Виктор Финкель - Портрет трещины
ТАКОВА ПРИРОДА ВЕЩЕЙ
…Жаждень узреть и собрать воедино Все, что известно уму твоему.
Ираклий АбашидзеПодведем итоги этой главы. Прежде всего нам понятно, что разрушение-процесс неслучайный. Он предопределен самой природой. Возможно, это одно из проявлений второго начала термодинамики, согласно которому всякая физическая система, предоставленная самой себе, рано или поздно распадается.
Если это термический очаг, он потухнет и температуры выровняются. Если это скопление вещества, то со временем оно распылится и равномерно распределится в окружающем пространстве. Если это живое существо, то рано или поздно оно погибнет. Если это металлическая конструкция, она разрушится.
Мы видели, как времени рука
Срывает все, во что рядится время.
Как сносят башню гордую река и рушит медь тысячелетий бремя.
(В. Шекспир)
Трещина, вероятно, и есть своеобразный инструмент второго начала термодинамики. И действительно, весь наш опыт говорит о преходящем характере прочности и о том, что даже металл, обладающий теоретической прочностью, может быть разрушен внешними усилиями.
Все это, конечно, не означает, что прочности вообще не существует и конструкция развалится тотчас после ее создания. Ведь и живой организм до половины своего бытия успешно сражается со «вторым началом». Поэтому, работая над прочностью, нужно быть оптимистом и понимать, что многое в наших руках. Мы можем отодвинуть любой из механизмов разрушения на более поздний срок. Мы в состоянии затормозить процессы, лежащие в основе разрушения. Поэтому, чтобы уметь с ними бороться, а если понадобиться, то и использовать их в наших «корыстных» целях, нам нужно хорошо представлять себе, что же такое разрушение.
Итак, что же такое разрушение? Это смерть материала или конструкции как единого целого, подготовленная прежде всего упругой деформацией, протекающей в условиях статических или динамических нагрузок. В по-
следнем случае она представляет собой распространение в материале упругих волн. Затем это некоторая пластическая деформация, сопровождаемая необратимыми изменениями структур. Осуществляется эта деформация движением дислокаций по кристаллографическим плоскостям. Взаимодействуя друг с другом, дислокации способны образовать микротрещины. С этого и начинается собственно разрушение. Микротрещины могут медленно подрастать. Длительность этого периода иногда исчисляется годами. Это так называемый докритический рост трещины, когда конструкция не потеряла способности сопротивляться внешнему нагружению. Это жизнь со злокачественной опухолью, рост которой почему-то остановился… Но вот барьер перейден – трещина перевалила через критический размер. Поток энергии из напряженного объема хлынул в нее, легко скомпенсировал затраты на пластическую деформацию и стремительно «погнал» трещину вперед. Теперь жизнь металла исчисляется не минутами и даже не секундами. При скорости распространения трещины, измеряемой километрами в секунду, речь идет о милли- и микросекундах. Металл обречен.
Акустический, световой, электромагнитный – вот «языки», на которых вначале монолитный, а затем распадающийся металл-полиглот рассказывает нам о своем состоянии все это время – от упругой деформации до полного разрушения.
Такова краткая история разрушения. Очень образно «смоделировал» ее на примере погибающего дерева польский писатель А. Минковский:
«…Я увидел, как убивают дерево: с одной стороны топором делают глубокую зарубку, а с другой – пилят вдвоем. Сначала ничего особенного не происходит. Огромная сосна, ни о чем не подозревая, стоит себе спокойно, растопырив игольчатые сучья. Вдруг по ней пробегает озноб. Легчайшая дрожь, вслед за нею тревожный шум ветвей. И спокойствие, нарушаемое только ритмичным повизгиванием пилы. Потом тихий треск лопающихся волокон, шелест кроны: сосна как будто осматривается, испуганная, полная изумления… Треск нарастает, ряд одиночных выстрелов – сосна шатается, напрасно пытается удержать равновесие, в отчаянии трясет пучками игл. Края раны раздвигаются, лесорубы вынимают пилу, отскакивают в сторону. Дерево еще защищается, еще балансирует, как канатоходец, у которого под куполом цирка вдруг закружилась голова. Наконец, сначала медленно, а потом все быстрее, стремительнее хвойная громада с треском рушится, задевая соседние деревья, тяжело ударяется о землю, пружины сучьев ломаются и неподвижно замирают на придавленных кустах. Борьба окончена…»1
1 Минковский А. Дороги воспоминаний. – 1967. С. 36.
М.: Молодая гвардия,
Как маятник остановив рукою, Цвет времени от времени спасти?
