Виктор Финкель - Портрет трещины
(И. А. Бунин)
Из всех оценок скорость трещины, достигающая рэлеевских волн, – наибольшая. Разогнать до такого ритма трещину трудно, но можно. Автору удалось его сделать лишь в одном случае-при импульсном нагружении. Надеяться на подвод энергии из объема нагруженного образца не приходилось. Поэтому в непосредствен-
ной близости от возникающей трещины взрывали небольшой заряд взрывчатки. Именно его энергией и определялся рост трещины в первые микросекунды после взрыва. И на стекле, и на стали на непродолжительное время трещина умудрялась развивать скорости до 3000 м/с. Вот уж воистину, как заметил шведский журналист Л. Бьорг, «иной раз благодаря хорошему пинку, мы обретаем крылья». Лишь только волна, возникшая в очаге взрыва, обгонит трещину, стремительный рост приостанавливается и разрушение распространяется со скоростями «моттовскими» примерно 2200-2600 м/с.
Таким образом, как будто с рэлеевскими волнами действительно связаны предельные возможности движения трещины. Недавно это было еще и экспериментально подтверждено Л. М. Лезвинской и автором этой книги. Оказалось, что поток энергии из объема разрываемого металла подтекает не буквально в вершину трещины, а, как это не удивительно, в зону перед трещиной. С ростом скорости поток, снабжающий трещину, распределяется по все расширяющейся области перед устьем. Все большее количество энергии «промахивается» мимо вершины и тем самым устраняется от разрушения. При предельной скорости, равной рэлеевской, почти вся энергия в вершину не попадает, а убегает в пространство.
Длительное время точка зрения о рэлеевском барьере преобладала. Правда, складывалось впечатление, что если бы удалось осуществить энергоснабжение вершины трещины каким-либо другим способом со скоростью, превышающей рэлеевскую, образование трещины можно было бы ускорить и достичь сверхрэлеевских скоростей. Но прямо осуществить это было трудно. Сенсацией прозвучали в 1970 году работы зарубежных ученых С. Винклера, Д. Шоки и Д. Каррена. Они направили световой импульс рубинового лазера на кристалл хлористого калия. При этом в очаге поражения вещество превратилось в плазму с температурой в миллион градусов, расширяющуюся со скоростью в десятки километров в секунду. По фронту плазмы возникла трещина. Плазма проникла в ее полость и создала своеобразный клин, разгоняющий трещину. Скорость распространения оказалась удивительной – 60 км/с, то есть в 10-15 раз превысила скорость звука! Почему же это оказалось возможным? Но прежде надо объяснить, почему это было невозможным ранее.
Когда мы прикладывали нагрузку и растягивали образец, трещина получала энергию опосредованно – через материал деформированного образца. А он мог пропускать поток волн напряжений в лучшем случае только со звуковой скоростью. При нагружении же лазером энергия плазмы прикладывается непосредственно к вершине трещины. Отсутствие посредника позволяет накачивать энергию с неограниченной скоростью и, таким образом, разогнать трещину, как показывают расчеты, в 25 раз быстрее, чем скорость звука. Интересно здесь то, что материал перед клином «не предупрежден» о приближении трещины до тех пор, пока не подвергнется непосредственному удару. Речь идет не об обычном разрушении, а о своего рода сверхзвуковом течении твердого тела вокруг горячей плазмы и трещины.
На этом надо бы и окончить этот раздел. Но я хотел бы поделиться с читателем тем чувством, которое охватило меня много лет назад, когда я начинал свою работу. Каждый раз, когда моя кинокамера, хороший и надежный прибор, – приносила новые и новые цифры ошеломляющих скоростей разрушения, каждый раз, когда я читал статьи о сумасшедших скоростях трещины, мне казалось, что мало найдется сил, способных остановить это торжество бессмысленности и хаоса. Но на самом деле учеными разных стран уже был заложен крепкий фундамент в основание науки о прочности.
«УБЕЖДЕНИЯ» ТРЕЩИНЫ
Нет ничего… Это стремленье
К бегу, к движенью Сущность всего…
М. ЭминескуВсе предыдущее показало нам как бы обреченность детали с трещиной и, я бы сказал, торжество зла. Своего рода апофеозом бессмысленности явилась закритичес-кая стадия разрушения, несущая беду со скоростью в треть космической. На своей завершающей стадии процесс разрушения поражает прямолинейной нелепостью и неудержимостью.
