Текст книги "Портрет трещины"

Автор книги: Виктор Финкель

сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 13 страниц)

«БУТЕРБРОД» ТОРМОЗИТ РАЗРУШЕНИЕ

…Секунды в бесконечность превращал…

Эуджен Жебеляну

В предыдущем разделе мы затронули проблему взаимодействия трещины со стрингером и пазом. В действительности, это лишь один из аспектов обширной темы-поведения трещины у границ. Читатель знает, что материалы, состоящие из разнородных слоев, называются композитами. По существу каждый композит похож на бутерброд. Но в отличие от обычного бутерброда, который должен быть съедобным, бутерброд – композит «обя-

зан» быть неудобоваримым для разрушения. Это заранее задуманный и «спроектированный» враг трещины. Иной раз он может и пожертвовать прочностью какого-нибудь из многих своих слоев, но рано или поздно на эту «приманку» обязательно попадется изловленная трещина. У трещины в этом случае тоже свое «кредо» – она почти всегда неравнодушна к границам сред с различными упругими характеристиками. Она может их «любить» или «ненавидеть», то есть проникать через них или не проникать, но она не бывает безразлична к ним.

При встрече трещины с границей возможно несколько вариантов ее поведения. Прежде всего трещина может прорваться через нее, потеряв при этом какую-то часть своей скорости, и распространяться во втором материале. Этот вариант лишь отчасти полезен на практике или совсем бесполезен. Важнее, когда трещина застревает на границе и разрушение останавливается. Возможно и такое; трещина затормозила, упершись в границу. А затем под действием давящих на нее усилий разорвала материал по границе склейки. Это реально, когда трещина идет из мягкой составляющей в более твердую.

Какие же простейшие комбинации сред способны оказать сдерживающее влияние на трещины? Это прежде всего чередующиеся прочные и мягкие слои композита.

Первые – основа, они несут нагрузку, вторые – тормозят разрушение. Композиты такого рода представляют собой, например, основу из легированной высокопрочной стали, содержащей один или два слоя низкоуглероднс-той мягкой стали. Особую роль играет метод соединения слоев. Наиболее простой – сварка. Могут быть использованы и современные прочные клеи. Трещина, подходящая к вязкому слою, растрачивает упругие напряжения в своей вершине на пластическое течение. Это неизбежно ведет к торможению или полной остановке. Помимо того, в процессе течения радиус основания трещины растет – она затупляется. А известно, что напряжения в вершине тупой трещины меньше, чем в вершине острой.

Совсем не обязательно, чтобы весь композит был целиком стальным. Металлы – «сэндвичи» могут быть сконструированы, например, из стали и меди. Стальной компонент придает конструкции высокую прочность; медь предохраняет ее от возможного разрушения. Трещина, возникающая в стальном слое, всегда застревает или, как говорят, локализуется в медном.

Вязкость такого биметалла гораздо больше, чем обычной стали.

Какие поистине фантастические возможности открываются при подборе пар: пластик и дерево, монокристалл и поликристалл, стали и смолы. А какие перспективы «в содружестве железа и стекла»!

Совсем не обязательно, чтобы слоев было два. Иной раз их может быть и много. Например, шесть слоев бериллия чередуются с пятью слоями алюминия. В отличие от монолита бериллия, разрушающегося сразу по всему сечению, «сэндвич» рвется слой за слоем и поэтому выдерживает нагрузку выше в 5-6 раз. Особенно хороши «бутерброды» при динамическом нагружении. Это и понятно, ведь при быстром приложении нагрузки большую роль играют упругие волны, не только нагружающие деталь, но и подталкивающие трещины. Вместе с тем границы слоев преломляют, отражают, а порой и рассеивают волновые потоки. Поэтому в слоистой среде распространение волн осложняется, а это на руку прочности.

Но барьерные свойства многослойных композитов– только одна из их положительных сторон. Есть и другие, например, если композит перед склеиванием слоев был сжат, то в нем затруднено и зарождение исходной тре-

шины. Более того, тонкие слои высокопрочного металла, входящие в него, как известно, по сравнению с тем же металлом в монолите менее подвержены хрупкому разрушению из-за малых размеров. Важно и то, что в композите они находятся в пространственном напряженном состоянии, которое подавляет разрушение.

