Виктор Финкель - Портрет трещины

Необычайные формы приобретает подчас ветвление в закаленной стали ШХ15. Оно рассекает массив металла на множество крупных осколков. Помимо них, из поверхности разрушения буквально выпадает огромное количество мельчайших металлических щепок сечением иногда в сотые и тысячные доли миллиметра. Эти щепки раскола появляются из-за того, что вибрирующие участки фронта ветвящейся трещины выкалывают их из материала.

Оказывается эта разновидность микроскопических усов встречается при разрушении различных монокристаллов и далеко не всегда связана с ветвлением. Однако в процессе ветвления образование «щепок» носит массовый характер и ведет к появлению усов сколь угодно мелкого размера, возможно до отдельных кристалликов мартенситных игл – тончайших структурных элементов закаленной стали поперечным размером в 10~4-10~5 см. Процесс вибрации фронта трещины, при котором одна или обе поверхностные трещины-лепестки дают ответвления, и является механизмом всего явления. Механизмом – да, но вряд ли его сердцем!

Что касается подлинных причин ветвления, то единого мнения о них пока нет. Хронологически первой является известная читателю точка зрения Элизабет Иоффе, связывающая наступление разделения трещин с пороговыми скоростями. Есть и другое мнение, соглас-

но которому ветвление наступает в момент, когда напряжения в вершине растущей трещины достигают некоторых критических значений. Это, однако, не всегда подтверждается. Например, на ряде сталей быстрые трещины есть и напряжения в их устье могут быть как угодно большими, а вот ветвления нет. И вообще этот процесс тяготеет к определенным, далеко не любым веществам: на закаленных сталях трещина ветвится, а на термически не обработанных остается монолитной при любых скоростях.

А закаленное стекло? Что происходит с ним при разрушении, читатель хорошо знает. Для этого достаточно представить себе, что будет, если камень попадает в лобовое стекло автомашины. Из точки удара разбегаются трещины радиальные, а кроме того, все секторы между ними раскалываются трещинами поперечными. И те, и другие бегут со скоростью в 1500-1700 м/с и мгновенно превращают большое и монолитное стекло в груду из тысяч мельчайших осколков…

Неудивительно поэтому, что в годы войны на оконные стекла наклеивали крест накрест полоски бумаги. Сейчас для этой же цели на автомашинах используют так называемый триплекс. Два его слоя представляют собой закаленное стекло, а третий (промежуточный) – вязкий пластик, не позволяющий стеклу развалиться при поражении.

Большие скорости, по-видимому, далеко недостаточный критерий для суждения о возможности или невозможности ветвления. Обратите внимание, читатель, на то, что материалы, в которых происходит размножение трещин, являются носителями больших внутренних напряжений. За исключением целлулоида, плексигласа и некоторых других пластиков. Случаи ветвления в ненапряженных материалах не известны.

Процесс ветвления следует связывать с величиной и распределением остаточных напряжений в разрушаемом материале. Можно нарисовать следующий механизм их действия. Быстро растущая трещина разряжает остаточные напряжения в прилегающем районе. Упругие импульсы от поля распадающихся внутренних напряжений, подводимые произвольно к трещине, «ломают» ее установившееся движение. Отдельные участки фронта под действием этих импульсов врезаются в берега трещины, создавая ответвления.

Помните, у Ильфа и Петрова? В учреждении был сторож, который строго спрашивал пропуска. Если пропуска не предъявляли, пропускал и так. В последние годы выяснилось, что в принципе для ветвления не требуется поле внутренних напряжений. И на других материалах, в частности металлах, этот процесс мог бы реализоваться в виде однократного акта при условии подавления пластичности и ужесточения напряженного состояния в вершине трещины. Таким образом, внутренние напряжения, по-видимому, являются стимулятором, но не первопричиной ветвления. Причиной же следует считать нестабильность трещины, наступающую по достижении критических скоростей.

Таковы теоретические соображения о природе ветвления – интересного с научной точки зрения и отталкивающего с практической, инженерной. Это и понятно. Ведь если обычное разрушение оставляет нам какие-нибудь надежды, то ветвление развеивает их в прах и в переносном, и в прямом смысле слова -

(В. Маяковский)

Часто разрушение есть результат роста единственной трещины. Однако не менее редки случаи, когда возникают системы микротрещин, объединяющиеся затем разрывом перемычек. Иной раз оказывается, что монолитная, на первый взгляд, трещина представляет собой совокупность микроскопических щелей, смещенных вдоль и поперек направления разрушения. Опыт показывает, что для большинства материалов реальна именно система трещин, в то время как единый разрыв можно считать лишь известным и очень удобным теоретическим приближением. Удивительного в этом ничего нет. Зарождение микротрещин – механизм дислокационный. А дисло-

нации расположены по всему металлу. Поэтому и возникновение микротрещин протекает по обширным пространствам пластически деформированного материала. Их наблюдали в поликристаллических сталях, металлических монокристаллах ряда металлов, в галоидных кристаллах, в целлулоиде и плексигласе. Не говоря уже о стекле, проходящем при изготовлении довольно сложную обработку, неизбежно приводящую к возникновению систем микроскопических нарушений сплошности.

…Там трещины скрываются коварно За гладкой напряженностью стекла…

(Дж. Апдайк)

Читатель, конечно, и сам встречал такие «столпотворения» трещин. Например, вы хотите сломать тонкий слой прозрачного пластика. Если он достаточно вязок, вам придется сильно его изогнуть, причем вы сразу заметите, как в месте перегиба он помутнеет. Это результат того, что в нем возникает изобилие трещин, рассеивающих свет. Когда вы гнете тонкий полированный слой алюминия, его поверхность тоже мутнеет. Это связано в первую очередь с образованием на ней сложного рельефа из-за выхода полос скольжения. Но затем по этим полосам возникают мельчайшие трещины, в конечном итоге и разрушающие металл.

Число примеров без труда можно умножить. Ясно, однако, что образование систем микротрещин до разрушения и в его процессе – не исключение, а правило. На этом основании полагают, что любую разрушаемую упругую среду нужно рассматривать как тело, содержащее множество мельчайших острых трещин всевозможных ориентаций.