Виктор Финкель - Портрет трещины
О том, что колоть кристаллы непросто, знает каждый кристаллограф и кристаллофизик. Между тем, почти при любом исследовании кристаллического материала его раскол имеет преимущества перед разрезкой. Он проще и удобнее. Но дело не только в этом. Когда вы режете кристалл, вы сильно искажаете его поверхность, насыщаете ее примесями. После этого для исследований она уже не годится. Другое дело раскол. Если делать это умело, то быстро бегущая трещина почти не изменяет поверхность раскола и она становится великолепным, стерильно чистым объектом исследования, не говоря уже о том, что нас часто интересует поверхность разрушения как непосредственный свидетель процессов, происходящих при разрушении. Не случайно поэтому известный американский физик Джон Гилман начинает одну из серьезных своих статей практическими указаниями, как именно колоть кристалл. Он пишет: «При попытке получить скол было испорчено много кристаллов. Однако после того, как эксперименты были проведены на не-
1 Бержье Ж- Промышленный шпионаж. – М.: Международные отношения, 1971. С. 33.
скольких тысячах кристаллов, накоплен некоторый опыт. Следует отметить, что это не устраняет из практики скола кристаллов элемента искусства, но оказывает существенную помощь».
КЛИНОК НАДЕЖНЫЙ БЕЗ ПОРОКА…
Честь науке – ей дано уменье Выводить нас из недоуменья.
М. СветловКто-то сказал, что острый язык – это единственный инструмент, не теряющий своих режущих свойств при постоянном пользовании. Хочется оспорить эту мысль и указать еще на один инструмент такого рода – трещину. Пусть, например, на машиностроительном заводе возникла необходимость разрезать металл большого сечения, диаметром в полметра. Конечно, что можно сделать разными способами, например на станке или на мощной пиле. Однако потребуется много времени, энергетических затрат и окажется, что немалое количество металла превращено в стружку. Вот для таких-то случаев и выгодно использовать трещину. Во-первых, она не боится прочных сталей и сплавов. Наоборот, чем прочнее материал, тем чувствительнее он к концентрации напряжений, тем легче режется трещиной. Во-вторых, ни один резец не сделает это быстрее трещины – она молниеносна. В-третьих, энергоемкость хрупкого разрушения ничтожна. В-четвертых, при всей своей безжалостности трещина не съедает металл и не превращает его в стружку. И еще одно уникальное преимущество имеет трещина перед инструментом: ее не нужно затачивать. Вершина хрупкой закритической трещины в процессе разрушения не затупляется. Напротив:
Ржавеет сталь,
Мертвеет плоть сердец,
Но встретив на пути сопротивленье,
Самозатачивается резец…
(Я- Белинский)
Все это заманчиво. Но вряд ли просто. Как известно все, что в науке было на поверхности, давно подобрано. Речь идет не просто об укрощении разрушения. Нет, о дружбе с трещиной. О сознательном использовании ее разрушающих качеств на благо человечества. Между
тем не надо забывать о «вздорном» характере трещины, ее беспринципности, поклонении богу напряжений, способности мгновенно менять направление движения и многих других малопривлекательных качествах. Словом, друг она ненадежный. И с ней надо постоянно быть настороже.
Это мы осознаем. Но какие же основные требования следует предъявить трещине, прежде чем попытаться использовать ее для резки металлов в машиностроении и металлургии? Прежде всего нужно, чтобы разрушение зарождалось возможно раньше, чтобы пластическая деформация, ему предшествующая, была предельно малой. Это важно для получения низкой энергоемкости всего процесса разделения и сохранения формы разрезаемого металла. Кроме того, трещина должна быть «послушной», она должна расти точно по заранее заданной нами траектории. В противном случае игра не стоит свеч. Ведь если трещина будет вилять, сохраняя требуемое направление лишь ориентировочно, потом для получения
хорошей поверхности придется обрабатывать деталь на металлорежущем станке. А этого нужно избежать.