Пока что, говоря о границе, разделяющей материалы, мы предполагали ее клеящие и барьерные свойства. Однако ее влияние может быть гораздо более обширным. Так, граница способна создавать по обе стороны от себя области сжимающих напряжений. А мы знаем, что трещина их «боится» и быстро в них останавливается. Этим часто пользуются в судостроении. На некоторых трещиноопасных направлениях накладывают такие сварные швы, даже на однородной стали, чтобы они создавали протяженные упруго сжатые поля. Тем более полезен сварной шов, соединяющий разнородные металлы. Здесь, однако, не все просто и далеко не всякий сварной шов годится для этой цели. Иной из них способен не столько тормозить трещины, сколько ускорять их.

Однако, сознательно управляя полями упругих напряжений в окрестностях границы слоев, можно создавать такие ситуации, когда трещина вынуждена поворачивать под углом к плоскости границы и идти вдоль нее, то есть в неопасном направлении.

Интересные возможности открывают сложные «сэндвичи», в которых трещина растет в направлении слоя, но ее плоскость перпендикулярна плоскости слоев. Здесь начинает работать механизм расслоения композита. Это, конечно же, нехорошо – ведь идет разрушение. С другой стороны, такое множественное образование трещин приводит к быстрому торможению магистральной -уж очень велика энергия многих одновременно вскрывающихся поверхностей. И все-таки сегодняшние композиты, как правило, опасаются трещины, идущей по границам– это уязвимое направление. «Сэндвич» как древний воин стремится подставить свой щит – границу под прямой удар меча. Между тем теория показывает, что трещина, распространяющаяся по склейке, имеет свое тормозящее влияние. Дело в том, что в вершине ее напряжения не постоянные, а пульсирующие. Они как бы много раз меняются в пространстве и во времени. В результате берега трещины, то есть пластины различных материалов, должны перекрываться. Делать это буквально они не

в состоянии. Поэтому речь может идти только о своего рода взаимном вдавливании материала одного слоя в материал другого. К сожалению, экспериментально этого пока еще никто не проверил. Однако явление такое, имей оно место, оказалось бы интересным не только с познавательной точки зрения, но и в сугубо практическом отношении. Ведь оно означало бы отсутствие у трещины широкой дороги между слоями из-за меняющихся напряжений и невероятно сложную пространственно изогнутую траекторию движения от вмятины к соседнему бугру. Остановка за малым – доказать возможность такого эффекта, ведь в него верят далеко не все.

Иной раз границы действуют не только на пересекающую их трещину или на разрушение в них самих. Трещина в многослойном композите может находиться внутри слоя и располагаться параллельно границе. При этом поведение трещины будет непростым. Так, если соседние среды жестче, то трещина стремится распространиться в середине «своего» мягкого коридора. Однако и здесь движение ее неустойчиво, а путь представляет собой плавную волнистую кривую.

По-моему, именно к быстрой закритической трещине относятся иронические слова американского писателя Джоунса: «Пусть это дорога в никуда. Но зато на всем пути зеленый свет». Композитные материалы играют роль красного света, останавливающего трещину не толь-

ко символически, но и непосредственно, физически. Пожалуй, это самый простой и надежный способ прервать разрушение. Правда, не всегда он выгоден и удобен. И из-за относительно высокой стоимости и вследствие того, что далеко не каждую конструкцию можно сегодня изготовить из сэндвичеподобных материалов. Однако там, где это возможно, многослойные материалы надежно стоят на пути разрушения, защищая прочность.

ТРЕЩИНА, ГОРИ ОГНЕМ!

…Паутинка в воздухе прозрачном Холодна, как трещина в стекле…

Новелла Матвеева

Действительно ли холодна трещина? Да, если она неподвижна. Но было бы неверно сказать так, имея в виду темпераментно растущую трещину. И вот почему. При разрыве связей в вершине выделяется тепло. Кроме того, протекающая на этом участке пластическая деформация в конечном итоге ведет к выделению тепла. При достаточно быстром разрушении скорость этих процессов растет. В то же время теплообмен с массивом холодного металла не успевает осуществиться за короткое время, тепло скапливается в том месте, где оно выделилось. Поэтому-то и можно ожидать вблизи поверхности трещины и в ее вершине повышенных температур. Дело, таким образом, в адиабатическом (быстротекущем без теплообмена) характере процесса разрушения. Читатель знает, конечно, что все адиабатические процессы ведут к неизменному повышению температуры. Например, при вспышке топлива в камере сгорания дизеля, при попадании пули в преграду, при быстром сжатии воздуха в насосе и т. д.

