использовать тот же самый рычаг — тепло. Но тепло, сознательно привнесенное в разрушение извне.

Действие повышенной температуры на трещину благотворно по многим причинам. Прежде всего потому, что растет вязкость металла, способная погасить скорость разрушения. Кроме того, трещина как разрыв сплошности заметно меняет тепловой поток, распространяющийся в металле от внешнего источника. Это приводит к изменению распределения температур в ее вершине и термическим напряжениям. Вся проблема достаточно сложна.

Попробуем же, не вдаваясь в серьезный математический анализ, необходимый для ее решения, понять простейшую природу влияния разорванного температурного потока. Суть проста: трещина плохо пропускает тепло. Поэтому на ее берегах различная температура. Но ведь при нагреве металл расширяется. Следовательно, берега трещины расширяются по-разному. И эти два различных тепловых удлинения «встречаются» в единой вершине трещины. Если бы трещина вела себя как биметаллическая пластина, используемая в газовых колонках, то ее берега изогнулись бы. При этом пластина с большим тепловым расширением изогнулась бы сильнее другой, а вся она превратилась бы в запятую. Но трещина-то не тонкая пластина, она-то лишь часть массивного материала. Следовательно, она стремится изогнуться, а весь материал ее не пускает. В результате в массиве тела с трещиной возникают так называемые термоупругие напряжения. Они сложным образом взаимодействуют с напряжениями, возникающими в результате нагрузки, приложенной извне. Эта ситуация при некоторых условиях способна форсировать разрушение, но при других — притормаживать его. Задача лишь в том, чтобы эти условия найти и использовать.

Рассмотренный случай привел бы к тому, что трещина отклонилась бы от источника тепла. Может, однако, случиться и обратное. Пусть источник тепла находится далеко от трещины. Настолько далеко, что поверхность трещины не нагревается. Тогда на разрушение влияют только термоупругие напряжения, всегда окружающие источник тепла. Механизм их прост. Источник нагревает близлежащий участок металла и расширяет его в радиальном направлении. Трещина, расположенная по касательной, оказывается сжатой. В этом направлении она уже не может расти и вынуждена «изворачиваться». Но как? Вспомним, что стакан с горячей водой расширяется. Точно так же расширяется материал вокруг источника тепла. При этом по образующей цилиндра с нагретой сердцевиной в материале возникают растягивающие напряжения, стремящиеся его разорвать. Трещина, как известно, большая любительница растягивающих напряжений. Вот она и устремляется к месту нагрева, жадно поглощая свою пищу — поле растягивающих термоупругих напряжений.

Прямой эксперимент показывает, что трещина, распространяющаяся вблизи источника тепла, как правило, резко поворачивает к нему, вклинивается в оплавленную зону и останавливается.

Дополнительные возможности создают и источники отрицательных температур. Здесь трещина отклоняется от зоны охлаждения, а темп ее движения возрастает. Располагая точки нагрева в определенном порядке, скажем шахматном, так, чтобы их поля напряжений перекрывали друг друга, можно произвольно менять траекторию распространения разрушения и «уводить» его в любом заданном направлении. Можно притормаживать движение трещины, полностью его останавливать, а при желании и ускорять.

А можно ли использовать все это для торможения быстрой трещины? Да, можно. И вот как. Прежде всего на пути разрушения, происходящего со скоростью в 1000–2000 м/с, можно создавать стабильные температурные поля. Если трещина идет в направлении повышения температур, то рано или поздно она останавливается. Можно, однако, поступить и по-другому. Не создавать температурных полей заранее, а ждать, когда в этом районе возникнет разрушение или к нему подойдет трещина. И тогда…

Можно ли тогда включить электрическую спираль, нагреть ее и создать температурное и термоупругое поле в металле? Можно. Но к тому времени, когда мы успеем все это сделать, разрушение уже давно завершится. Время-то здесь измеряется в милли- и микросекундах. Значит, нагрев должен быть молниеносным, импульсным. Сегодня его осуществляют с помощью так называемых взрывающихся проволочек. Через тонкую проволочку или фольгу пропускают мощный разряд электрического тока от батареи конденсаторов. Джоулево тепло, образующееся в тонком проводнике, настолько велико и выделяется за столь короткое время (десятки микросекунд), что проводник «не выдерживает» и взрывается. При этом развивается давление в десятки тысяч атмосфер, температура достигает десятков тысяч градусов. Представьте себе, что такая проволочка взрывается непосредственно перед стремительно распространяющейся трещиной. До этого трещина «бежала», подгоняемая растягивающими напряжениями, легко «рвала» металл.

…Но молнии проволочка каленая

Черную тучу прожгла…

(Л. Озеров)

Вершина трещины сразу оказалась в очаге взрыва, где на нее почти одновременно действовали ударная волна, термоупругие напряжения и пластичность нагретого, а потому легко текущего металла. В результате за 10–15 мкс трещина растеряла свою скорость, составлявшую 1000–2000 м/с, затупилась и застряла. Таким же образом можно и отклонить трещину от ее основного направления, то есть можно управлять ею.

Конечно же, взрыв проводника не улучшает качества металла — он и наклепывает его, и создает в нем микроразрушения. Но трещину он все же тормозит, разрушение останавливает.

Имеем ли мы право на такое привлечение зла для победы над другим, горшим злом? Думаю, что да. Ведь ценой этого локального повреждения мы спасем целую конструкцию! Вот и получается, что в данном случае устарел «тезис» Петрарки:

Огонь огню предела не положит…

Вспомните, для спасения от другого бедствия — лесного пожара _ создают встречный вал огня. Почему же не воспользоваться этим методом как «противоядием» против разрушения?