В. Шекспир
ВОЗМОЖЕН ЛИ ПРОГНОЗ
…Однако эта неопределенность ничуть не омрачила его радостного настроения.
Мэлвин Брэгг9 марта 1934 года мощная балка, предназначавшаяся для термодинамической лаборатории Льежского университета, самопроизвольно раскололась по всей своей 12-метровой длине1.
2 декабря 1942 года в обшивке цельносварного танкера, находившегося еще на стапелях, без влияния какой-либо внешней нагрузки образовалась трещина длиной 13 метров. Танкер «Скенектеди» водоизмещением 7230 тонн попросту разломился пополам в спокойной воде.
В 1973 году обрушился мост с пролетом 336 метров через реку Огайо у города Уиллинг. Вот свидетельство очевидца: «В течение нескольких минут мы следили с тревогой за колебаниями, подобными качке корабля в шторм. Один раз мост поднялся почти на высоту пилонов и затем опустился: при этом вдоль всего пролета произошло скручивание, и одна половина проезжей части почти перевернулась. Затем огромная конструкция с головокружительной высоты устремилась в реку с ужасным треском и грохотом»2.
Совсем недавно, в 1976 году, на глазах многих в центре Вены над Дунаем возник огромный столб пыли, земля задрожала и важнейшая транспортная артерия австрийской столицы, связывающая ее с пригородами – мост Рейхсбрюкке – рухнул в воду. К счастью, катастрофа произошла ранним воскресным утром, когда на мосту почти не было машин и пешеходов (в часы «пик» по Рейхсбрюкке проходило до 18 тысяч машин в час). Однако без жертв все-таки не обошлось. Обломки моста блокировали Дунай, из-за чего в районе Вены скопились сотни грузовых судов и барж3.
Печальной особенностью многих разрушений являются их труднопредсказуемые последствия, что кстати
1 Остаточные напряжения./Под ред. В. Р. Осгуда. М.: ИЛ, 1957. С. 9, 54.
г Пановко Я. Г., Губанова И. И. Устойчивость и колебания упругих систем. -М.: Наука, 1967. С. 349.
3 Мост рухнул от «усталости»?//За рубежом. 1976. № 33. С. 20.
и следует из буквального смысла греческого слова «катастрофа» – переворот, внезапное бедствие, влекущее за собой тяжелые последствия.
Разнообразие видов разрушения трудно себе представить. На морских судах, например, сталкиваются с кавитацией. Это явление связано с возникновением в жидкости разрывов сплошности в виде крохотных пузырьков. Появляющиеся при этом упругие импульсы вырывают из винта корабля частицы металла и быстро разрушают его.
Я привел лишь несколько примеров аварий. Может сложиться впечатление, что их причины необъяснимы. Но это неверно. Тысячи и тысячи разнообразных катастроф, крушений и аварий известны человечеству в прошлом и, к сожалению, случаются в настоящем. Однако в подавляющем большинстве случаев наука обстоятельно проанализировала их природу. Это, правда, не может исправить произошедшее, но служит хорошим уроком на будущее. И, конечно же, каждая конкретная катастрофа, будь то падение моста, разрушение самолета или взрыв цистерны, имеет свои собственные корни.Именно о физических процессах, ведущих к появлению трещины при различных условиях эксплуатации, и пойдет речь ниже.
ПЕНЬ У ДОРОГИ
Печален мой удел.
Каким я хрупким счастьем овладел!
В. Шекспир«Темной южной ночью на палубе французского научного судна «Жан Шарко», проводившего исследовательский рейс в районе Азорских островов, неожиданно раздался грохот. Встревоженные моряки и ученые, высыпавшие на освещенную прожекторами палубу, обнаружили, что взрываются глыбы обсидиана, накануне поднятые драгой с глубины около трех километров. Камни высоко подпрыгивали на палубе, с глухим звуком рассыпались в воздухе и дождем осколков падали на палубу.
Утром, когда улеглось волнение, вызванное ночным переполохом, геологи объяснили странное поведение камней. Видимо, в обследованном районе не так давно
(по геологическим масштабам, конечно) произошло извержение вулкана. Излившаяся магма застыла, испытывая огромное давление воды. Образовавшаяся при этом порода, как пружина, хранила в себе сильное внутреннее напряжение»1.
При производстве разнообразных металлических конструкций сварка – один из ведущих технологических процессов, позволяющих образовать монолит из одинаковых или различных металлов и сплавов или изготовить пространственно сложное изделие, не воспроизводимое другими методами. Ценный это метод, жизнью оправданный и имеющий большое будущее. Но он нелишен недостатков. Об одном из них мне хочется рассказать.
