Виктор Финкель - Портрет трещины
трещины, если по берегам ее идет пусть даже совершенно слабое пластическое течение. Но вот появилась первая трещина. Подобно новорожденному, она «заходится» в крике. Поэтому и интенсивность, и частота, и тембр звучания металла моментально изменились:
…И мы должны понять, что это есть значок Который посылает нам природа, Вступившая в другое время года…
(Н. Заболоцкий)
Отличие настолько разительно, что акустика в этом случае превращается в первоклассный инструмент определения самых ранних стадий появления трещин. Дело, правда, пока не дошло до определения момента возникновения зародышевой микротрещины в две – пять стомиллионные доли сантиметра, то есть двух межатомных расстояний, но это вопрос техники. Надо думать, что в ближайшие годы мы вполне сможем его разрешить.
Следующий период докритического подрастания трещины в акустическом отношении процесс довольно вялый – шепот да и только. Он «оживляется» лишь вспышками звучания в моменты возникновения новых трещин и объединения их. Постепенно подрастая, трещина «рас-
ходится» и с переходом через гриффитсовский размер начинает говорить, да что там – «орать» в полный голос. Она умудряется «вещать» и «пищать» не только в звуковом диапазоне от 3 до 25 кГц, но и захватывает область ультразвука. И хотя основная энергия при этом приходится на волны частотой от 200 до 500 кГц, но полный спектр простирается за частоту 1 МГц. Нет никакого сомнения, что по мере совершенствования методов измерения выяснится: ультразвук – не предел. Видимо, возможности трещины куда больше и достигают они так называемого гиперзвукового диапазона. А это не что иное, как тепловые колебания кристаллической решетки н частоты их от 109 до 1012-1013 Гц. И серьезные указания на этот счет имеются уже сейчас. Еще до'войны группа немецких акустиков обнаружила на поверхности разрушенных кристаллов круговые борозды. Оказалось, что они возникают из-за распространения по берегам трещины волн Вальнера (названных по имени открывшего их физика). Фронт трещины при взаимодействии с этими волнами отклоняется и образует борозды и ступеньки. А частоты этих волн составляют 1010-10" Гц. Вот вам и колоратурное сопрано!
Разнообразию исполнительских жанров трещины можно только позавидовать. Если певец «пользуется» только продольными акустическими волнами (воздух-то другие не пропускает!), то трещина, «выступающая» в твердой среде, «поет» и на продольных, и на поперечных. Мало того, она умудряется солировать и на так называемых поверхностных волнах. Правда, соло это очень своеобразное – волны бегут только по поверхности самой трещины. Если она внутренняя, то есть замкнутая, то они «перекатываются» от одной вершины трещины к другой. Так сказать, концерт для собственного удовольствия. Если трещина открыта, то волны эти выбегают на поверхность металла1. Впервые их наблюдал автор книги, а также И. С. Гузь. Оказалось, частоты волн лежат в пределах до 200 кГц, а максимальная интенсивность соответствует 50-60 кГц.
По отношению ко всем волнам, связанным с разрушением, можно сказать, что их энергия растет при увеличении приложенных напряжений и энергии деформи-
1 Интересно, что этот класс волн, вероятно, существует и у певцов – тело-то среда сплошная!
рования. Влияет на «шумливость» стали и термическая обработка. Правда, это происходит не прямо, а посредством изменения свойств самого металла.
Но вот настал и последний, финальный момент – трещина пересекла сечение детали и выбежала «сломя голову» наружу. Вот уж, действительно, «сломя голову», потому что она исчезла теперь и вместо одного куска металла мы имеем два. Но вспомним, в каком состоянии находятся две части металла по обе стороны бывшей трещины. Они, естественно, деформированы приложенными силами. После завершения разрушения сопротивление металла исчезло, следовательно, исчезла и внешняя сила. И тогда предоставленный самому себе металл начал восстанавливать свою форму. Если он был изогнут, то распрямляется; если был сжат, растягивается. Здесь и возникают мощные колебания, приводящие к распространению звуковой волны. Поскольку конструкция выступает сейчас в роли разорванной струны, ее частоты умеренны, акустический спектр, сопутствующий разрушению, как правило, сосредоточен на участке звуковых и начальных ультразвуковых частот. Но мощность их велика – ведь в едином ритме содрогается весь кусок освободившегося металла!
