Виктор Финкель - Портрет трещины
В избирательности и заключается основная проблема обеспечения прочности металла, противопоставляемой возможной усталости. Металл должен быть равнопрочным во всей своей структуре. Но для реального металла это невозможно – он неоднороден от рождения. И потому, что он – поликристалл, и потому, что он – сплав, и потому, что в нем разбросаны разнообразнейшие примеси и дефекты. А следовательно, в нем изобилие слабых мест, которые безошибочно находит усталость. Ведь для разрушения достаточно лишь одного!
Каков физический механизм зарождения микроскопических трещин при циклическом нагружении? Прежде всего ими могут быть едва ли не все дислокационные механизмы, рассмотренные в первой главе. Но есть и специфические «усталостные» модели. Одной из них является схема, предложенная японским физиком Эиихи Фуд-зита. Когда в одной плоскости скольжения сближаются разноименные краевые дислокации, то у одной из них экстраплоскость находится вверху, а у другой – внизу. Естественно, что они соединяются и дислокации исчезают – аннигилируют. А теперь представьте себе те же дислокации, но на разных и очень близких плоскостях скольжения. У основания каждой из экстраплоскостей – пустое пространство, немного большее, чем между атомами в здоровой классической решетке. Эти пустоты двух разноименных дислокаций сливаются и образуют
зародыш микротрещины. Такой же процесс в этом же районе протекает и с объединением двух пар дислокаций. В результате многих подобных актов зародыш подрастает и становится устойчивым. В дальнейшем он увеличивается благодаря втеканию в него дислокаций с полосы скольжения. И, наконец, превращается в трещину. Фуд-зита очень остроумно использовал в дислокационной модели то, что усталость чувствительна к различным включениям и выделениям. Он допустил, что из-за многократного путешествия дислокаций по полосе скольжения туда и обратно – нагружение-то циклическое – происходит окисление материала в окрестностях линий скольжения. Читатель может спросить: а откуда же появляется кислород в середине металла? Ответить можно двояко. Во-первых, кислород и другие газы остаются в металле во время его выплавки. Во-вторых, линии скольжения выходят на поверхность металла, а уж там кислорода сколько угодно. И если этот вопрос снять, то гипотеза Фудзиты означает следующее: в полосе скольжения образуются оксиды. А частица оксида – это барьер для дислокаций. А отсюда, как нам хорошо известно, один шаг до трещины.
Есть много вариантов взаимодействия дислокаций, приводящих к возникновению точечных дефектов, называемых вакансиями. Не вызывает сомнения, что в процессе усталости в металле образуется большое количество вакансий. Это явление и порождает разнообразные гипотезы о скапливании вакансий и объединении их в поры или лакуны. Такие каверны могут стать источником разрушения. Простейшим вариантом превращения полости в трещину является ее «сплющивание» под действием внешнего нагружения.
Советские ученые И. А. Одинг и В. С. Иванова считают, что причины зарождения разрушения связаны с огромной энергией упругой деформации, возникающей в некоторых микрообъемах. Тогда первичное разрушение может «вспыхнуть», например, из-за обычного процесса плавления.
При усталости появляются некоторые эффекты, не встречающиеся в случае обычной деформации. Так, из циклически нагружаемого металла вытесняются тонкие пластинки материала прямо по плоскостям скольжения. Явление это называют экструзией. Известен и обратный процесс втягивания металла – интрузия. Вопрос об их
происхождении спорен. Тем не менее некоторые считают, что образование трещины может быть связано с ними.
Если подвести итоги наших представлений о природе усталости, то оказывается, что он еще не очень богат. Но бояться этого не надо. – «Ведь только мудрый человек способен сказать: «Я этого не знаю»… Ибо только мудрый может знать истинные пределы своих знаний»1.
В этом «нет» и своя прелесть – ведь столько интересного и неизведанного впереди. Конечно, границ для знаний нет. И те, кто сегодня сдает вступительные экзамены в вузы, в свой срок раздвинут границы познанного и решат свои задачи!
Не надо забывать, что проблема усталости – одна из самых важных в современной технике. Нет такой отрасли промышленности, где она не фигурировала бы как обнаженное зло, поражающее разнообразнейшие оси, огромные роторы, коленчатые валы двигателей, лопатки паровых, водяных и газовых турбин. А в авиации? Со времени серии аварий английских пассажирских самолетов «Комета» так называемая малоцикловая усталость – притча во языцех. И неудивительно. Все самолеты при подъеме на большую высоту претерпевают своего рода «раздутие» из-за того, что внутреннее давление воздуха остается почти тем же самым, а внешнее – резко падает. При посадке давления выравниваются. За время жизни самолета таких циклов несколько сотен. И так как в корпусе лайнера есть окна, люки, тысячи заклепок и другие концентраторы напряжений, то может возникнуть трещина, представляющая в этих условиях прямую угрозу жизни сотен пассажиров.
