Текст книги "Портрет трещины"

Автор книги: Виктор Финкель

сообщить о нарушении

Текущая страница: 12 (всего у книги 13 страниц)

много иначе. Средой, организующей и передающей давление, является жидкость – вода или масло. Специальный компрессор сжимает ее до относительно высокого давления в десятки тысяч атмосфер. В итоге металл оказывается в гидравлическом «кулаке». При этом возникают напряжения и стабилизирующие трещину, и разрывающие образец. Последние направлены точно по оси. Поэтому поверхность разрушения здесь получается идеальной. Если вы разрушаете плексиглас, она зеркальна. Если идет речь о металле, ее шероховатость не превышает размера зерна стали. Особенность этого метода– чрезвычайная легкость зарождения исходной трещины. Для этого достаточно сделать ничтожный надрез на поверхности металлического образца. Жидкость под давлением проникнет в мельчайшие поры и создаст дополнительное расклинивание, содействующее появлению трещины1.

Это очень многообещающий метод, но… японская пословица говорит, что кто не знает, чего он хочет, должен по крайней мере знать, чего от него хотят другие. Мы хотим разработать эффективные методы резания металла. И другие этого хотят. Ведь не случайно же говорят, что дивиденды предприятий сидят на острие резца? Вместе с тем разрабатываемые методы должны быть не только эффективными, но и более простыми, нежели традиционное резание. В связи с этим надо указать на одно очень слабое место гидростатического обжатия. Ведь необходимо создать вполне надежное уплотнение между резервуаром с жидкостью под высоким давлением и поверхностью образца. Между тем образец этот – продукт прокатного производства с поверхностью очень неровной, да еще меняющейся от одного участка проката к другому. К сожалению, сегодня эта задача представляется невероятно сложной. Именно это и умаляет достоинства метода.

Чтобы устранить уплотнения и все же получить высокие давления, необходимые для ломки, удобно использовать импульсное гидравлическое обжатие. Идея заключается в том, что нагнетание давления в очаг ломки осуществляется со скоростью, намного превышающей его падение, за счет фонтанирования из неплотностей. Очень

1 Оба метода холодной ломки металла были разработаны Г А. Барышевым и Г. Б. Родюковым под руководством автора.

удобно для этого воспользоваться, например, взрывающейся проволочкой, окружающей образец кольцом. И образец, и проводник находятся в баке с водой. Под действием мощного электрического импульса проводник взрывается и окружает образец полем сжатия под давлением примерно в 100 МПа. Этого достаточно для разрушения плексигласа, но, к сожалению, не металла.

Более «экзотична» ломка металла, достигаемая в результате обжатия его мощным магнитным полем. Оно создается одновитковым соленоидом с полем, достигающим 700 кЭ. При этом в металле развиваются разрывающие напряжения в 0,8 ГПа.

Этот метод не нуждается в уплотнениях. Более того, с его помощью, повышая энергию конденсаторов, можно, в принципе, ломать любые металлы.

Но (как видите и здесь без «но» дело не обходится) метод этот не годится для массового производства из-за своей опасности и чисто технических неудобств работы с высокими электрическими напряжениями. Скорее это метод будущего.

Если же подвести итоги, то складывается впечатление, что оба метода все же чрезвычайно перспективны и надежны для стабилизации разрушения. Правда, они пригодны для сравнительно простых конфигураций проката в условиях прямолинейно растущей трещины.

Вероятно, читатель знаком с практикой стрельбы по танкам времен второй мировой войны – не снарядами, а сплошными металлическими болванками. При этом поражение было очень своеобразным. Болванка лобовую броню не пробивала, но вырывала металл из внутренней ее поверхности и швыряла его внутрь танка. Механизм этого процесса был следующим. Когда снаряд попадал в броню, он создавал в ней волну сжатия. Волна эта распространялась до второй поверхности и, отражаясь от нее, превращалась в волну растяжения. Грубо говоря, волна как бы отталкивалась от поверхности, заставляя ее двигаться внутрь кабины. При этом как раз и отрывался металл, поражавший экипаж. Группа исследователей (Ю. И. Головин, В. М. Умрихин, Г. Б. Родюков и автор этой книги) решили использовать этот принцип откола для резки металла