Звуки разрушения каждый раз индивидуальность, исключение, свойственное данному процессу разделения твердого тела. Неудивительно: ведь звучание процесса- это картина структурных особенностей и деформирования, и зарождения трещины, и закритического эпизода разделения материала, как бы нарисованная с помощью звука. Поэтому из серьезного анализа спектра звука можно понять, если не все, то многое, произошедшее и происходящее с металлом в процессе его разрушения. Другое дело, что это не просто, и сегодня по акустическому спектру нельзя еще получить полного представления о механических процессах, ибо далеко не все мы знаем и нам удается услышать эхо далеко не каждого физического процесса. Но это вопрос, безусловно, разрешимый и в ближайшие годы можно ожидать его прояснения. Однако уже сейчас кое-что понятно. Ясно, например: одна ли трещина или сто, уже по интенсивности звучания мы можем это определить. Поэтому «эхо» процесса четко различимо при обычном разрушении, и при ветвлении. Ветвление имеет несколько особенностей. Прежде всего относительно монотонный рост обыкновенной трещины
выглядит во втором случае как скачкообразный, прерываемый эпизодами зарождения ответвленных трещин. Кроме того, из одной трещины при ветвлении возникает настоящая «металка». Вспомните сотни трещин, лавиной расходящихся в закаленном стекле, пересекаемых другими, круговыми.
Все эти различия звуков, издаваемых материалами, как бы проецируются на наши приборы. Анализ данных показывает, что зарождение и разгон трещины до наступления ветвления в закаленной стали сопровождаются испусканием относительно низкочастотных упругих импульсов (40-50 кГц). Необычные акустические сигналы начинают появляться после преодоления трещиной скорости распространения 1900-2200 м/с, то есть с наступлением ветвления. В спектре трещины появляется высокочастотная компонента, состоящая из импульсов длительностью 0,5-2,0 мкс. Каждый из импульсов-визитная карточка самого элементарного процесса разветвления трещины. Ветвление в закаленном стекле происходит, примерно, за такой же промежуток времени – за
1 мкс. В целом, акустический сигнал всего процесса ветвления гораздо мощнее, нежели обычного разрушения, и по нему сразу же можно ясно установить его происхождение. Ибо рост одной трещины – это щебетанье по сравнению с гулом землетрясения при ветвлении.
К слову, нужно сказать, что акустическое отображение разрушения – не единственный процесс, в котором проявляет себя разрыв сплошности. Например, в некоторых кристаллах разрыв сопровождается различными видами свечения в форме импульсов длительностью 1 мкс.
В этих чистых вещах восхищает меня
Сочетанье внезапное звука со светом
(Ш. Бодлер)
При разрушении кристаллов оба берега трещины покрываются разноименными электрическими зарядами – электризуются. Образуется обычный конденсатор. В процессе роста трещины берега раздвигаются, а на языке электротехники это означает рост электрического потенциала. С его повышением происходит пробой промежутка, иначе говоря, возникает разряд, Сопровождаемый электромагнитным излучением и световой вспышкой.
Наряду с этими явлениями вскрывающаяся трещина излучает поток электронов. Да не обычных, а ускоренных напряжением до 15-40 кВ. Взяться этим напряжениям неоткуда. Разве что возникнуть из тех самых зарядов, которые имеются на полостях трещины. И тогда окажется, что заряды эти довольно велики. Они велики и на плоскостях трещины, и в ее вершине.
При росте трещины она способна вызывать излучение электромагнитных импульсов, длящихся микросекунды, повторяющихся через несколько миллисекунд. Отличительная особенность этих явлений в том, что они возникают не только во время роста трещины, но и после его завершения. Это и неудивительно, ведь электрические процессы, лежащие в их основе, продолжаются при раз-движении заряженных берегов трещины, все еще «чувствующих» друг друга даже на довольно значительных расстояниях.
Вот, оказывается, какова певица трещина! Она – исполнительница и в звуковом диапазоне, и на языке ультра- и гиперзвука. Но этого ей мало – она- поет и на электромагнитном, и «электронном» диалектах, а еще… на световом жаргоне! Многообещающая исполнительница! Судя по всему, все это для нее не потолок!
ТАКОВА ПРИРОДА ВЕЩЕЙ
…Жаждень узреть и собрать воедино Все, что известно уму твоему.