Трещине полезно волноваться

В одном из кинофильмов рассказано, как пытались остановить буро-взрывные работы в горном районе, которые могли испортить трещинами ценные монолиты гранита и мрамора. Ясно, что прорастание трещин здесь вызывалось бы упругими волнами, возникавшими в очаге взрыва и распространявшимися от него на большие расстояния. Нас это не удивляет. Ведь при каждом взрыве вулкана возникающие волны способны многократно огибать земной шар и приводить, порой, к невероятным разрушениям. Понятно поэтому, что упругие волны способны не только вызывать появление трещин, но и решительным образом влиять на характер их распространения.

Какие же упругие волны существуют? Обычно различают волны продольные, поперечные и поверхностные. Кроме того, их делят на два типа. К одному из них относятся стационарные, то есть подлинные волны с многократно повторяющимися гребнями и впадинами. В таких волнах упругие возмущения идут одно за другим, никогда не прекращающейся чередой:

…За волною — волна,

точно всадник — за всадником…

(М. Квливидзе)

В продольной волне такого «непрерывного» типа вещество сжимается в направлении распространения волны. Допустим, что волна падает нормально к плоскости трещины. Ясно, что она будет сжимать берега и тормозить разрушение. А что произойдет, если эта волна пойдет по одному из берегов трещины, вдоль нее, по направлению к устью? Тогда эта часть материала окажется сжатой и трещина будет отворачиваться от нее. Между этими двумя случаями и лежит бездна углов падения волны на трещину. Меняя их, можно широко изменять характер влияния упругих возмущений на распространение быстрой трещины. Общий характер поведения разрушения здесь таков: трещина стремится к направлению сжимающего удара.

Допустим теперь, что волна по-прежнему продольная, но переносит она напряжения растяжения. Тогда при нормальном, то есть перпендикулярном падении на поверхность трещины возникало бы дополнительное растяжение, а разрушение ускорялось. При распространении такой волны по одному из берегов трещина поворачивала бы в эту же сторону. При произвольном угле падения трещина ориентируется всегда нормально к направлению волны растяжения.

Обратимся далее к поперечным стационарным волнам. В них возникают поперечные сдвиговые напряжения. Поэтому в подавляющем большинстве случаев волны эти так или иначе разворачивают разрушение.

Итак, все стационарные волновые явления активно влияют на движение трещины и способны не только тормозить и ускорять ее, но и переориентировать по своему желанию.

Многократно вводя энергию в окрестности вершины разреза, волна способна за длительное время контакта не только изменить поле напряжений, но и самым решительным образом — траекторию разрушения.

Особенно преуспевают в этом поверхностные волны, распространяющиеся в плоскости самой трещины. Мы уже говорили, что они с увеличением расстояния ослабляются меньше, нежели продольные и поперечные. Кроме того, волна, идущая по трещине, как по волноводу, подводит всю свою энергию прямо к вершине в отличие от продольных и поперечных, подходящих к устью трещины лишь частью своего фронта. Следовательно, коэффициент полезного действия поверхностной волны выше. Как же реагирует трещина на появление в своей вершине рэлеевских волн? Если эти волны бегут «ноздря к ноздре» по обеим берегам трещины, разрушение ускоряется в своей плоскости. Иное дело, если волна «струится» по одному из берегов. В ней точки колеблются в плоскости, нормальной к поверхности трещины. При этом каждая из них движется по эллипсу точно так, как перемещаются они в волне на поверхности воды. Ведь никого не удивляет, что море выбрасывает предметы на сушу. Если бы точки двигались только вверх и вниз, этого бы не случилось. Именно поэтому в рэлеевской волне возникают сдвиговые напряжения под прямым углом к скорости трещины. Опыт, проведенный И. С. Гузем и автором этой книги на трещине, скорость которой составляла 1 км/с, подтвердил разворот на 80–85°.

Было бы упущением не упомянуть здесь о волнах еще одного вида — изгибных. Пожалуй, они наиболее часто образуются в твердых телах. Именно такого рода нагружению подвергаются различные части летательных аппаратов, стрелы подъемных кранов, детали мостов и машин. Все волны, рассмотренные нами ранее, повышали концентрацию напряжений в вершине трещины. Иное дело изгибные. Они способны понижать напряжения в устье и таким образом тормозить трещины. Вместе с тем, подобно поперечным упругим колебаниям, изгибные волны отклоняют разрушение от первоначальной траектории и разворачивают трещину.

На практике очень часто волновые явления обладают достаточно высокой интенсивностью и способны ощутимо влиять на зарождение и распространение трещины. Так, разрушение авиационных конструкций хвостовых частей самолета часто наступает под действием мощных шумовых и звуковых потоков, возбуждаемых двигателями. Диапазон возникающих при этом усилий невероятно широк, что ведет к тяжелым условиям работы и многим видам разрушений.

Диапазон упругих частот, генерирующих в конструкциях современного реактивного самолета, простирается от инфразвуковых (измеряемых считанными герцами) до ультразвуковых (исчисляемых миллионами герц). Последствия страшны: выходит из строя обшивка руля высоты, что является прямым следствием шумов, создаваемых струей ракетного ускорителя. В американской печати отмечалось, что длительное время в ракете «Титан», построенной в США, появлялись подобные разрушения, также связанные с мощными шумами.

Для англо-французского сверхзвукового самолета типа «Конкорд» максимум звуковой интенсивности приходится на диапазон 100—1000 Гц. При этом в хвостовой части фюзеляжа преобладает участок спектра 100–250 Гц. Интересно, что при испытании самолетных конструкций применяют громкоговорители большой мощности со специальными рупорами; на «подопытные» объекты воздействуют звуком тысячи и тысячи часов — до полного разрушения металла. При этом используют то обстоятельство, что трещина реагирует на множество колебаний различных частот и особенно на резонансную частоту, зависящую не только от особенностей самой конструкции, но и от длины трещины. Оказалось, что эти-то резонансные частоты и находились в области особой чувствительности — 100–250 Гц.

