Виктор Финкель - Портрет трещины
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.
Какие же простейшие комбинации сред способны оказать сдерживающее влияние на трещины? Это прежде всего чередующиеся прочные и мягкие слои композита.
Первые – основа, они несут нагрузку, вторые – тормозят разрушение. Композиты такого рода представляют собой, например, основу из легированной высокопрочной стали, содержащей один или два слоя низкоуглероднс-той мягкой стали. Особую роль играет метод соединения слоев. Наиболее простой – сварка. Могут быть использованы и современные прочные клеи. Трещина, подходящая к вязкому слою, растрачивает упругие напряжения в своей вершине на пластическое течение. Это неизбежно ведет к торможению или полной остановке. Помимо того, в процессе течения радиус основания трещины растет – она затупляется. А известно, что напряжения в вершине тупой трещины меньше, чем в вершине острой.
Совсем не обязательно, чтобы весь композит был целиком стальным. Металлы – «сэндвичи» могут быть сконструированы, например, из стали и меди. Стальной компонент придает конструкции высокую прочность; медь предохраняет ее от возможного разрушения. Трещина, возникающая в стальном слое, всегда застревает или, как говорят, локализуется в медном.
Вязкость такого биметалла гораздо больше, чем обычной стали.
Какие поистине фантастические возможности открываются при подборе пар: пластик и дерево, монокристалл и поликристалл, стали и смолы. А какие перспективы «в содружестве железа и стекла»!
Совсем не обязательно, чтобы слоев было два. Иной раз их может быть и много. Например, шесть слоев бериллия чередуются с пятью слоями алюминия. В отличие от монолита бериллия, разрушающегося сразу по всему сечению, «сэндвич» рвется слой за слоем и поэтому выдерживает нагрузку выше в 5-6 раз. Особенно хороши «бутерброды» при динамическом нагружении. Это и понятно, ведь при быстром приложении нагрузки большую роль играют упругие волны, не только нагружающие деталь, но и подталкивающие трещины. Вместе с тем границы слоев преломляют, отражают, а порой и рассеивают волновые потоки. Поэтому в слоистой среде распространение волн осложняется, а это на руку прочности.
Но барьерные свойства многослойных композитов- только одна из их положительных сторон. Есть и другие, например, если композит перед склеиванием слоев был сжат, то в нем затруднено и зарождение исходной тре-
шины. Более того, тонкие слои высокопрочного металла, входящие в него, как известно, по сравнению с тем же металлом в монолите менее подвержены хрупкому разрушению из-за малых размеров. Важно и то, что в композите они находятся в пространственном напряженном состоянии, которое подавляет разрушение.
Пока что, говоря о границе, разделяющей материалы, мы предполагали ее клеящие и барьерные свойства. Однако ее влияние может быть гораздо более обширным. Так, граница способна создавать по обе стороны от себя области сжимающих напряжений. А мы знаем, что трещина их «боится» и быстро в них останавливается. Этим часто пользуются в судостроении. На некоторых трещиноопасных направлениях накладывают такие сварные швы, даже на однородной стали, чтобы они создавали протяженные упруго сжатые поля. Тем более полезен сварной шов, соединяющий разнородные металлы. Здесь, однако, не все просто и далеко не всякий сварной шов годится для этой цели. Иной из них способен не столько тормозить трещины, сколько ускорять их.
Однако, сознательно управляя полями упругих напряжений в окрестностях границы слоев, можно создавать такие ситуации, когда трещина вынуждена поворачивать под углом к плоскости границы и идти вдоль нее, то есть в неопасном направлении.