Для этого на стальной пруток длиной в несколько метров наносились концентраторы напряжений (столь громко названное – концентратор напряжений – на са-

мом деле представляло собой насечку простым зубилом). Затем на торец проката обрушивали короткий продольный удар. Это делается многими методами. Например, можно стрелять стальным бойком со скоростью полета до 70-100 м/с; можно разогнать боек магнитным полем. Возможны и другие варианты. Не важно, чем создана волна сжатия. Существенно то, что волна такого рода, как правило, быстро становится плоской. Это означает, что ее фронт по всему сечению проката ортогонален к его поверхности. Таков же и фронт волны растяжения. Поэтому возникающая на поверхности металла трещина распространяется точно перпендикулярно длине прутка, поверхность разрушения оказывается превосходной. При этом бегущая по образцу волна растяжения рвет металл по каждому концентратору. В итоге за один удар многометровый пруток оказывается разделенным на десяток заготовок.

В ПЫЛЬ ЕГО..!

Оно весь мир отдаст, смеясь, на разрушенье

Шарль Бодлер

Читатель, конечно же, знает одно из не слишком уж благородных, но основных правил самбо и дзюдо-падающего толкни! Если разрушение и его холодный и безразличный босс – второе начало термодинамики – так уж тяготеют к ломке, почему бы не продолжить их движение и не приложить его к тем случаям нашей жизни, где разрушение нам полезно. А полезно оно не редко. Огромный металлургический завод выплавляет сталь не только из руды. Со всей страны к нему тянутся эшелоны, на открытых платформах которых громоздятся горы старого металла. И вот весь этот (как говорят металлурги) скрап направляется в специальный цех, где его сортируют, а самые крупные компоненты ломают. Иной раз для охрупчивания сталей их подвергают охлаждению жидким азотом. Безжалостно поступают с легковыми автомашинами, «вышедшими в тираж». Мощными прессами их превращают в лепешки, идущие прямо в металлургические цеха. Вот вам и разрушение, вот вам и зло!

Но если это так, то стоит внимательно оглянуться и посмотреть на те удивительные задачи, которые стоят перед человечеством. Тогда выяснится такое изобилие областей, где торжествующее демоническое зло разрушения может оказаться полезным, что разбегаются глаза… Для множества отраслей промышленности совершенно необходимы порошки. Это и горнорудная, и цементная, и стекольная, и пищевая, и химическая. Без порошков не может обойтись фармацевтика, необходимы они при производстве металлокерамики, твердых топ-лив для реактивных двигателей, ядерных тепловыделяющих элементов, бумаги, наконец.

Существует несколько принципиально различных путей разрушения материалов в порошок. Прежде всего – посредством механического воздействия или дробления путем влияния на материал жидкости или газа, ультразвуковых, ударных или электромагнитных волн. Однако чаще всего порошок получают все же на механических мельницах, в которых дробление осуществляется созданием в разрушаемых телах критических напряжений чисто механическим нагружением, например, посредством движения стальных или чугунных шаров, стержней. «Стирают в порошок» в вибрационных и планетарных мельницах и во многих других. Конечно, это удивительно – для самых современных промышленных областей дробление материалов осуществляется методами столь же старомодными, по словам Г. Поженяна, «как ботфорт на палубе ракетоносца». Справедливости ради, однако, следует заметить, что существуют и интереснейшие современные методы фрагментирования. Например, струйные мельницы, в которых элементарные акты дезинтеграции осуществляются при ударе частиц, разогнанных струями газа, о плиту из прочного материала. Почти совсем так, как когда-то описал Байрон

 
И, точно камень, пущенный с размаха,
О скалы раздробишь и кинешь горстью праха.
 

