Портрет трещины

А пока, чтобы разобраться в существующих точках зрения на это явление, надо еще немного порассуждать, надо вооружиться тонким надежным скальпелем, прежде чем мы поймем, как же превратить вершину надреза в трещину, обойдя или использовав при этом пластическую деформацию.

Обратимся к тому, что представляет сущность чисто механического подхода к разрушению.

Стоит ли слишком категорично разделять концентратор напряжений и трещину? В конечном итоге они ведь различаются только тем, что в концентраторе вершина сравнительно тупая, а в трещине она невероятно остра и исчисляется стомиллионными долями сантиметра, то есть порядка межатомного расстояния. Меняется, таким образом, лишь масштаб концентрации напряжений, но не сама, по мнению механики, сущность процесса. Поэтому отнюдь не обязательно детально, на уровне поведения отдельных атомов, анализировать зарождение исходной микротрещины на дне надреза.

Ну, а как быть при таком подходе с ролью пластической деформации? Ответ прост: не надо драматизировать! Да, пластическая деформация существует; да, она предшествует разрушению. Ее роль? Пожиратель энергии, нагнетаемой внешней нагрузкой в тело. Если разрушения нет, вся энергия идет на деформирование. Если разрушение уже действует, то лишь часть внешней энергии идет на его развитие, а вторая – на деформирование. В последнем случае разрушение происходит под

аккомпанемент пластического течения, так сказать под сурдинку.

В таком подходе много недостатков. В нем нет ответа на извечные вопросы: почему и как образовалась трещина из концентратора, как связана пластическая деформация с разрушением физически, какова структура материала в зоне зарождения трещины и многие другие. Но вместе с тем подход этот отличается и уникальными достоинствами. Он позволяет рассчитать реальные виды разрушения именно потому, что пренебрегает тонкими структурными деталями, численная оценка которых всегда трудна. Ясно, что рассчитать любое механическое устройство гораздо проще, чем сложнейшие процессы атомного масштаба.

Едва ли не самым ярким примером такого подхода к оценке прочности материала явилась теория, предложенная английским инженером, а впоследствии авиаконструктором А. Гриффитсом. Он обратил внимание на то, что реальная прочность конструкций всегда ниже той, которую можно было бы от нее ожидать. Это явление он объяснил так: каким бы монолитным не казался металл извне, он содержит в себе трещины. Откуда они? Какова их природа? На эти вопросы Гриффите ответов не нашел, да, вероятно, и не искал их. Они пришли позднее, через 30-40 лет и найдены были другими исследователями. Но в главном, и это потом было подтверждено физиками многократно, Гриффите был прав: металл действительно содержит трещины самых разных размеров и нередко очень опасных. Эти трещины, как болезни, развиваясь, сокращали жизнь деталей, обрекая их на преждевременную кончину.

В чем же состоит механизм их влияния на прочность?

В конечном итоге все сводится к той же концентрации напряжений. Допустим, в куске металла есть большая трещина. Она, естественно, уменьшает сечение, сопротивляющееся приложенной нагрузке, и на оставшееся тело материала действуют большие напряжения. Дело, однако, столь простым случаем не ограничивается. Даже, если бы пластина металла была бесконечно велика, все равно в вершине трещины напряжения как бы аккумулируются и способны в несколько раз, а иногда, как мы уже говорили, на много порядков превышать их средние значения. Это происходит в объеме металла

примерно того же размера, что и размер трещины. Интересную форму имеет область, в которой эти напряжения накапливаются – что-то вроде ушей по обе стороны вершины трещины. В этих «ушах» скапливается большая упругая энергия, стремящаяся разорвать металл. И если трещина находится в напряженном металле, она всегда с «ушами». Она может ими даже «хлопать» – при изменении режима ее роста или когда трещина располагается на границе между двумя различными слоями в композитном материале. Это означает изменение распределения напряжений в окрестностях вершины трещины. Об ушной проблеме „читателю уже известно больше того, что знал в свое время Гриффите. Экспериментально и теоретически такое распределение напряжений было подтверждено лишь через 15-20 лет после работ Гриффитса. И тем не менее Гриффите нашел в принципе правильный ответ, хотя и исходил из того, что сконцентрированное упругое поле как бы окружает всю трещину. Когда-то знаменитый физик Р. Вуд писал,

что в молодости, начиная читать лекцию по физике, он был впереди студентов на два часа, а к концу лекции их знания сравнивались. Но эти исторические «два часа», отделившие Гриффитса от современников, и позволили ему обессмертить свою идею.