Интересные возможности открывают сложные «сэндвичи», в которых трещина растет в направлении слоя, но ее плоскость перпендикулярна плоскости слоев. Здесь начинает работать механизм расслоения композита. Это, конечно же, нехорошо – ведь идет разрушение. С другой стороны, такое множественное образование трещин приводит к быстрому торможению магистральной -уж очень велика энергия многих одновременно вскрывающихся поверхностей. И все-таки сегодняшние композиты, как правило, опасаются трещины, идущей по границам- это уязвимое направление. «Сэндвич» как древний воин стремится подставить свой щит – границу под прямой удар меча. Между тем теория показывает, что трещина, распространяющаяся по склейке, имеет свое тормозящее влияние. Дело в том, что в вершине ее напряжения не постоянные, а пульсирующие. Они как бы много раз меняются в пространстве и во времени. В результате берега трещины, то есть пластины различных материалов, должны перекрываться. Делать это буквально они не
в состоянии. Поэтому речь может идти только о своего рода взаимном вдавливании материала одного слоя в материал другого. К сожалению, экспериментально этого пока еще никто не проверил. Однако явление такое, имей оно место, оказалось бы интересным не только с познавательной точки зрения, но и в сугубо практическом отношении. Ведь оно означало бы отсутствие у трещины широкой дороги между слоями из-за меняющихся напряжений и невероятно сложную пространственно изогнутую траекторию движения от вмятины к соседнему бугру. Остановка за малым – доказать возможность такого эффекта, ведь в него верят далеко не все.
Иной раз границы действуют не только на пересекающую их трещину или на разрушение в них самих. Трещина в многослойном композите может находиться внутри слоя и располагаться параллельно границе. При этом поведение трещины будет непростым. Так, если соседние среды жестче, то трещина стремится распространиться в середине «своего» мягкого коридора. Однако и здесь движение ее неустойчиво, а путь представляет собой плавную волнистую кривую.
По-моему, именно к быстрой закритической трещине относятся иронические слова американского писателя Джоунса: «Пусть это дорога в никуда. Но зато на всем пути зеленый свет». Композитные материалы играют роль красного света, останавливающего трещину не толь-
ко символически, но и непосредственно, физически. Пожалуй, это самый простой и надежный способ прервать разрушение. Правда, не всегда он выгоден и удобен. И из-за относительно высокой стоимости и вследствие того, что далеко не каждую конструкцию можно сегодня изготовить из сэндвичеподобных материалов. Однако там, где это возможно, многослойные материалы надежно стоят на пути разрушения, защищая прочность.
ТРЕЩИНА, ГОРИ ОГНЕМ!
…Паутинка в воздухе прозрачном Холодна, как трещина в стекле…
Новелла МатвееваДействительно ли холодна трещина? Да, если она неподвижна. Но было бы неверно сказать так, имея в виду темпераментно растущую трещину. И вот почему. При разрыве связей в вершине выделяется тепло. Кроме того, протекающая на этом участке пластическая деформация в конечном итоге ведет к выделению тепла. При достаточно быстром разрушении скорость этих процессов растет. В то же время теплообмен с массивом холодного металла не успевает осуществиться за короткое время, тепло скапливается в том месте, где оно выделилось. Поэтому-то и можно ожидать вблизи поверхности трещины и в ее вершине повышенных температур. Дело, таким образом, в адиабатическом (быстротекущем без теплообмена) характере процесса разрушения. Читатель знает, конечно, что все адиабатические процессы ведут к неизменному повышению температуры. Например, при вспышке топлива в камере сгорания дизеля, при попадании пули в преграду, при быстром сжатии воздуха в насосе и т. д.
Итак, принципиально разогрев вершины трещины сомнений не вызывает. Теоретические исследования показывают, что температуры, которых можно ожидать, в стали, например, могут достигать 100-700 °С. На практике, однако, все гораздо сложнее. Зарегистрировать такое повышение температур в опытах с металлами нелегко. Дело не в том, что оно не возникает. Просто его очень трудно зафиксировать. Ведь «ловить» температурные скачки надо в объемах, исчисляемых квадратными микронами и меньше.
И все же не вызывает сомнения, что какой-то нагрев в устье трещины происходит. Но вместе с тем ясно и то, что решительного влияния на процесс разрушения оно не оказывает. А было бы совсем неплохо, если бы оказывало. Представьте себе: быстрая трещина так разогрела свою вершину, что материал стал едва ли не жидкотеку-чим и хрупкое разрушение прервалось.