Все эти примеры интересны не потому, что шумы способны разрушить даже металл. Как раз наоборот, мы стремимся выяснить, как использовать упругие волны различной природы для сознательного управления траекторией быстрой трещины. Как с их помощью затормозить разрушение? Годны ли для этого стационарные упругие волны? К сожалению, на практике их не используешь. И вот почему. Представьте, что перед нами какая-нибудь металлическая конструкция. Ее покой чутко охраняют своеобразные сторожа — акустические, электромагнитные или другие приборы. Но вот внезапно в каком-то ее месте возникла трещина. Она немедленно подает голос и датчики «службы безопасности» ее засекают. Привлекая небольшие вычислительные устройства, они определяют не только местонахождение трещины, но и направление, и скорость движения. Затем подают импульс — «сигнал бедствия». По этому сигналу должны сработать миниатюрные взрывные устройства и послать упругие волны на устье трещины. Большим ли запасом времени располагают эти устройства? Да, его почти что и нет. Всего-навсего 1–5 икс. За это мгновенье много периодов волн не пошлешь. Значит, это должен быть упругий импульс, а не периодическая волна. Именно он обрушивается на трещину в заданном месте под определенным углом.

Что же происходит при этом с трещиной? У нее должно остаться лишь две «возможности»: либо остановиться, либо изменить траекторию в том направлении, которое нужно нам. Конечно, хорошо прервать разрушение. Ведь это означает исключение катастрофы, бесценный выигрыш времени для ремонта и восстановления несущих свойств конструкции. Но разве остановленная трещина не начнет расти вновь? Может и начать, но ей надо разогнаться, а для этого получить немалую порцию энергии извне. Желательно, чтобы концентрация напряжений в вершине остановленной трещины была уменьшена до предела. Этому помогает следующее. Когда заряд тринитротолуола взрывается, он выбивает в материале небольшое отверстие, порядка нескольких миллиметров. Напряжения, создаваемые вокруг него, таковы, что проходящая мимо трещина в результате атаки ударных волн заворачивает на очаг взрыва и останавливается на нем. Это очень удобно, потому что теперь радиус при вершине трещины огромен и расти при напряжениях, существующих в детали, она больше не сможет.

Другой вариант в этом отношении, пожалуй, лучше. Допустим случилось так, что волны развернули трещину в обратном направлении или «завили» ее в окружность или спираль. Такое разрушение не сможет прогрессировать потому, что напряжения в его вершине будут определяться кривизной его траектории, а не остротой вершины трещины. Образец с такой трещиной окажется не менее прочным, чем совершенно целый. Он может успешно послужить еще некоторое время.

Что же происходит с металлом, когда на нем взрывается заряд тринитротолуола или другого взрывчатого вещества? Конечно, возникающие при этом упругие волны остановят трещину, однако они неизбежно повредят конструкцию, внесут в нее новые отверстия, зародышевые микротрещины и многие другие дефекты. И все же другого пути нет, ведь вся конструкция находилась в состоянии агонии. Не останови мы трещину, разрушение было бы неизбежным.

Трещина и шахматы

Мы уже говорили о том, что трещина не любит одиночества. Как правило, в металлах существует великое множество трещин, образующих огромные «коллективы». В отдельности каждая из них может быть малозначительной. Но едва ли не каждая мечтает стать «генералом», то есть магистральной. И тогда она расправляется со своими собратьями двумя способами: поглощает их при своем росте или, снижая напряжения в окружающем пространстве, заставляет их «схлопываться», а то и вовсе исчезать. Нечего сказать — милое и кроткое существо!

В этой главе мы попытаемся рассмотреть все возможные методы, все идеи и соображения, наконец, даже самые мимолетные упоминания о том, как же все-таки справиться с разрушением. Поэтому не будем брезгливы и подберем все зернышки, все крупицы надежды, сопутствующие этой проблеме.

Коллектив трещин, конечно же, ослабляет тело. Разумеется, было бы лучше без трещин, чем с ними. Но коль скоро отсутствие их в металле, к сожалению, исключено, посмотрим, нет ли каких-либо возможностей расположить их так, чтобы обращенное друг против друга их взаимное зло было как-то погашено. Не окажется ли внутреннее взаимодействие в такой системе трещин маленькой компенсацией за большое несчастье? Вопрос сводится таким образом к следующему: больше ли ослабляет тело коллектив трещин, нежели одиночная трещина? Не может ли оказаться, что система из многих трещин окажется «скованной» и неспособной быстро разрушить конструкцию. Наконец, не «заинтересована» ли прочность в том, чтобы уж если иметь врагов, так много? Тогда они помешают друг другу расправиться с тобой.

По-видимому, надежды эти совсем не случайны. Когда-то академик Я. Б. Зельдович предсказал, что при шахматном расположении трещин должно наблюдаться их взаимное упрочнение.

Теоретики-механики взялись за решение этой задачи и в последние 20 лет получили очень интересные и наглядные результаты. В. В. Панасюк и Л. Т. Бережницкий нашли, что выстроенные в хвост друг за другом трещины ослабляют тело, понижают его прочность. Поэтому такие системы крайне опасны и их надо всячески избегать. Заключение, полученное для случая неподвижных трещин, в еще большей степени справедливо для трещин растущих потому, что такие разрезы очень легко объединяются.