Итак, принципиально разогрев вершины трещины сомнений не вызывает. Теоретические исследования показывают, что температуры, которых можно ожидать, в стали, например, могут достигать 100-700 °С. На практике, однако, все гораздо сложнее. Зарегистрировать такое повышение температур в опытах с металлами нелегко. Дело не в том, что оно не возникает. Просто его очень трудно зафиксировать. Ведь «ловить» температурные скачки надо в объемах, исчисляемых квадратными микронами и меньше.

И все же не вызывает сомнения, что какой-то нагрев в устье трещины происходит. Но вместе с тем ясно и то, что решительного влияния на процесс разрушения оно не оказывает. А было бы совсем неплохо, если бы оказывало. Представьте себе: быстрая трещина так разогрела свою вершину, что материал стал едва ли не жидкотеку-чим и хрупкое разрушение прервалось.

Как для нас заманчиво самоторможение быстрой трещины, ведь это подлинное ее самоубийство! К сожалению, трещина – зло слишком самоуверенное и самовлюбленное, чтобы «покончить с собой». Поэтому учинить над ним «расправу»-дело наше. И для этого можно использовать тот же самый рычаг – тепло. Но тепло, сознательно привнесенное в разрушение извне.

Действие повышенной температуры на трещину благотворно по многим причинам. Прежде всего потому, что растет вязкость металла, способная погасить скорость разрушения. Кроме того, трещина как разрыв сплошности заметно меняет тепловой поток, распространяющийся в металле от внешнего источника. Это приводит к изменению распределения температур в ее вершине и термическим напряжениям. Вся проблема достаточна сложна.

Попробуем же, не вдаваясь в серьезный математический анализ, необходимый для ее решения, понять простейшую природу влияния разорванного температурного

потока. Суть проста: трещина плохо пропускает тепло. Поэтому на ее берегах различная температура. Но ведь при нагреве металл расширяется. Следовательно, берега трещины расширяются по-разному. И эти два различных тепловых удлинения «встречаются» в единой вершине трещины. Если бы трещина вела себя как биметаллическая пластина, используемая в газовых колонках, то ее берега изогнулись бы. При этом пластина с большим тепловым расширением изогнулась бы сильнее другой, а вся биметаллическая пластина превратилась бы в запятую. Но трещина не тонкая пластина, она лишь часть массивного материала. Следовательно, она стремится изогнуться, а весь материал ее не пускает. В результате в массиве тела с трещиной возникают так называемые термоупругие напряжения. Они сложным образом взаимодействуют с напряжениями, возникающими в результате нагрузки приложенной извне. Эта ситуация при некоторых условиях способна формировать разрушение, но при других – притормаживать его. Задача лишь в том, чтобы эти условия найти и использовать.

Рассмотренный случай привел бы к тому, что трещина отклонилась бы от источника тепла. Может, однако, случиться и обратное. Пусть источник тепла находится далеко от трещины. Настолько далеко, что поверхность трещины не нагревается. Тогда на разрушение влияют только термоупругие напряжения, всегда окружающие источник тепла. Механизм их прост. Источник нагревает близлежащий участок металла и расширяет его в радиальном направлении. Трещина, расположенная по касательной, оказывается сжатой. В этом направлении она уже не может расти и вынуждена «изворачиваться». Но как? Вспомним, что стакан с горячей водой расширяется. Точно так же расширяется материал вокруг источника тепла. При этом по образующей цилиндра с нагретой сердцевиной в материале возникают растягивающие напряжения, стремящиеся его разорвать. Трещина, как известно, большая любительница растягивающих напряжений. Вот она и устремляется к месту нагрева, жадно поглощая свою пищу – поле растягивающих термоупругих напряжений.

Прямой эксперимент показывает, что трещина, распространяющаяся вблизи источника тепла, как правило, резко поворачивает к нему, вклинивается в оплавленную зону и останавливается.

