Виктор Финкель - Портрет трещины

Вот как обстоят дела, когда мы проводим опыты в лаборатории с единственной границей между двумя кристаллами. Физики называют такую пару бикристаллом. Но в повседневной практике все сложнее – ведь сталь в конечном итоге неизбежно разрушается трещиной. А реальная сталь – это десятки и сотни тысяч, кристаллов. Каким же образом происходит «разгром» детали? Как

…Сквозь леса из кристаллов он держит свой путь напролом?..

(В. Шефнер)

Прежде всего разориентированы эти тысячи кристаллов по-разному. Огромное их количество едва развернуто по отношению друг к другу. Многие – на большие углы. Для такого опытного разрушителя, как трещина, возникают неограниченные возможности. Допустим, в этот момент ее противник – малоугловая граница. Прорыв происходит относительно легко, а раскол выходит на широкоугловую. Удар, еще атака… Прорыв не удал-

ся. Но трещина находится под непрестанным давлением внешних напряжений. Если она медленная, то у нее есть время для «артподготовки». Она начинает деформировать металл в своей вершине, насыщает его дислокациями, меняет его структуры, разворачивает кристаллиты перед собой и в конечном итоге прорывается через изувеченный материал. Если времени у нее нет, она поступает по-другому. Быстро разворачивается и идет к другой границе кристаллита, более удачно ориентированной. Мы уже говорили о «беспринципности» трещины – огромной ее маневренности и способности легко менять свою траекторию. Именно это она и делает. Своеобразный метод проб и ошибок. Быстро «накапливая» опыт, который по выражению восточного мудреца чаще всего – дитя ошибки, трещина находит уязвимое место в обороне поликристалла и прорывает одну его границу за другой. Конечно, трещина не только не существо, но даже и не вещество; поэтому говорить о каком-то гуманоидном опыте можно лишь в риторическом смысле. Физически это выглядит примерно так. Встретившись с барьером и не пробив его, трещина вынуждена развернуться и перейти на ближайшую по углу плоскость спайности кристалла. Происходит что-то вроде того, как если бы вы слишком сильно нажали на перо. Оно бы изогнулось, потеряв устойчивость. Так же изгибается и трещина, но на вполне определенный угол. Теперь уже она давит на другой участок границы. Иногда в удачном для нее месте произойдет прорыв. В неудачном – очередной разворот. Трещина как бы прощупывает различные участки границы, пока не находит самый уязвимый. В конечном итоге статистика (муза итогов!) оказывается иногда на стороне торжествующего разрушения. Уж очень разно-прочен стальной массив. Много в нем малоугловых лазеек для трещины.

Вот бы перекрыть их! В этом отношении немалые надежды подают нам точки, где сохранятся воедино границы трех зерен. Они оказываются крепкими орешками для любой, в том числе и для предельно быстрой трещины. Причин этому несколько. Прежде всего тройной стык – это три «вертикальных» ряда дислокаций, сошедшихся в одну точку. Надо сказать, что до сих пор мы не знаем, что происходит в этой самой точке. Каковы там перемещения атомов, что произошло с кристаллической решеткой? Поэтому нельзя сказать что-либо определенное

о природе взаимодействия трещины с самим тройным стыком. Зато ясно, что происходит при малейшем удалении от геометрической точки стыка. Тройной узел окружен двумя сортами напряжений. Термическими и упругими – от собственно дислокаций в стенках. И те, и другие гораздо больше, чем у простой границы. И что немаловажно, они простираются значительно дальше. Например, поля напряжений от дислокаций занимают в 10 раз большее пространство, чем у обычной стенки. Неудивительно, что напряжения эти, начиная действовать раньше, вызывают больший эффект торможения. Но это не все. Поле напряжений в окрестностях узла настолько сложное, что трещина, привыкшая в обычном монокристалле к расположению только по плоскости спайности, здесь «теряет свое лицо». Она распадается на множество мельчайших трещинок, способных размещаться даже не в спайности! Она вынуждена круто разворачиваться, описывать криволинейные пути, ветвиться. Словом, от монолитной трещины мало что остается. В этих условиях трещина, испытывающая, по выражению О. Мандельштама, «голод по рассеченному пространству», превращается из хищника в жертву. Она напоминает впервые оседланного дикого мустанга, взмыленного, мчащегося в облаке пыли по кругу. Он еще надеется разорвать удила, но уже навсегда потерял свободу. В нем еще буйствует сила разрушения и зла, но он уже неспособен обрушить ее на людей.

Неудивительно поэтому «повальное» торможение трещин на стыках трех зерен. Вот только относительно редко «напарывается» трещина на сам стык. Чаще, гораздо чаще она проходит стороной и не испытывает на себе его влияния.

Однако дислокации могут выстраиваться не только в затылок друг к другу. Они не прочь стоять и шеренгами «плечо к плечу», словно бы крепко взявшись за руки. Так, они расположены в плоскостях скольжения. Экстраплоскости всех этих дислокаций направлены зачастую в одну и ту же сторону. Иначе говоря, они могут быть одного знака. В этом случае по одну сторону плоскости скольжения преобладают напряжения сжатия, а по другую – растяжения. Ясно поэтому, что если трещина подходит к полосе скольжения со стороны сжатия, она обязана притормаживаться. В противном случае может и ускориться. Однако, пройдя такую полосу, трещина

опять попадает в область сжатия… Опыты показывают в целом благоприятное тормозящее влияние полос скольжения любой ориентации на трещину. Разрушение, как и в случае межзеренных сочленений, теряет монолитность и распадается на множество мельчайших трещинок, поворачивает вдоль полосы и распространяется параллельно ей. А в отдельных случаях способно даже поворачивать назад! Чтобы прорвать полосу скольжения, трещине совершенно необходимо занимать и тратить упругую энергию.

Трещина гибельна лишь для одной или нескольких полос скольжения. Системы, содержащие десятки и сотни полос, ее не боятся и способны остановить. Особенно устойчивы пачки, состоящие из пересекающихся полос скольжения. Здесь образуются настолько мощные поля сжимающих напряжений, что даже закритическая трещина часто не в состоянии их преодолеть.

В 1934 году советские физики Н. А. Бриллиантов и И. В. Обреимов обнаружили в кристаллах ЫаС1 области с очень большим разворотом кристаллической решетки и назвали их иррациональными двойниками. Вокруг этого термина разгорелась дискуссия, потому что выяснилось: с двойникованием эти дефекты не имели ничего общего. В. Л. Инденбом и А. А. Урусовская доказали, что «двойники» Бриллиантова-Обреимова связаны с пластической деформацией. Дислокационные процессы лежат в корне этого дефекта. Выяснилось, что из-за неоднородности напряженного состояния поперечное сечение кристалла деформировалось неодинаково. В результате множественных сдвигов образовался взаимный разворот смежных областей кристалла на углы в несколько градусов. Возникающая при этом дислокационная структура в некотором отношении подобна структуре, образующейся при одновременном сдвиге по различным пересекающимся плоскостям скольжения. И опыты, и расчеты показали, что вокруг и внутри полосы Бриллиантова-Обреимова существуют весьма мощные поля сжимающих напряжений. Мы уже знаем, что это дает надежду на тормозящие свойства дефекта. Интересна и такая деталь. Полоса «умудряется» тормозить трещину не только перед собой, но (в случае прорыва) и за собой: что-то вроде приема древних греческих воинов – лечь на землю и, прикрываясь щитами, пропустить вражескую конницу. А затем ударить ей в тыл. Физический же смысл