Совсем другое дело — системы из параллельно расположенных трещин. Их рассчитали В. 3. Партон и В. В. Панасюк со своими учениками. Прежде всего оказалось, что определенное взаимное расположение трещин приводит к стабилизации, то есть устойчивости каждой из них в отдельности и системы в целом. И связано это с интенсивным взаимодействием упругих полей трещин друг с другом. Поэтому при малых расстояниях между трещинами, когда они теснейшим образом слиты, эффект упрочнения оказывается наибольшим. При этом прочность системы трещин, безусловно, выше, чем одиночной трещины.

Интересно, а подтвердилось ли предположение академика Я. Б. Зельдовича?

И да, и нет. Действительно, система параллельных трещин предпочтительнее, чем одиночная. Однако что касается шахматного порядка их расположения, как наиболее оптимального, то здесь появилось «но»… Выяснилось, что этот порядок не обеспечивает максимальных прочностей. Гораздо прочнее металл, в котором трещины выстроены параллельными рядами и располагаются строго одна над другой. Вероятно, таких рядов может быть много, но они расположены не в шахматном порядке, а скорее как солдаты, выстроенные в каре.

Ну, а если в системе трещин расстояние между ними велико? Тогда взаимодействие трещин мало, и прочность такого объединения еще ниже, чем у одиночной трещины. Поэтому такое скопление, конечно, нежелательно.

Подобные соображения помогли ученым ФРГ разработать прочный керамический материал для изготовления турбинных лопаток. Основой этой керамики являются порошки окиси циркония и окиси алюминия. После прессовки их спекают при 1500 °C. В результате последующего быстрого охлаждении возникают чрезвычайно мелкие трещины диаметром в миллионные доли сантиметра. Эти-то микротрещины впоследствии и гасят напряжения от ударных нагрузок и препятствуют зарождению больших трещин в керамике.

Надежда — мой компас земной

Дорогой читатель! В первой половине книги мы посеяли семена нашего понимания природы разрушения. Теперь, когда они взошли и уборка в разгаре, нам нельзя потерять ни одного зернышка, ни одного колоска надежды на усмирение трещины. Ведь это не просто наша прихоть, а насущная потребность мира машин, механизмов и конструкций, от которых зависит наше существование, а порой и наша жизнь.

Крупицу оптимизма можно отыскать и в таком, казалось бы, безысходном процессе разрушения, каким является ветвление. Действительно, множественный распад трещин превращает некогда монолитный металл в груду осколков и не оставляет никакой надежды «выцарапать» из этого безжизненного хаоса что-то полезное. Однако если ветвящаяся трещина одна, а в металле она часто бывает одиночной, то тогда…

Тогда нам нужно вспомнить, что после каждого эпизода ветвления трещина моментально теряет свою скорость, а иной раз и вообще останавливается.

Нельзя ли использовать это обстоятельство и влиять на ветвление каждый раз, когда это нужно?

Но прежде всего, когда это выгодно? Тормозить трещину таким образом в закаленной стали, например, явно нецелесообразно. Затормозившись после ветвления, трещина моментально разгонится вновь в таком материале. Уж очень хрупок металл и велики ускорения разрушения из-за больших внутренних напряжений. Совершенно другое дело обычная незакаленная сталь. Или сталь, прошедшая после закалки отпуск. В ней внутренние напряжения относительно малы. Вязкость металла велика и энергия, необходимая для разгона трещины, на один-два порядка выше, чем в закаленной стали. Поэтому, если в такой стали осуществить насильственное ветвление, то потерявшая скорость трещина не сможет восполнить запас своей кинетической энергии за счет внутренних напряжений металла. С другой стороны, трещине понадобится много энергии для разгона, которую она вынуждена будет черпать из резервуара упруго нагружающей системы. А для этого нужно немало времени.

По существу мы использовали известный безжалостный принцип самбо: падающего — толкни, нападающего — тяни. Для остановки быстрой трещины мы заставили ее размножиться и создать вместо одного разрушения целый куст. Конечно же, при этом мы заплатили невероятную цену: чтобы остановить надвигающуюся катастрофу, мы заложили основы для двух новых в будущем. Но это в будущем. А сегодня… Сегодня в нашем арсенале методов торможения появился еще один.

Этот метод, каким бы спорным и сложным он не оказался впоследствии, открыл еще одно окошко в весенний мир надежды, хотя дело обстоит далеко не просто.

Быстрая трещина представляет собой систему неустойчивую. Ее склонность постоянно «рыскать» из стороны в сторону, ее «беспринципность» — безынерционность — обостряются по мере возрастания скорости распространения. При режимах, близких к ветвлению, эти процессы делают трещину «легко ранимой», уязвимой по отношению к любому динамическому воздействию извне. Совсем не обязательно, чтобы оно было большим по мощности и силе. Ведь когда система неустойчива, нетрудно вывести ее из равновесия. Для возникновения ветвления достаточно даже слабое воздействие.

Поэтому проблемы ветвления связаны не с тем, будет оно тормозить трещину или нет. Это бесспорно. Главное заключается в том, как это сделать. Простейший путь — взаимодействие трещины с импульсом сжатия. Когда-то в античной трагедии развязку, которую трудно было решить обычными традиционно человеческими средствами, драматурги осуществляли методом, известным под названием Deus ex machina («Бог из машины»). Буквально это означало вмешательство кого-нибудь из богов, прибывших на сцену с помощью механического приспособления. В роли такого Deus ex machina способен в нашем случае выступить упругий импульс сжатия, направленный нормально или под углом к трещине. В этом единоборстве импульс всегда побеждает, потому что нестабильной трещине многого и не надо и «укус пчелы» — импульс — почти с неизбежностью изменяет траекторию трещины и ведет к мгновенному ветвлению.