Дополнительные возможности создают и источники отрицательных температур. Здесь трещина отклоняется от зоны охлаждения, а темп ее движения возрастает. Располагая точки нагрева в определенном порядке, скажем шахматном, так, чтобы их поля напряжений перекрывали друг друга, можно произвольно менять траекторию распространения разрушения и «уводить» его в любом заданном направлении. Можно притормаживать движение трещины, полностью его останавливать, а при желании и ускорять.

А можно ли использовать все это для торможения быстрой трещины? Да, можно. И вот как. Прежде всего на пути разрушения, происходящего со скоростью в 1000-2000 м/с, можно создавать стабильные температурные поля. Если трещина идет в направлении повышения температур, то рано или поздно она останавливается. Можно, однако, поступить и по-другому. Не создавать температурных полей заранее, а ждать, когда в этом районе возникнет разрушение или к нему подойдет трещина. И тогда…

Можно ли тогда включить электрическую спираль, нагреть ее и создать температурное и термоупругое поле в металле? Можно. Но к тому времени, когда мы успеем все это сделать, разрушение уже давно завершится. Время здесь измеряется в милли– и микросекундах. Значит, нагрев должен быть молниеносным, импульсным. Сегодня его осуществляют с помощью так называемых взрывающихся проволочек. Через тонкую проволочку или фольгу пропускают мощный разряд электрического тока от батареи конденсаторов. Джоулево тепло, образующееся в тонком проводнике, настолько велико и выделяется за столь короткое время (десятки микросекунд), что проводник «не выдерживает» и взрывается. При этом развивается давление в десятки тысяч атмосфер, температура достигает десятков тысяч градусов. Представьте себе, что такая проволочка взрывается непосредственно перед стремительно распространяющейся трещиной. До этого трещина «бежала», подгоняемая растягивающими напряжениями, легко «рвала» металл.

 
…Но молнии проволочка каленая
Черную тучу прожгла…
 

(Л. Озеров)

Вершина трещины сразу оказалась в очаге взрыва, где на нее почти одновременно действовали ударная волна,

термоупругие напряжения и пластичность нагретого, а потому легко текущего металла. В результате за 10– 15 мкс трещина растеряла свою скорость, составляющую 1000-2000 м/с, затупилась и застряла. Таким же образом можно и отклонить трещину от ее основного направления, то есть можно управлять ею.

Конечно же, взрыв проводника не улучшает качество металла – он и наклепывает его, и создает в нем микроразрушения. Но трещину он все же тормозит, разрушение останавливает.

Имеем ли мы право на такое привлечение зла для победы над другим, горшим злом? Думаю, что да. Ведь ценой этого локального повреждения мы спасем целую конструкцию! Вот и получается, что в данном случае устарел «тезис» Петрарки:

Огонь огню предела не положит..

Вспомните, для спасения от другого бедствия – лесного пожара – создают встречный вал огня. Почему же не воспользоваться этим методом как «противоядием» против разрушения?

ТРЕЩИНЕ ПОЛЕЗНО ВОЛНОВАТЬСЯ

Стремите, волны, свой могучий бег!

Д.-Г. Байрон

В одном из кинофильмов рассказано, как пытались ост тановить буровзрывные работы в горном районе, которые могли испортить трещинами ценные монолиты гранита и мрамора. Ясно, что прорастание трещин здесь вызывалось бы упругими волнами, возникавшими в очаге взрыва и распространявшимися от него на большие расстояния. Нас. это не удивляет.'Ведь при каждом взрыве вулкана возникающие волны способны многократно огибать земной шар и приводить, порой, к невероятным разрушениям. Понятно поэтому, что упругие волны способны не только вызывать появление трещин, но и решительным образом влиять на характер их распространения.

Какие же упругие волны существуют? Обычно различают волны продольные, поперечные и поверхностные. Кроме того, их делят на два типа. К одному из них относятся стационарные, то есть подлинные волны с многократно повторяющимися гребнями и впадинами. В та-

ких волнах упругие возмущения идут одно за другим, никогда не прекращающейся чередой:

…За волною – волна, точно всадник – за всадником…

(М. Квливидзе)

В продольной волне такого «непрерывного» типа вещество сжимается в направлении распространения волны. Допустим, что волна падает нормально к плоскости трещины. Ясно, что она будет сжимать берега и тормозить разрушение. А что произойдет, если эта волна пойдет по одному из берегов трещины, вдоль нее, по направлению к устью? Тогда эта часть материала окажется сжатой и трещина будет отворачиваться от нее. Между этими двумя случаями и лежит бездна углов падения волны на трещину. Меняя их, можно широко изменять характер влияния упругих возмущений на распространение быстрой трещины.

