ОТРОЧЕСТВО ТРЕЩИНЫ

Теперь мы знаем о первых мгновениях жизни трещины- от приложения нагрузки до появления зародышевой микротрещины. Следующим этапом ее бурного развития является медленное, как говорят, докритическое подрастание. Имеется в виду то, что на этом этапе своей истории трещина не опасна и полностью контролируема. Ее подрастание возможно лишь при повышении существующих напряжений. Это гарантия того, что разрушение не «сорвется с цепи» и не начнет безжалостно, без разбора крушить металл. Все это не означает, что здесь трещина обязательно микроскопически'мала. Нет. Она при этом может быть достаточно большой, например в стали, – в несколько миллиметров. Но длина ее все же не достигает тех размеров, после которых она перестает зависеть от внешних напряжений. На языке механики это звучит так: трещина меньше гриффитсовских размеров и для ее подрастания нужно подводить к ней больше энергии, нежели дает сама трещина.

Таким образом, докритическая трещина – устойчивая, «спокойная», я бы даже сказал «флегматичная», словом,неопасная.

Однако рано или поздно эта «спячка» кончится и тогда перед нами возникает другая трещина-хищник. Поэтому всплывает вопрос: как же все-таки такая трещина растет?

Ответить одной фразой на этот вопрос нельзя потому, что трещины бывают разные. Читатель уже знает, что трещины делят на силовые и геометрические. Обратимся к первым.

Силовая трещина отличается своей демонстративной независимостью от пластической деформации. Во всяком случае она это «декларирует вслух». Такая трещина представляет собой разрыв межатомных связей в своей вершине. Сначала между первой парой атомов, затем после концентрирования напряжений – между второй, опять собирается с силами – и между третьей… Так этот разрыв и передается от одной пары атомов к другой, как чеховский мираж из «Черного монаха»… «От миража получился другой мираж, потом от другого третий, так что образ черного монаха стал без конца передаваться из одного слоя атмосферы в другой. Его видели то в Африке, то в Испании, то в Индии, то на Дальнем Севере…»1

1 Чехов А. П. Черный монах. Соч. Т. VIII. М.: ОГИЗ, 1947. С. 269.

Ну, а что говорит по этому поводу эксперимент. К сожалению, эксперимент молчит. Потому что очень трудно, хотя, вероятно, и возможно, провести его так, чтобы трещина была начисто лишена признаков пластической деформации. Сегодня – это область, где безраздельно царствуют теоретики. И работают они примерно следующим образом. Рисуют на бумаге кристалл, состоящий, скажем, из 100 или 1000 атомов – эдакую кристаллическую решетку в десять атомов на десять. Выбирают некоторый закон взаимодействия атомов между

собой и «строят» трещину длиной в несколько атомов. А затем с помощью электронно-вычислительной машины просчитывают, каким образом с приложением внешних напряжений изменится равновесие этого вымышленного кристалла и как трещина будет расти, то есть рвать межатомные связи в своей вершине. В этой области работают и отечественные, и зарубежные ученые. Успехи здесь не слишком обнадеживающие, по крайней мере, по двум причинам. Во-первых, уж слишком условны межатомные силы – в действительности они несоизмеримо сложнее. Во-вторых, уж очень мал кристалл, а для большего у сегодняшних машин не хватает памяти. Поэтому надежность получаемых результатов здесь не очень велика.

Некоторые из результатов этой группы работ привели, например, к совершенно удивительному заключению. Оказалось, что, несмотря, на отсутствие изначальных посылок, каким бы то ни было образом связанных с пластичностью, расчеты привели к появлению вблизи трещины… типичной дислокации. Не может ли оказаться, что дислокации, которым «по условиям игры» не место в хрупком разрушении, присутствуют и здесь?