Этот вариант был необычно использован, когда отражающая пластина – наковальня была заменена отбойной плитой из резины. При этом летящий поток тел, предназначенных для дробления, встречал отраженные от резины авангардные частицы. Происходило дробление во встречных потоках, позволившее получать пыль с размером частиц порядка микрона. Разработаны спо-

собы измельчения твердых тел под действием гидростатического давления. При этом измельчаемый материал помещают в эластичную оболочку и подвергают действию гидростатического давления.

Обратимся к одному параметру, по которому в по–следние годы (но не в последнюю очередь!) судят о техническом развитии и культурном уровне страны. Речь идет о производстве бумаги, требующем мощного и современного оборудования, больших энергозатрат, точной регулирующей аппаратуры.

Для производства бумажной массы целлюлозу механически обрабатывают в специальных мельницах. При этом происходит фибрилляция – расщепление пучка волокон на отдельные волокна – фибриллы. Оказывается, чем лучше разделены волокна и чем меньше они изрублены, тем прочнее, эластичнее, однородней бумага. Размер волокон должен быть в пределах от 0,8 до 1,2 мм. Именно такого рода волокна получали из хвойной древесины, у которой изначально они имели длину около 3 мм. Древесина лиственных пород (осина, тополь, береза) в обычных мельницах обрабатываться не может, так как длина их волокон всего лишь 1-1,5 мм, и дальнейшая рубка волокон не позволяет получать качественную бумагу.

В Сибирском технологическом институте разработали мельницу, в которой это обстоятельство учли, и разрушение волокон уменьшилось. Достигается это следующим образом. Смесь волокнистого вещества с водой подается под давлением в параллельно расположенные щелевые сопла. При этом суспензия сжимается. Когда же она выдавливается из сопла и попадает в зону внезапного расширения, происходит явление, известное под названием кавитация. Суть его заключается в образовании в расширяющейся жидкости множества пузырьков воздуха. Жидкость неспособна выдерживать действие больших растягивающих напряжений и разрушается, как бы закипает. При этом развиваются серьезные давления. Чтобы читателю стало понятно, насколько это серьезно, скажу, что этот процесс – одна из основных причин разрушения винтов на кораблях. Каждый акт вскрытия и захлопывания полости играет роль микроскопического молота, вырывающего из винта крохотную частицу металла. А поскольку этот процесс постоянно воспроизводится, он приводит к появлению на

теле винта огромных каверн, нарушающих прочность, ухудшающих обтекание жидкостью и тем самым понижающих эффективность работы. И, что важно в военно-морском флоте, при этом резко увеличивается интенсивность звучания винта, а следовательно, облегчается обнаружение корабля. Именно этот эффект и использовали в Сибирском институте. Только теперь кавитаци-онный процесс шел по пути разрушения связей между волокнами.

В дополнение к этому явлению на пути струи располагалась стальная заостренная пластинка. Под действием пульсаций струна вибрировала. Это был как раз тот случай, когда постоянные колебания простительны. Тем более, что они содействовали дополнительному протеканию фибрилляции. Особенно хорошим получался помол, когда пластинка входила в резонансные колебания. В этих условиях оказалась возможной и переработка древесины лестничных пород.

Процесс тонкой деструкции материала имеет уникальные, без преувеличения беспрецедентные, физические особенности и связанные с ними удивительнейшие применения в химической, фармацевтической и других отраслях промышленности. Оказывается, при разрушении, в частности, кристаллического вещества, образуются чистейшие, физики говорят «ювенильные», поверхности. Трещина как бы вскрывает и делает доступными внутренние слои материала, не загрязненные примесями, оксидами, влиянием внешних сред. Это обстоятельство вводит в любой химический процесс с участием таких поверхностей «искренность» и отсутствие посторонних воздействий. Более того, обнажение при массовом дроблении огромной химически активной поверхности играет провоцирующую и стимулирующую роль, заметно увеличивая скорость процессов. Но и это далеко не все. Чисто утилитарный процесс дробления и перемола -

 
Скалы в гальку передробило,
Гальку перемололо в песок…
 

(Б. Слуцкий)

– оказался дорогой, ведущей не только туда, куда ее прокладывали, и открыл перед нами совершенно новое научное направление-механоэмиссия и механохи-мия твердых тел. В 1986 году в Ростове-на-Дону состо-

ялся симпозиум по этой проблеме, в сотнях сообщений которого содержится информация, попросту «захватывающая дух».