А что такое усталость для глубоководных подводных лодок? При погружении корпус корабля подвергается невероятному обжатию. При подъеме же на поверхность не только люди, но и вся лодка вздыхает с облегчением и расширяется. Повторенный многократно этот процесс тоже должен вызвать усталость металла. И может быть совсем не случайны слова в известной песне: «…когда усталая подлодка из глубины идет домой…» «Усталая» – только ли метафора?
Два последних примера подчеркивают важность и неотложность глубокого понимания всего, что связано
1 Крайтон Р. Тайна Санта-Виттории. – М.: Прогресс, 1970. С. 169.
с усталостью. И поскольку речь идет едва ли не о самых ответственных отраслях промышленности, в проблемы усталости, несомненно, будут вложены и средства, и способности ученых всего мира. А это, конечно же, приведет к решению в целом. Когда это произойдет, сказать трудно. Но, вероятно, в ближайшие десятилетия.
НУЖЕН ОРЛИНЫЙ ГЛАЗ
– Чего Вы добивались?
– Я искал трещину, мой друг.
Агата КристиА. И. Куприн рассказывает древнюю историю о том, как царица Савская, желая испытать мудрость царя Соломона, задала ему загадку: «…прислала она Соломону алмаз величиной с лесной орех. В камне была тонкая весьма извилистая трещина, которая узким сложным ходом пробуравила все его тело. Нужно было продеть сквозь этот алмаз шелковинку. И мудрый царь впустил в отверстие шелковичного червя, который, пройдя наружу, оставил за собой следом тончайшую шелковую паутинку»1.
Скажем прямо, по нынешним меркам решение такой задачи посильно рядовому человеку. Во-первых, действительно, трещина, которую «исследовал» царь Соломон, была относительно широкой по своему сечению – порядка миллиметра. Во-вторых, она выходила на поверхность и была видна невооруженным глазом. В-третьих, трещина образовалась в прозрачном алмазе. Словом, царь знал о ней все. Это, конечно, не уменьшает его остроумия при «продевании» червя-нитки в эдакое хитрое «ушко». Но… …реальные задачи, стоящие перед специалистами в области прочности и разрушения металлов, куда сложнее.
Начнем с того, что трещины далеко не всегда значительны по размерам. Если бы они были слишком велики, детали как единого целого уже не существовало бы. Сплошь и рядом трещины в полном смысле слова микроскопичны, то есть видеть их можно в микроскоп. Да и то не во всякий. Иной раз нужен не оптический, а электронный. Это значит, что размеры таких трещин исчисляются тысячными, а порой, миллионными долями сантиметра.
' Куприн А. И. Собр. соч в девяти томах. Т. 5. – М.: Правда. С. 40.
Да и червя такого не сыскать, чтобы запустить его в трещину сечением в несколько межатомных расстояний. Но если вдруг мы и нашли бы какое-то живое существо, способное «втиснуться» в дефект, то оно оказалось бы либо в тупике – трещины конечны по своей длине, либо в безнадежном лабиринте. К тому же, далеко не все трещины выходят на поверхность…
Между тем реальный металл – это мир, пронизанный фантастическим количеством микротрещин. Я имею в виду полноценный металл, то есть хорошо выплавленный, прокатанный, термически обработанный с соблюдением всех правил и предосторожностей. Чем-то он напоминает старый потрескавшийся потолок. Трещины на нем образуют сложнейшие рисунки: вглядитесь в них пристально и воображение приблизит их к любому образу: вы увидите паутинное разветвление железнодорожного узла, фантастических зверей, удивительные лица. Не испугаться ли за прочность металла?
Но мы уже знаем – до поры до времени это не страшно. Трещины-то докритические. Тем не менее под контролем их держать надо. Как же это можно сделать? На прозрачных материалах самые малые трещины, которые видны в микроскоп, порядка нескольких тысячных миллиметра. А если меньше? Тогда можно использовать рассеяние света на неоднородностях, которыми являются микротрещины. Представьте себе, что Вы на хоккейном матче. За пять минут до его начала стадион оживлен, все осветительные устройства включены, но почему-то довольно темно. А дело в том, что световые лучи входят под углом в идеальный, полированный слой льда и начинают отражаться в нем от одной поверхности к другой. Очень много света буквально «запутывается в слое льда» и «выходит из игры» – теряется для освещения. Но вот прошло 5-10 минут. Накал ламп не изменился и новых прожекторов не включали, а явственно посветлело. Что же произошло? Хоккеисты своими коньками изрезали поверхность льда. Возникшие от коньков борозды и отходящие от них внутрь льда трещинки не пропускают свет в глубь слоя льда и рассеивают его в пространство. Вот так же примерно рассеивают свет и микроскопические трещины внутри прозрачного кристалла. Благодаря этому можно изучать трещинки, размер которых близок к длине волны света, то есть равен примерно пяти деся-тимиллнонным частям метра. А нельзя ли с помощью