Таким или каким-либо другим импульсным методом нетрудно нарушить стабильность быстро и катастрофически растущей трещины, заставив ее тем самым разветвиться и потерять скорость. Проведенный несколько раз последовательно такой процесс на расстоянии в несколько миллиметров и сантиметров позволил бы остановить любую трещину.

Допустим, разрушение остановлено. К нашему счастью, в вязкой стали одна трещина расти может, но она не одна, их целый куст… Что же ждет эту конструкцию в будущем? Ведь ее «жизнь» — искусственно созданное нами существование, продленный эпизод. Это жизнь, в которую разрушение проникло настолько глубоко, что надеяться на нее нельзя — конструкция «едва дышит».

К счастью, в этом случае мы располагаем одним весомым аргументом, позволяющим утверждать, что все-таки шансы на «спасение» есть и немалые. Дело в том, что для разгона трещины надо затратить энергию на пластическую деформацию в ее вершине. Оказалось, что при малых скоростях пластичность велика, но с ростом скорости она быстро падает (примерно обратно пропорционально квадрату скорости). Поэтому, если трещину посредством ветвления притормозить или остановить, усилия для ее дальнейшего продвижения будут нелинейно велики. Тем более что в одном районе уже будет не одна трещина, а две-три. Для их роста теперь понадобится энергия, во много раз превышающая ту, при которой росла одиночная трещина до ветвления. Такой энергии в системе может не оказаться, и тело с метелкой трещин окажется достаточно прочным, чтобы выдержать некоторое время до создания условий, пригодных для ремонта конструкции. Конечно, мы предпочли бы монолитное крыло самолета, а не систему трещин. Но что же делать, коль скоро разрушение началось? Для предотвращения беды, видимо, все средства хороши. И мы в этой ситуации мало чем отличаемся от неизвестного генерала, победная реляция которого звучала так: «У нас не оказалось белого флага и мы вынуждены были победить».

Неправильности действуют правильно

Все методы и средства, которые мы рассматривали до сих пор как инструменты торможения разрушения, объединены одним — они макроскопичны. Кроме того, по существу мы совершали насилие над металлом, останавливая в нем трещину упругими волнами, температурными и упругими полями, наконец, другими трещинами. Единственным исключением были композитные материалы. Мы «дали им право высказаться», чтобы услышать «мнение» самого материала. Но, конечно же, оно было неполным, потому что обычные металлы не приняли участия в дискуссии. Между тем их «взгляды» далеко небезразличны нам. Ведь у кристаллов есть свои возможности торможения трещин. Свои резервы. И немалые. Что же может противопоставить кристаллический материал трещине? Свою прочность? Да, но это слишком собирательный и потому ничего не выражающий термин. Свою пластичность? Безусловно! — но уж слишком это общо.

Подлинное, «искреннее самовыражение» металла в его отношении к разрушению проявляется в тех реальных барьерах, которые он может выставить на пути разрушения. Образно говоря, каких солдат, какие полки и дивизии способен противопоставить металл наступающей колонне вражеских трещин? Этим войском самообороны металла являются шеренги и скопления его дефектов. Состоит эта армия из солдат — дислокаций. Именно они, эти воинские группировки металла, должны принять на себя первый удар зарождающейся, а потом растущей трещины.

Итак, внутренние дефекты материала — вот основная надежда его на прочность. Обратимся к королеве дефектов — дислокации. Мы помним, что существуют дислокации-сестры — краевые и винтовые. Опыт показал, что отдельная краевая дислокация и трещина совершенно безразличны друг к другу.

Они взаимно холодны и тогда, когда трещина пересекает краевую дислокацию. Совсем по-иному складываются отношения разрушения с винтовой сестрой. Дело в том, что эта дислокация закручивает кристалл в спираль. Значит, каждая кристаллографическая плоскость превращается тоже в спираль. Не избегает этой судьбы и плоскость разрушения. А там, где есть спираль, появляется и порог, соединяющий части плоскости с различным уровнем. Как говорят физики, при взаимодействии трещины с винтовой дислокацией возникают ступеньки. Но это — лишняя поверхность, а следовательно, дополнительная поверхностная энергия. Для образования ступеньки трещина вынуждена заимствовать упругую энергию из «банка», председателем и учредителем которого является разрушающая сила. Значит, преодоление трещиной винтовой дислокации требует дополнительных усилий, хотя и очень малых. Если на пути разбойницы-трещины встречается одна винтовая дислокация, то она, конечно, не сможет оказать достойного сопротивления. По-иному обстоит дело, если дислокаций легионы. Тогда они превращают парадное шествие трещины в судорожные скачки с ухаба на ухаб. Для преодоления сопротивления маленьких, но многочисленных противников трещина вынуждена тысячи раз обращаться в «банк» за субсидиями. Между тем возможности «банка» ограничены. И запасы валюты — энергии — у него быстро скудеют. При достаточно большом числе винтовых дислокаций рано или поздно наступит момент, когда банк обанкротится и трещина, в мгновенье ока, потеряв свою ретивость, остановится — она ведь всегда живет в кредит.

А много ли для этого нужно дислокаций? К сожалению, неисчислимо много — миллиарды, миллиарды и миллиарды. Далеко не всегда такое количество их имеется в распоряжении металла. Поэтому слишком надеяться на этот вариант торможения трещин в металле не следует, хотя свою положительную роль он, безусловно, играет.

