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?