Допустим теперь, что волна по-прежнему продольная, но переносит она напряжения растяжения. Тогда при нормальном, то есть перпендикулярном падении на поверхность трещины возникло бы дополнительное растяжение, а разрушение ускорялось. При распространении такой волны по одному из берегов трещина поворачивала бы в эту же сторону. При произвольном угле падения трещина ориентируется всегда нормально к направлению волны растяжения.

Обратимся далее к поперечным стационарным волнам. В них возникают поперечные сдвиговые напряжения. Поэтому в подавляющем большинстве случаев волны эти так или иначе разворачивают разрушение.

Итак, все стационарные волновые явления активно влияют на движение трещины и способны не только тормозить и ускорять ее, но и переориентировать по своему желанию.

Многократно вводя энергию в окрестности вершины разреза, волна способна за длительное время контакта не только изменить поле напряжений, но и самым решительным образом – траекторию разрушения.

Особенно преуспевают в этом поверхностные волны, распространяющиеся в плоскости самой трещины. Мы уже говорили, что они с увеличением расстояния ослабляются меньше, нежели продольные и поперечные. Кро-

ме того, волна, идущая по трещине, как по волноводу, подводит всю свою энергию прямо к вершине в отличие от продольных и поперечных, подходящих к устью трещины лишь частью своего фронта. Следовательно, коэффициент полезного действия поверхностной волны выше. Как же реагирует трещина на появление в своей вершине рэлеевских волн? Если эти волны бегут «ноздря к ноздре» по обоим берегам трещины, разрушение ускоряется в своей плоскости. Иное дело, если волна «струится» по одному из берегов. В ней точки колеблются в плоскости, нормальной к поверхности трещины. При этом каждая из них движется по эллипсу точно так, как перемещаются они в волне на поверхности воды. Ведь никого не удивляет, что море выбрасывает предметы на сушу. Если бы точки двигались только вверх и вниз, этого не случилось бы. Поэтому в рэлеевской волне возникают сдвиговые напряжения под прямым углом к скорости трещины. Опыт, проведенный И. С. Гузем и автором этой книги на трещине, скорость которой составляла 1 км/с, подтвердил разворот на 80-85°.

Было бы упущением не упомянуть здесь о волнах еще одного вида – изгибных. Они наиболее часто образуются в твердых телах. Именно такого рода нагружению подвергаются различные части летательных аппаратов, стрелы подъемных кранов, детали мостов и машин. Все волны, рассмотренные нами ранее, повышали концентрацию напряжений в вершине трещины. Иное дело из-гибные. Они способны понижать напряжения в устье и таким образом тормозить трещины. Вместе с тем, подобно поперечным упругим колебаниям, изгибные волны отклоняют разрушение от первоначальной траектории и разворачивают трещину.

На практике очень часто волновые явления обладают достаточно высокой интенсивностью и способны ощутимо влиять на зарождение и распространение трещины. Так, разрушение авиационных конструкций хвостовых частей самолета часто наступает под действием мощных шумовых и звуковых потоков, возбуждаемых двигателями.

М. Булгаков в романе «Мастер и Маргарита» описывает следующую фантастическую картину: «– Мессир, поверьте, – отозвался Коровьев и приложив руку к сердцу, – пошутить, исключительно пошутить… – Тут он вдруг вытянулся вверх, как будто был резиновый, из

пальцев руки устроил какую-то хитрую фигуру, завился, как винт, и затем, внезапно раскрутившись, свистнул. Этого свиста Маргарита не услыхала, но она его увидела в то время, когда ее вместе с горячим конем бросило саженей на десять в сторону. Рядом с нею с корнем вырвало дубовое дерево, и земля покрылась трещинами до самой реки».