У нас могло сложиться впечатление о «трусости» краевой дислокации — ведь она «уклоняется» от боя с трещиной. Да, но только потому, что мы потребовали от нее сражаться определенным видом оружия, скажем, на рапирах. Между тем она сильна в другом: ее коронный номер — «классическая борьба». И действительно, каждая краевая дислокация создает в окружающем ее пространстве упругие поля сжатия и растяжения. Первого трещина боится, второе любит. Поэтому, если краевая дислокация повернется к трещине своим щитом — полем сжимающих напряжений — трещина вынуждена будет приостановиться. Однако, так же как ее сестра — винтовая дислокация, краевая с таким хищником как трещина в одиночку не справится. Совсем по-другому протекает «раунд» с трещиной, когда краевые дислокации объединяются, противопоставляя опасности свою коллективную силу. Тогда они способны создавать обширную линию обороны, на всем протяжении которой существует мощное поле сжимающих напряжений. Обойти его трещине не удается, она вынуждена взаимодействовать с ним, серьезно притормаживая. Какие же объединения дислокаций имеются в виду? Прежде всего, дислокационные границы.

Хорошо известно, что простейшая такая граница — это вертикальный ряд краевых дислокаций. Расстояние между дислокациями, стоящими в затылок друг к другу, тем меньше, чем на большие углы развернуты кристаллы по обе стороны границы. Сплотившие свой ряд дислокации напоминают строй римских воинов — черепаху. Сплошной массив из щитов с частоколом копий встречает враг. Примерно так же окружают себя дислокации стеной полей сжатия, слившихся в один ковер. Да еще в два ряда. На расстояниях в 1000 мкм образуется поле внутренних напряжений, возникших при кристаллизации различно ориентированных зерен, а вблизи самих дислокаций — собственное упругое поле, простирающееся всего на несколько межатомных расстояний.

Даже такая однородная граница между субзернами в монокристаллическом материале способна влиять на медленную трещину. Но задержать быструю она не может. Зато в поликристаллической стали зерна развернуты столь капитально, что иногда представляют собой множество подобных рядов. Если угол наклона, составляемый соседними зернами, достигает 30°, такая граница непобедима, пробиться через нее трещина не в состоянии.

Параллельные ряды «римских черепах» останавливают трещину, идущую с любой скоростью и питающуюся любой упругой энергией. Если граница имеет винтовую природу (граница скручивания) и «сооружена» из винтовых дислокаций, то она еще прочнее. Понятно: ведь помимо того, что работают упругие поля дислокационных стенок, любой прорыв сопровождается возникновением ступеней, а это — дополнительные потери энергии. Поэтому уже 20-градусная винтовая граница — барьер совершенно непреодолимый для разрушения.

Вот, как обстоят дела, когда мы проводим опыты в лаборатории с единственной границей между двумя кристаллами. Физики называют такую пару бикристаллом. Но в повседневной практике все сложнее — ведь сталь в конечном итоге неизбежно разрушается трещиной. А реальная сталь — это десятки и сотни тысяч кристаллов. Каким же образом происходит «разгром» детали? Как

Сквозь леса из кристаллов

он держит свой путь

напролом?..

(В. Шефнер)

Прежде всего разориентированы эти тысячи кристаллов по-разному. Огромное их количество едва развернуто по отношению друг к другу. Многие — на большие углы. Для такого опытного разрушителя, как трещина, возникают неограниченные возможности. Допустим, в этот момент ее противник — малоугловая граница. Прорыв происходит относительно легко, а раскол выходит на широкоугловую. Удар, еще атака… Прорыв не удался. Но трещина находится под непрестанным давлением внешних напряжений. Если она медленная, то у нее есть время для «артподготовки». Она начинает деформировать металл в своей вершине, насыщает его дислокациями, меняет его структуры, разворачивает кристаллиты перед собой и в конечном итоге прорывается через изувеченный материал. Если времени у нее нет, она поступает по-другому. Быстро разворачивается и идет к другой границе кристаллита, более удачно ориентированной. Мы уже говорили о «беспринципности» трещины — огромной ее маневренности и способности легко менять свою траекторию. Именно это она и делает. Своеобразный метод проб и ошибок. Быстро «накапливая» опыт, который по выражению восточного мудреца чаще всего — дитя ошибки, трещина находит уязвимое место в обороне поликристалла и прорывает одну его границу за другой. Конечно, трещина не только не существо, но даже и не вещество; поэтому говорить о каком-то гуманоидном опыте можно лишь в риторическом смысле. Физически это выглядит примерно так. Встретившись с барьером и не пробив его, трещина вынуждена развернуться и перейти на ближайшую по углу плоскость спайности кристалла. Происходит что-то вроде того, как если бы вы слишком сильно нажали на перо. Оно бы изогнулось, потеряв устойчивость. Так же изгибается и трещина, но на вполне определенный угол. Теперь уже она давит на другой участок границы. Иногда в удачном. для нес месте произойдет прорыв. В неудачном — очередной разворот. Трещина как бы прощупывает различные участки границы, пока не находит самый уязвимый. В конечном итоге статистика (муза итогов!) оказывается иногда на стороне торжествующего разрушения. Уж очень разнопрочен стальной массив. Много в нем малоугловых лазеек для трещины.

Вот бы перекрыть их! В этом отношении немалые надежды подают нам точки, где сходятся 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 можно представить себе, что происходит при малейшем удалении от геометрической точки стыка. Прежде всего 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 одинокой 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 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 NaCl 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. Именно 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 это 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 S-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 большего 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 Бриллиантова — Обреимова и сброса? Ведь дело не в отдельных, может быть иногда и случайных фактах, событиях, результатах экспериментов. 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.

Итак, первые «бойцы», встающие на пути трещины и способные оказать ей сопротивление, — это дефекты кристаллической решетки. Именно 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, я поисках высокого сопротивления растущей трещине нам следует уподобиться фантастическому персонажу сатирика Ф. Кривина —

Жабоногу: „

«Каждый ищет, где лучше, а Жабоног ищет, где хуже. Дайте ему соленую воду, дайте ему самую холодную воду или даже горячую воду, и как раз это ему подойдет.

