Портрет трещины

Рождение вторичных трещин всегда связано с искривлением траектории магистральной. Очередность событий при этом такова. Сначала основная трещина «ныряет» в сторону, выбрасывает ответвление, а затем, как бы оттолкнувшись от него, возвращается на прежнюю траекторию. В результате ответвление оказывается направленным по касательной к искривленному участку траектории. Впоследствии вторичная трещина отклоняется на углы до 30-40°.

Элементарный акт излучения вторичной трещины

' Кривин Ф. Сила убеждения. В стране вещей. – М.: Советский писатель, 1961. С. 15

связан, таким образом, с искривлением основной магистральной. Последующее их расхождение обусловлено, вероятно, известной отдачей в соответствии с законом сохранения количества движения. Вместе с тем даже при многочисленных ветвлениях магистральная трещина распространяется сравнительно прямолинейно. Поэтому первичным является искривление трещины, вызванное ее нестабильностью, а излучение – вторичным. И действительно, Элизабет Иоффе показала, что ветвление должно наступать тогда, когда в широкой области перед быстрой трещиной возникают примерно равные напряжения и трещине, в сущности безразлично, куда «бежать». Трещина при этом может легко «заблудиться» и отклониться в сторону. В этих-то условиях испускание ответвленной трещины и способствует спрямлению траектории. Чем-то это напоминает реактивное движение, при котором, выбрасываемое из ракеты вещество может сообщить ей движение в противоположном направлении.

В предыдущем разделе мы говорили, что ветвление открывает совершенно новую дверь в разрушение, новую его страницу.

Необычный это процесс. Иной раз ответвления способны разворачиваться по отношению к основной трещине на 90° и даже идти в направлении, обратном тре-

щине. Особенно часто это наблюдается при взрывном нагружении. Бывает, что трещина растет вдоль растягивающей нагрузки, что почти неправдоподобно. Правда, она в этом случае «влияет», как бы извивается вдоль направления приложенной силы.

Не менее сложны и процессы по фронту трещины. В обычных условиях он довольно полог. То есть трещина ведет наступление на материал примерно одинаково по всему его сечению. Иное дело при ветвлении. С его началом трещина атакует пластину металла двумя колоннами. Фронт ее расщепляется и имеет форму двух лепестков, прилегающих к поверхности. Обе эти трещины на противоположных сторонах образца приобретают при критической скорости значительную самостоятельность, позволяющую им «рыскать» из стороны в сторону и создавать ответвления. Чувствительность их огромна. Они реагируют на малейшие изменения поля упругих напряжений или структуры материала.

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)