Посмотрим внимательнее в связи с этим на «моральные устои» быстрой трещины. Начнем с того, что не
только при медленном, но и при взрывном разрушении трещина появляется не сразу. Происходит так называемая задержка разрушения. Ее длительность определяется характером нагружения и качеством разрушаемого металла. Для пластичных сталей при очень «нежном» нагружении изгибом она составляет 6500 мкс. При предельно «жестком» взрывном разрушении закаленной стальной полосы задержка всего 10-50 мкс. Природа этого явления сложна и связана в первую очередь с зарождением дислокаций и их движением созданием микротрещины и формированием поля напряжений. Все вместе это, так сказать, «роды» разрушения. Естественен вопрос: зависит ли каким-либо образом последующее распространение трещины от этого первого этапа? Нет! Ибо «мораль» трещины проста – она живет настоящим моментом, идет в том направлении и так, как того требует поле напряжений в данной точке пространства и времени. Она не помнит прошлого. В физике это явление не редкое. Например, когда в какой-то части пространства наложились друг на друга и провзаимо-действовали волны любой природы, их дальнейшее движение происходит так, как будто никакого взаимодействия между ними никогда и не происходило. Существует даже специальный принцип суперпозиции, определяющий это явление. Согласно ему в любом сложном акустическом процессе каждая волна, каждый звук сохраняют свою «суверенность» и всегда могут быть выделены, правда, с теми или иными ухищрениями. «Это как ветер и вода, они движут друг друга, но каждый остается самим собой»1.
Трещина растет в потоке упругих волн, обрушивающемся на нее. Волны подчиняются принципу суперпозиции и заставляют трещину покориться ему. Поэтому в каждый момент своего движения трещина поступает так, как ведет себя «непомнящий родства. Ее поведение диктуется только сиюминутной ситуацией реального поля напряжений. Инерцией и «совестливостью» она практически не обладает.
Ф. Кривин иронически говорит об этом так: «- Помещение должно быть открыто, – глубокомысленно замечает Дверная ручка, когда открывают дверь.
1 Ремарк Э. Тени в раю//Север. 1967. № 9-11.
– Помещение должно быть закрыто, – философски заключает она, когда дверь закрывают.
Убеждения Дверной Ручки зависят от того, кто на нее нажимает»1. Как будто списано все это с поведения «беспринципной» трещины. Мораль ее проста – она живет настоящим моментом, не помнит прошлого и идет туда и так, как того требует поле напряжений.
Невероятная чувствительность быстрой трещины к локальным изменениям упругого поля ведет к сложному явлению, называемому ветвлением. Внешне оно проявляется просто. При достаточно высокой скорости, достигающей в стали 1600-2000 м/с, трещина разделяется на две или три. Каждая из возникших трещин способна распространяться дальше и также ветвиться. Но после каждого акта ветвления трещина теряет свою скорость, иной раз до нуля! Затем следует быстрый разгон до пороговых скоростей – ветвление и опять спад.
Почему же это происходит? Да потому, что упругая энергия, идущая на хрупкое разрушение, тратится на компенсацию поверхностной энергии. Если при обычном разрушении возникают две поверхности, то при ветвлении их уже четыре, если трещина разделилась на две, и шесть, если она распалась на три. Поэтому запасы упругой энергии в микрообъемах материала, прилегающего к трещине, быстро иссякают и трещина гасит скорость, а то и вовсе останавливается. Нужно затем некоторое время, чтобы упругие волны принесли новые порции энергии издалека. Число таких циклов неограниченно, потому что вследствие огромных ускорений трещина развивает скорость молниеносно и на протяжении считанных миллиметров способна ветвиться многократно.
Рождение вторичных трещин всегда связано с искривлением траектории магистральной. Очередность событий при этом такова. Сначала основная трещина «ныряет» в сторону, выбрасывает ответвление, а затем, как бы оттолкнувшись от него, возвращается на прежнюю траекторию. В результате ответвление оказывается направленным по касательной к искривленному участку траектории. Впоследствии вторичная трещина отклоняется на углы до 30-40°.
Элементарный акт излучения вторичной трещины
' Кривин Ф. Сила убеждения. В стране вещей. – М.: Советский писатель, 1961. С. 15
связан, таким образом, с искривлением основной магистральной. Последующее их расхождение обусловлено, вероятно, известной отдачей в соответствии с законом сохранения количества движения. Вместе с тем даже при многочисленных ветвлениях магистральная трещина распространяется сравнительно прямолинейно. Поэтому первичным является искривление трещины, вызванное ее нестабильностью, а излучение – вторичным. И действительно, Элизабет Иоффе показала, что ветвление должно наступать тогда, когда в широкой области перед быстрой трещиной возникают примерно равные напряжения и трещине, в сущности безразлично, куда «бежать». Трещина при этом может легко «заблудиться» и отклониться в сторону. В этих-то условиях испускание ответвленной трещины и способствует спрямлению траектории. Чем-то это напоминает реактивное движение, при котором, выбрасываемое из ракеты вещество может сообщить ей движение в противоположном направлении.