Диапазон упругих частот, генерируемых в конструкциях современного реактивного самолета, простирается от инфразвуковых (измеряемых считанными герцами) до ультразвуковых (исчисляемых миллионами герц). Последствия страшны: выходит из строя обшивка руля высоты, что является прямым следствием шумов, создаваемых струей ракетного ускорителя. В американской печати отмечалось, что длительное время в ракете «Титан», построенной в США, появлялись подобные разрушения, также связанные с мощными шумами.

Для англо-французского сверхзвукового самолета типа «Конкорд» максимум звуковой интенсивности приходится на диапазон 100-1000 Гц. При этом в хвостовой части фюзеляжа преобладает участок спектра 100– 250 Гц. Интересно, что при испытании самолетных конструкций применяют громкоговорители большой мощности со специальными рупорами; на «подопытные» объекты воздействуют звуком тысячи и тысячи часов – до полного разрушения металла. При этом используют то обстоятельство, что трещина реагирует на множество колебаний различных частот и особенно на резонансную частоту, зависящую не только от особенностей самой конструкции, но и от длины трещины. Оказалось, что эти резонансные частоты и находились в области особой чувствительности 100-250 Гц.

Все эти примеры интересны не потому, что шумы способны разрушить даже металл. Как раз наоборот, мы стремимся выяснить, как использовать упругие волны различной природы для сознательного управления траекторией быстрой трещины. Как с их помощью затормозить разрушение? Годны ли для этого стационарные, упругие волны? К сожалению, на практике их не используешь. И вот почему. Представьте, что перед нами какая-нибудь металлическая конструкция. Ее покой чутко охраняют своеобразные сторожа – акустические, электромагнитные или другие приборы. Но вот внезапно в каком-то ее месте возникла трещина. Она немедленно

подает голос и датчики «службы безопасности» ее засекают. Привлекая небольшие вычислительные устройства, они определяют не только местонахождение трещины, но и направление, и скорость движения. Затем подают импульс – «сигнал бедствия». По этому сигналу должны сработать миниатюрные взрывные устройства и послать упругие волны на устье трещины. Большим ли запасом времени располагают эти устройства? Да его почти что и нет. Всего-навсего 1-5 мкс. За это мгновенье много периодов волн не пошлешь. Значит, это должен быть упругий импульс, а не периодическая волна. Он обрушивается на трещину в заданном месте под определенным углом.

Что же происходит при этом с трещиной? У нее должно остаться лишь две «возможности»: либо остановиться, либо изменить траекторию в том направлении, которое нужно нам. Конечно, хорошо прервать разрушение. Ведь это означает исключение катастрофы, бесценный выигрыш времени для ремонта и восстановления несущих свойств конструкции. Но разве остановленная трещина не начнет расти вновь? Может и начать, но ей надо разогнаться, а для этого получить немалую порцию энергии извне. Желательно, чтобы концентрация напряжений в вершине остановленной трещины была уменьшена до предела. Этому помогает следующее. Когда заряд тринитротолуола взрывается, он выбивает в материале небольшое отверстие, порядка нескольких миллиметров. Напряжения, создаваемые вокруг него, таковы, что проходящая мимо трещина в результате атаки ударных волн заворачивает на очаг взрыва и останавливается на нем. Это очень удобно, потому что теперь радиус при вершине трещины огромен и расти при напряжениях, существующих в детали, она больше не сможет.

Другой вариант в этом отношении, пожалуй, лучше. Допустим случилось так, что волны развернули трещину в обратном направлении или «завили» ее в окружность или спираль. Такое разрушение не сможет прогрессировать потому, что напряжения в его вершине будут определяться кривизной его траектории, а не остротой вершины трещины. Образец с такой трещиной окажется не менее прочным, чем совершенно целый. Он может успешно послужить еще некоторое время.

Что же происходит с металлом, когда на нем взрыва-

ется заряд тринитротолуола или другого взрывчатою вещества? Конечно, возникающие при этом упругие волны остановят трещину, однако, они неизбежно повредят конструкцию, внесут в нее новые отверстия, зародышевые микротрещины и многие другие дефекты. И все же другого пути нет, ведь вся конструкция находилась в состоянии агонии. Не останови мы трещину, разрушение было бы неизбежным.

Быть может прав был испанский поэт Луис де Гонгора и Арготе: «…и только адом побеждают ад».