А. Н. Орлов и В. И. Владимиров сообщают об одном механизме подрастания трещин, основанном на сущест-

вовании в кристаллических материалах точечных дефектов. Само определние – точечный дефект – используют в физике для обозначения двух состояний. В первом из них атом сорвался из своего положения равновесия, как говорят, за счет тепловой флуктуации. Это означает, что в процессе теплового движения один из атомов подвергся «согласованной» атаке ряда ближайших соседей и оказался «вышвырнут» в междоузлие. Такой атом, потеряв насиженное место в решетке, переходит на нелегальное положение и бродяжничает по кристаллу со скоростью до 1 км/ч. Его называют дислоцированным атомом, или дефектом по Френкелю. Я. И. Френкель, как, вероятно, знает читатель, был великолепным физиком, исторгавшим лавину идей, одной из которых и была идея точечных дефектов. Вторым точечным дефектом, или так называемым дефектом по Шоттки, является вакантное место, оставшееся после перехода атома из «оседлого» состояния в бродячее. Дефект по Шоттки (вакансия или просто «дырка»--все это синонимы) обладает незаурядным темпераментом и способен двигаться с довольно значительными скоростями – до 10 км/ч, то есть во много раз быстрее дислоцированного атома. Читатель может удивиться, как это движется пустое место? Очень просто! Допустим, в некотором узле существует вакансия. На нее «садится» атом из соседнего узла. Естественно, теперь вакансия оказывается там, где был раньше атом. На это место переходит другой атом – тем самым перемещается и вакансия. Так она и путешествует по атомным узлам как тень ушедших атомов. В этом бтношении кристалл напоминает неполный зал во время концерта. Если программа интересна, зрители стремятся пересесть поближе к сцене; вакансии – пустые места – все дальше от сцены. Бывает и наоборот…

Эти-то два дефекта и приводят к подрастанию микротрещины. Вот как это происходит. В вершине трещины под совместным воздействием термических флуктуа-ций и приложенных напряжений атом вылетает в междоузлие, переходит в статус дислоцированного и диффундирует, то есть медленно, зигзагообразно, как частица в броуновском движении, мигрирует в районы, удаленные от трещины. Процесс этот повторяется неоднократно и вместо атомов в вершине образуются пустые места. Это означает, что трещина подросла.

В случае, когда подрастание трещины определяется вакансиями, конечный результат оказывается тем же самым, но механизм иной. Теперь к вершине трещины течет поток вакансий. Они замещают атомы в устье трещины, обеспечивая ее рост. Различие в том, что первому процессу будет сопутствовать повышение плотности дислоцированных атомов в окрестностях подрастающей трещины, в то время как при вакансионном механизме этого нет, и в том, что второй процесс протекает гораздо быстрее. Но итог один и тот же. С помощью точечных дефектов трещина способна докритически подрастать. Поскольку точечные дефекты «шустры» лишь при достаточно высоких температурах, эти механизмы могут быть активными только при очень малых скоростях нагруже-ния сравнительно легкоплавких материалов. В противном случае высокая температура окажется совершенно необходимой. В целом этот процесс имеет статистический характер. Это означает, что в масштабе микросекунд активность оттока дислоцированных атомов от вершины трещины и притока к ней вакансий будет пульсировать- ведь это диффузионный процесс. Совсем как у Кэррола: «Тут не было «раз, два, три – и вперед!» Каждый начинал бежать, когда хотел, и останавливался тоже, когда хотел. Таким образом узнать, окончен ли бег, было нелегко…» Но при достаточно длительном времени процесса он протекает усредненно монотонно, размеренно.

И все-таки главными являются не эти механизмы. Большой опыт, накопленный и физиками, и механиками, говорит об одном: докритическое подрастание трещин неразрывно связано с пластической деформацией. Связь эта неслучайная – пластическая деформация не только сопровождает и в подлинном смысле контролирует процесс ранних стадий созревания, но, по-видимому, служит его основной движущей силой. Эта обрученность субкритической трещины с пластической деформацией хорошо проявляется во всех дислокационных механизмах «созревания» трещины.