Первый вопрос, возникающий перед нами: насколько быстро или или медленно должна расти трещина? Слишком медленное разрушение не годится: потому, что процесс будет непроизводительным, и в большей степени потому, что при низких скоростях слишком велика пластическая деформация металла, а следовательно, энергоемкость разрушения. Поэтому, хотелось бы видеть трещину быстрой, но не слишком! Оказывается, при умеренных скоростях разрушения (1000 м/с) поверхность скола достаточно ровна. Однако при больших скоростях, превышающих 1500 м/с, трещина начинает судорожно прыгать из стороны в сторону. На сколе появляются крупные изогнутые борозды и сложная система ступеней. Кроме того, одни части поверхности разрушения оказываются повернутыми под большими углами (до 10-12°)' по отношению друг к другу. С дальнейшим ростом скорости дело становится еще сложнее – при скорости 1800 м/с начинается ветвление. Поверхность разрушения, изобилующая дефектами и неровностями, да еще содержащая ответвления трещины, не пригодна для машиностроения.
Поэтому нетрудно сформулировать требования к режиму распространения трещины при холодной ломке металла. Скорость трещины должна быть возможно большей с целью понижения энергоемкости раскола. Она вместе с тем не должна быть чрезмерной во избежание появления сложного рельефа на поверхности разрушения. Предпочитают диапазон от 1000 до 1500 м/с. Здесь и энергоемкость низка и трещина еще достаточно устойчива. Это первое требование к трещине, важное для того, чтобы «жизни ключ взыграл из разрушенья».
Но это лишь начало. Совершенно необходимо, чтобы трещина была устойчивой, то есть чтобы ее траектория была такой, какая нужна нам. Между тем это не просто – уж слишком велика чувствительность разрушения, в частности к волнам различной природы. Хорошо, если эти упругие волны специально «организованы» нами для управления трещиной. Совсем иное дело, когда они появляются случайно и способны исказить заданную траекторию распространения трещины. Например, у границы образца поведение трещины часто становится необычным. Это связано главным образом с изменением на-
пряженного состояния и происходит по двум причинам. Прежде всего у границы образца составляющая упругих напряжений, перпендикулярная свободной поверхности, отсутствует. Остаются растягивающие напряжения, параллельные границе. Под их влиянием трещина старается распространиться ортогонально к кромке образца, под каким бы углом вначале она не двигалась. Но такому ходу вещей препятствует другой процесс. При разрушении по металлу движутся многочисленные группы упругих волн. Природа их различна и падать на поверхность образца они могут под любыми углами. Следовательно, и отражаются они произвольно. Потому взаимодействие их с трещиной в такой степени многовариант-но, что предсказать его с достоверностью очень трудно. В самом деле, в достаточно хрупких материалах трещина далеко не всегда выходит на поверхность под прямым углом. Нередко вблизи границы она способна совершать крутые пируэты, и не один. Особенно это проявляется при быстрых трещинах, потерявших равновесие и потому крайне чувствительных к различным, даже маломощным упругим импульсам. Такие трещины, возникшие, например, при ветвлении, способны с приближением к границе круто разворачиваться.
…взвивается, как гнев, но в перехлесте, свернувшись, как спираль, на полпути пружинит, разжимаясь в быстром росте…
(Р.-М. Рильке)
Иной раз трещина развивается, не выходя на поверхность тела. Но как только нагрузка достигает некоторых критических значений, она совершает мгновенный разворот и «выползает на свет». Столь необузданное и темпераментное ее поведение у поверхности заставляет принимать специальные меры. Суть их такова: если не предполагается сознательное использование отраженных волн, следует попробовать все возможные способы, чтобы исключить их влияние на растущую трещину. Иначе все надежды на устойчивое распространение трещины будут разрушены. И вместо гладкой поверхности раскола мы получим криволинейную и произвольно холмистую.
Что еще может помешать трещине быть такой, как ей «хочется»? Прежде всего внутренние остаточные напряжения, особенно если они меняются от точки к точке. На современном прокате, например, они не слишком
опасны. Сложнее переход трещины из зерна в зерно стали, создающий мелкую шероховатость раскола. Чувствительна трещина и к структурным составляющим. Здесь, однако, спасительно то, что с ростом скорости трещина становится всеядной и при 1000 м/с способна одинаково
успешно расти и по ферриту, и по перлиту. При таких скоростях трещина становится хрупкой и режет любые компоненты стали.
Ухудшают поверхность раскола дислокации, межзе-ренные границы и другие дефекты в стали. Однако с этим, пожалуй, ничего не поделаешь – это естественные ограничения метода. Можно считать, что самые мельчайшие неровности на сколе проката не могут быть меньше размера зерна в стали.