Потому что все ищут, где лучше, а когда все ищут, где лучше, тогда там, где лучше, становится хуже всего. Чтобы найти, где лучше, надо искать, где хуже, — он это понимает, мудрый, опытный Жабоног»[22].

Вот почему в изобретении способов высокого сопротивления, которые можно было бы противопоставить существующей и растущей трещине, нельзя ссылаться на традиционные бездислокационные материалы с прочностью, близкой к теоретически достижимой. Ибо это было бы решением только одной очень важной, но частной задачи — сдерживания зарождения первичной микротрещины. Но если трещина каким-то образом уже появилась, то теоретическая сверхпрочность мало поможет в борьбе. Ведь концентрация напряжений в вершине такой трещины при отсутствии пластичности легко достигает значений теоретической прочности. Поэтому такая трещина и распространяться будет легко. Чтобы справиться с ней, нужны совершенно иные качества кристалла, в частности необходимы дефекты. В этом несовместимом противоречии прекрасного и ущербного, с одной стороны, и его одновременного несовершенства — с другой, и заключается одна из проблем современного конструирования металлов и сплавов.

И разрушая, можно создавать

Мы уже с вами, читатель, обсуждали, как быть с разрушением, которое нужно остановить. Речь шла о том, чтобы прежде всего обнаружить его с помощью чувствительных приборов, использующих «шумливость» трещины, например акустических датчиков, способных воспринимать ее «пение» в акустическом диапазоне электрических или магнитных устройств, рассчитанных на определение электромагнитного излучения раскола и многих других. Полученные сигналы обрабатывались вычислительными устройствами и подавали команду на взрывы микрозарядов. Возникающие при этом упругие волны обрушивались на устье трещины и тормозили или разворачивали ее. Картина идеальная, но, к сожалению, имеющая по меньшей мере один крупный недостаток. Дело в том, что появление трещины, даже на довольно ранних стадиях разрушения, обнаружить можно; но вот точно определить, где она находится и куда движется, совсем не просто.

Задача эта очень похожа на перехват современного сверхзвукового самолета. Радары дальнего обнаружения засекают его достаточно далеко от цели, затем передают радарам, расположенным в непосредственной близости от защищаемого объекта, а те в свою очередь наводят на самолеты противника истребители-перехватчики или зенитные ракеты ПВО.

Только с трещиной все обстоит гораздо сложнее. И вот почему. Вражеский самолет может быть «засечен» за тысячи километров от цели. Поэтому ПВО имеет, если не час, то во всяком случае десяток минут для подготовки отпора. В случае с трещиной все время разрушения может составлять сотые и тысячные доли секунды. А то и меньше. И за ничтожные временные промежутки нужно не только установить местонахождение трещины, но и определить направление и скорость ее движения. Если этого не знать, то удар импульса упругих волн окажется совсем бесполезным или придется на полости уже пробежавшей и завершившей разрушение трещины. А между тем он должен попасть точно «в скулу» трещины, в самую ее вершину. В этой игре с бегущей трещиной ставки очень высоки, а трудности совершенно необычайны и потому, что трещина может возникнуть в любом кристаллите практически мгновенно, и потому, что времени невероятно мало.

Времени настолько мало, что сегодня еще нет вычислительных устройств, способных обработать сигнал, приходящий с датчиков, следящих за трещиной. Поэтому абсолютно точно вычислить местонахождение быстрой трещины пока почти невозможно. Все осложняется еще тем, что разрушение иногда растет судорожными скачками и способно быстро менять направление. Поэтому нельзя что-нибудь прогнозировать. Движение самолета и «неторопливее», и плавнее.

Лучше обстоит дело с усталостной трещиной. Подрастает она медленно, разумно, скачками, следующими один за другим. Траектория ее не меняется, как в дурном сне. Поэтому американские физики применили простейшие методы триангуляции к трещинам, растущим в ядерном реакторе. Использовали они для этого акустическое «эхо». С помощью одновременного определения звукового излучения трещины тремя различно расположенными датчиками было найдено точное место нахождения очага усталостного разрушения. Интересно, что исследования эти проходили дистанционно — на большом удалении измерительной аппаратуры от самого реактора (до 90 м).

Ясно, что усталостное разрушение — наиболее заманчивое и реальное приложение автоматических методов торможения трещин. Здесь в полном объеме могут быть использованы огромные возможности современной вычислительной техники — времени для этого достаточно, ведь скорости протекания процесса незначительны.

Но усталость — это лишь один из видов разрушения. И если в будущем мы и сумеем с ним справиться, то остается пока еще великое множество случаев, когда разрушающая трещина стремительна.

Что же делать тогда? Как определить, где она находится. А нельзя ли вообще этого не делать? Нет ли путей, которые позволили бы избежать этой процедуры?

Оказывается в некоторых простейших случаях такие пути есть. Представьте себе, что мы ориентировочно знаем хотя бы направление, по которому может побежать трещина. Тогда поперек этого направления, вдоль всей конструкции выстраиваем своего рода забор — натягиваем и приклеиваем тончайшую проволочку, электрически изолированную от металла. Растущая трещина разрывает эту проволочку одновременно с металлом конструкции. И если по этому датчику был заранее пропущен слабый электрический ток, можно получить сигнал о местонахождении трещины в данный момент. Но этот метод далеко не всегда удобен и потому, что дает лишь одну координату трещины, и потому, что очень трудно так приклеить проволочку к металлу, чтобы разрушались они абсолютно одновременно. Обычно проволочка запаздывает и рвется после прохождения трещины уже тогда, когда вершина давно ушла вперед и берега раздвигаются.

