Виктор Финкель - Портрет трещины
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 неразгруженных участков, продолжит свой рост. Ей ведь многого и не надо.
Куда более простым и земным было бы следующее. Проектируют, допустим, 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 понижении 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. Пусть 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 си-
лой 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 остановить трещину легко и просто. Например, 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. Большое 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, в 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 докритичес-ких 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 предварительно напряженный железобетон? Растягивают на
простейших станках арматуру и в таком состоянии заливают бетоном. Когда бетон застывает, он оказывается сжатым, а арматура – растянутой. Трещиностойкость 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 приклеивают. 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. Но что же делать? Приходится из двух зол выбирать меньшее…
Осень нам дает урок
Строго, без истерик:
Обретешь, но прежде – в срок –
Понесешь потери!
(И. Борисов)
«БУТЕРБРОД» ТОРМОЗИТ РАЗРУШЕНИЕ
…Секунды в бесконечность превращал…
Эуджен ЖебелянуВ 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 «обя-
зан» 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.