Расскажем хотя бы о некоторых вопросах, стоявших в повестке дня симпозиума. Сравнительно давно было известно, что при раскалывании кристаллов их поверхности электризуются. Причем, если в процессе роста трещин возникающий заряд значителен, то со временем он ослаблевает – релаксирует, но сохраняется на поверхностях раскола длительное время. Около 40 лет тому назад известный советский физик Б. В. Дерягин обнаружил эмиссию электронов со свежесколотых поверхностей, названную уже тогда механоэмиссией. Оказалось, что этот процесс намного шире, нежели вначале предполагалось–электроны изучаются при нарушении адгезионных контактов при динамическом контактировании твердых тел в среде углеводородов, разрыве химических связей, разрыве полимерных цепей. Между тем, электроны-то необычные. Они обладают высокой энергией, порядка 40-100 КЭВ и излучаются отдельными элементами вскрываемой поверхности, образующими электростатическую мозаику. Интересно, что этот процесс свойственен в различных масштабах практически любым разрушаемым материалам, даже обычной бумаге.

Не менее интересным является и радиоизлучение, возникающее при отрыве полимерных пленок от твердого тела, разрушении щелочно-галоидных кристаллов, распространении трещины по клеевому соединению двух диэлектрических материалов, раздавливании, наконец, бетона. Но и этим не ограничиваются коммуникационные способности трещины – она излучает свет (механо-люминесценция). Так нагружение и разрушение металлов ведет к эмиссии в диапазоне от видимого до инфракрасного света. При измельчении частиц кварца обнаружены световые импульсы длительностью Ю-3-10~6 секунды. Отрыв каучуковой пленки от стекла сопровождается инфракрасным излучением, определяемым скоростью распространения трещины. Если до этого уровня возможности трещины были сравнительно легко предсказуемыми, то дальнейшее… Впрочем, наши представления о разрушении за последние 50 лет кардинально изменили и это, наверное, хорошо, потому что, как сказал один философ, если закон уже никто не наруша-

ет, значит он устарел. И все же поразительно – трещина излучает рентгеновские лучи! Наблюдались они, в частности, при изучении осадочных горных пород.

Но, пожалуй, самое поразительное в другом. Дело в том, что до настоящего времени теория разрушения строилась в предположении о том, что этот процесс межатомный, в том смысле, что разрыв идет по межатомному и межмолекулярному пространству. К разрыву молекул движущейся трещиной привыкли, в конечном итоге никого не удивляет разрыв длинных молекулярных цепей в полимерах. Когда мы говорим об излучении видимого света, тоже все ясно-возбуждаются при разрыве связей электронные оболочки атомов и излучают. Но ядро-то! Оно всегда при любых процессах разрушения было «недотрогой» и в разрушении не участвовало.

В одном из докладов', представленных Институтом физической химии АН СССР, сделано предположение о возможности протекания ядерных реакций при разрушении твердых тел, содержащих тяжелые изотопы водорода! Результаты опытов показали возникновение в момент разрушения дейтерийсодержащих кристаллов потока нейтронов! В это очень хочется и вместе с тем трудно поверить – неужели? Неужели трещина сечет ядра? Будем ждать новых работ, новых результатов на этом пути. Будем терпеливо ждать их с пониманием того, насколько все это не просто. Будем помнить при этом забавную присказку Игоря Васильевича Курчатова': «Одним матом не расколешь атом»!