Выходит, что лоцирование разрушения — наиболее трудная задача во всей проблеме: ее надо либо решать немедленно, либо обходить. Помня студенческую поговорку, что «умный в гору не пойдет», попробуем отыскать боковую тропку. Начнем издалека.

Представьте себе, что проводится периодический осмотр ферм большого моста. На одной из стальных балок обнаружена трещина.

Что прежде всего делает ремонтная бригада? Высверливает в устье трещины отверстие. Зачем? Чтобы снизить концентрацию напряжений и приостановить разрушение. Спустя некоторое время, эту трещину заварят совсем, да еще сверх того на поврежденное сечение положат «заплатку» из стали.

Так, что же, — для борьбы использовать простую дрель — высверлить, скажем, вершину закритической трещины?

Но всякому здравому человеку ясно, что не сыскать такого Левшу, который изловчился бы сделать это за микросекунду — другую. К тому же, и в считанные микросекунды трещина не стоит на месте, а умудряется пробежать путь длиной от нескольких миллиметров до сантиметра. Ясно, что никакими традиционными механическими способами обезглавить или даже «подстричь» трещину не удается.

И все-таки, это возможно, но совершенно иными средствами. Представьте себе, что мы располагаем методом, с помощью которого можем нагреть устье трещины. Тогда материал в окрестностях вершины должен расшириться. Но окружающая матрица металла воспрепятствует этому. Иначе говоря, очаг, в котором разрываются межатомные связи, окажется сжатым тем больше, чем выше температура нагрева и значительнее перепад между нею и температурой окружающего пространства. Понятно, каким образом возникающие термические напряжения повлияют на разрушение: они станут мощно его тормозить.

Но здесь человек может достичь и большего. Допустим, мы не остановились на достигнутом, а продолжаем нагревать металл и доводим участок при вершине трещины до температуры плавления. Жидкий металл вытечет, в устье образуется отверстие. Упирающаяся в него трещина будет надежно остановлена. Во-первых, потому, что напряжения по контуру отверстия в сотни раз меньше, чем на трещине. Во-вторых, поверхность его раскалена, следовательно, сжата окружающим холодным металлом.

А как осуществляется все это на деле? Нам, к примеру, нужно предохранить от катастрофы большой лист металла, растянутый какими-то совершенно произвольными силами. Поставим неподалеку батарею конденсаторов большой емкости. В ней запасен значительный электрический заряд. Посредством быстродействующего включателя подключим батарею к защищаемому металлу.

Другим элементом антиаварийной системы служит рецептор — датчик, внимательно «прислушивающийся», не появится ли трещина. Он может быть любым, в частности звуковым. Здесь, однако, пришлось бы потребовать от него быть глухим ко всем звукам, кроме тех, которые издает трещина. В этом ему можно помочь. Любые случайные возбуждения, как правило, имеют низкочастотный спектр — слышимый. Другое дело трещина — она «работает» в неслышимой, ультразвуковой области. Вот и надо научить датчик реагировать только на ультразвук, а на остальные не обращать внимания.

Но это лишь один из принципов датчика. Имеет он и другой, не менее важный, который можно выразить латинским изречением: «Semper paratus», что значит «всегда готов». Датчик все время должен находиться в состоянии «боевой готовности», как радары, управляющие самолетами-перехватчиками и ракетами ПВО. Металл служит, спокойно «несет свой крест» — датчик настороже. И так все время, пока работает конструкция — и днем, и ночью, и в холод, и в жару.

Но вот появилась и побежала в металле трещина. Вечно бодрствующий рецептор только этого и ждал — он сразу же услышал ее и подал сигнал включателю, отделяющему электрический заряд конденсаторов от конструкции. Тот немедленно открылся, и поток электрической энергии в виде короткого электрического импульса большой мощности хлынул в защищаемый металлический лист.

И тут проявились удивительные качества высокочастотного электрического тока. Он стремится распространяться не по массиву металла, а по тонкому поверхностному его слою. Это явление так и называют скин-эффект[23]. Импульсу этому не надо знать, где находится трещина, — он ее сам мгновенно обнаружит. Ни к чему ему и сведения о скорости разрушения — все равно скорость эта ничтожна в сравнении с быстротой распространения электромагнитного сигнала или света. Словно бы широкая сеть поиска накинута на конструкцию. Мгновенно сосредоточивает она на трещине едва ли не всю энергию разряжающегося конденсатора. Дело прежде всего в том, что трещина — это поверхность. Но не менее важно, что она рассекает живое сечение металла, по которому течет высокочастотный ток. Он обтекает трещину сначала по одной ее стороне, затем ныряет в острую вершину, потом бежит по другому берегу. Самое интересное происходит в острие трещины. Радиус быстрого разрушения ничтожен и плотность тока «всплескивается» до огромных значений, причем тем больших, чём более хрупким и опасным было разрушение. Огромный ток выделяет в крохотном пространстве устья трещины титаническое количество джоулева тепла. Металл за считанные микросекунды разогревается, расплавляется и испаряется. Из вершины трещины буквально фонтанирует поток вещества — от частичек и капелек металла до плазмы; острейшая вершина превращается в оплавленное по краям отверстие в доли миллиметра и целые миллиметры. Получается совсем как в персидской пословице: «Вы покажите нам отверстие, а мы из него сделаем ворота». Эти-то ворота — непреодолимый барьер на пути трещины. Прорваться сквозь них она не в состоянии. Таким образом, разрушение безнадежно проигрывает безжалостному термическому разгрому, как это ни странно, несущему металлической конструкции добро. Счастливое отличие этого метода от других способов торможения трещины заключается в том, что металл с остановленной трещиной может служить долго. Причина в том, что возникшее отверстие полностью парализует любые попытки трещины подрасти. Тем более что не составляет труда сделать это «сверление» каким угодно большим.