Слов нет, физические процессы, протекающие при дроблении материала, многоплановы и физически крайне интересны. Но зачем они? Что они дают? И, наконец, куда они ведут? И помните: зачем нужна дорога, если она не ведет к храму? Оказывается, храм существует и заключается в новом разделе науки – механохимии и ее практических приложениях. Установлено, что для широкого круга химических реакций, протекающих в твердом состоянии, механическое нагружение и разрушение являются мощнейшими стимуляторами. Так, в частности, импульсное одностороннее сжатие3 способно привести к росту скорости реакции на 4-6 порядков! При этом кинетически особенности превращения напоминают низкотемпературный взрыв! В системе циклогексан – хлор4 спусковым ме-

1 Клюев В.. А., Липсон А. Г., Топоров Ю. П. Эмиссия нейтронов при разрушении дейтерийсодержащих твердых тел: Материалы X юбилейного всесоюзного симпозиума по механоэмиссии и механохимии твердых тел. М.: 1986. С. 5.

2 Крайний В. А. Мужество и обаяние//Химия и жизнь. 1983. № 1. С. 32.

3 Бендерский В. А., Мисочко Е. Я., Филиппов П. Г., Овчинни* ков А. А. Криохимия взрывных механохимических процессов: Материалы X юбилейного всесоюзного симпозиума по механоэмиссии и механохимии твердых тел. М.: 1986. С. 80.

4 Там же, с. 81.

ханизмом подобного явления является спонтанное трещинообразо-вание, обеспечивающее зарождение и развитие цепного процесса.

Экспериментаторы1 из Института химической физики АН СССР установили, что стекло, образованное метилциклогексаном и хлором, при медленном отогревании с температур жидкого гелия до жидкого азота остается инертным. Но стоило в стекле появиться трещине, как происходила бурная реакция. Некоторые авторы видят влияние разрушения в эмиссии атомов и молекул хлора в объем трещины. Возможно это так, но вряд ли эта единственная причина. Дело в том, что многие из перечисленных выше явлений могут быть не только «провокаторами» физического процесса, но и его стимуляторами. Это и быстролетящие электроны, и электромагнитное излучение, и рентгеновские лучи. Вероятно, и многие другие процессы вскроются в этом удивительном направлении. Надо только быть готовым принять новое, каким бы неожиданным и парадоксальным оно не оказалось. Писал же Фолкнер, что правда вообще невыносима. Некоторые даже считают ее лекарством, которое можно употреблять лишь в гомеопатических дозах.

Вот уже более 30 лет известно, что дробление, осуществленное в некоторых условиях (в так называемых дезинтеграторах), придает порошкам высокую активность, позволяющую им впоследствии образовывать материалы с необычными свойствами. Так, например, получают цементы, великолепно сохраняющиеся при длительном хранении. Сухие топливные смеси, прошедшие дезинтегратор, более полно сгорают и дают дымовые газы пониженной токсичности. Активируется при этом и синтез, и спекание сегнетоэлек-трических твердых растворов сложных оксидов. И многое, многое другое улучшается, интенсифицируется, активируется после прохождения этой странной обработки в дезинтеграторе. Что это такое? Казалось бы, не так важен метод, если известен результат. В данном случае это не так! Метод сам по себе хотя и не сложен, но интересен. Два соосных ротора с металлическими пальцами с большими скоростями вращаются навстречу друг другу. Измельчаемое вещество оказывается в центре этой системы и подвергается действию ряда мощных последовательных динамических импульсов со скоростями порядка 450 м/с. Интересно, что при этом развиваются гигантские ускорения, в сотни миллионов раз превышающие ускорение свободного падения2. Несмотря на кратковременность пребывания в таких условиях, с материалом, превращаемым в тонкодисперсный порошок, происходят серьезные и необратимые изменения. Природа их до сих пор не выяснена. Возможно, значительную активирующую роль играют процессы, описанные выше, но вполне может оказаться, что разнообразные излучения – лишь следствие более сложных и глубинных явлений. В качестве одной из версий, которую автор книги не разделяет, приведем точку зрения2, согласно которой процессы, происходящие в дезинтеграторе, по величине развиваемых сил и ускорений близки к ситуации, в которой оказывается материал белых карликов, спрессованный в новое вещество с плотностью, на 6 порядков превышающей обычную…

1 Гольданский В. И. и др. Письма в ЖЭТФ. Т. 33. Вып. 6. С. 336.

2 Батраков В. Созидательное разрушение//Химия и жизнь. 1.982. № 1. С. 32.