Звуки разрушения каждый раз индивидуальность, исключение, свойственное данному процессу разделения твердого тела. Неудивительно: ведь звучание процесса- это картина структурных особенностей и деформирования, и зарождения трещины, и закритического эпизода разделения материала, как бы нарисованная с помощью звука. Поэтому из серьезного анализа спектра звука можно понять, если не все, то многое, произошедшее и происходящее с металлом в процессе его разрушения. Другое дело, что это не просто, и сегодня по акустическому спектру нельзя еще получить полного представления о механических процессах, ибо далеко не все мы знаем и нам удается услышать эхо далеко не каждого физического процесса. Но это вопрос, безусловно, разрешимый и в ближайшие годы можно ожидать его прояснения. Однако уже сейчас кое-что понятно. Ясно, например: одна ли трещина или сто, уже по интенсивности звучания мы можем это определить. Поэтому «эхо» процесса четко различимо при обычном разрушении, и при ветвлении. Ветвление имеет несколько особенностей. Прежде всего относительно монотонный рост обыкновенной трещины
выглядит во втором случае как скачкообразный, прерываемый эпизодами зарождения ответвленных трещин. Кроме того, из одной трещины при ветвлении возникает настоящая «металка». Вспомните сотни трещин, лавиной расходящихся в закаленном стекле, пересекаемых другими, круговыми.
Все эти различия звуков, издаваемых материалами, как бы проецируются на наши приборы. Анализ данных показывает, что зарождение и разгон трещины до наступления ветвления в закаленной стали сопровождаются испусканием относительно низкочастотных упругих импульсов (40-50 кГц). Необычные акустические сигналы начинают появляться после преодоления трещиной скорости распространения 1900-2200 м/с, то есть с наступлением ветвления. В спектре трещины появляется высокочастотная компонента, состоящая из импульсов длительностью 0,5-2,0 мкс. Каждый из импульсов-визитная карточка самого элементарного процесса разветвления трещины. Ветвление в закаленном стекле происходит, примерно, за такой же промежуток времени – за
1 мкс. В целом, акустический сигнал всего процесса ветвления гораздо мощнее, нежели обычного разрушения, и по нему сразу же можно ясно установить его происхождение. Ибо рост одной трещины – это щебетанье по сравнению с гулом землетрясения при ветвлении.
К слову, нужно сказать, что акустическое отображение разрушения – не единственный процесс, в котором проявляет себя разрыв сплошности. Например, в некоторых кристаллах разрыв сопровождается различными видами свечения в форме импульсов длительностью 1 мкс.
(Ш. Бодлер)
При разрушении кристаллов оба берега трещины покрываются разноименными электрическими зарядами – электризуются. Образуется обычный конденсатор. В процессе роста трещины берега раздвигаются, а на языке электротехники это означает рост электрического потенциала. С его повышением происходит пробой промежутка, иначе говоря, возникает разряд, Сопровождаемый электромагнитным излучением и световой вспышкой.
Наряду с этими явлениями вскрывающаяся трещина излучает поток электронов. Да не обычных, а ускоренных напряжением до 15-40 кВ. Взяться этим напряжениям неоткуда. Разве что возникнуть из тех самых зарядов, которые имеются на полостях трещины. И тогда окажется, что заряды эти довольно велики. Они велики и на плоскостях трещины, и в ее вершине.
При росте трещины она способна вызывать излучение электромагнитных импульсов, длящихся микросекунды, повторяющихся через несколько миллисекунд. Отличительная особенность этих явлений в том, что они возникают не только во время роста трещины, но и после его завершения. Это и неудивительно, ведь электрические процессы, лежащие в их основе, продолжаются при раз-движении заряженных берегов трещины, все еще «чувствующих» друг друга даже на довольно значительных расстояниях.
Вот, оказывается, какова певица трещина! Она – исполнительница и в звуковом диапазоне, и на языке ультра- и гиперзвука. Но этого ей мало – она- поет и на электромагнитном, и «электронном» диалектах, а еще… на световом жаргоне! Многообещающая исполнительница! Судя по всему, все это для нее не потолок!
ТАКОВА ПРИРОДА ВЕЩЕЙ
…Жаждень узреть и собрать воедино Все, что известно уму твоему.
Подведем итоги этой главы. Прежде всего нам понятно, что разрушение-процесс неслучайный. Он предопределен самой природой. Возможно, это одно из проявлений второго начала термодинамики, согласно которому всякая физическая система, предоставленная самой себе, рано или поздно распадается.
Если это термический очаг, он потухнет и температуры выровняются. Если это скопление вещества, то со временем оно распылится и равномерно распределится в окружающем пространстве. Если это живое существо, то рано или поздно оно погибнет. Если это металлическая конструкция, она разрушится.
(В. Шекспир)
Трещина, вероятно, и есть своеобразный инструмент второго начала термодинамики. И действительно, весь наш опыт говорит о преходящем характере прочности и о том, что даже металл, обладающий теоретической прочностью, может быть разрушен внешними усилиями.
Все это, конечно, не означает, что прочности вообще не существует и конструкция развалится тотчас после ее создания. Ведь и живой организм до половины своего бытия успешно сражается со «вторым началом». Поэтому, работая над прочностью, нужно быть оптимистом и понимать, что многое в наших руках. Мы можем отодвинуть любой из механизмов разрушения на более поздний срок. Мы в состоянии затормозить процессы, лежащие в основе разрушения. Поэтому, чтобы уметь с ними бороться, а если понадобиться, то и использовать их в наших «корыстных» целях, нам нужно хорошо представлять себе, что же такое разрушение.
Итак, что же такое разрушение? Это смерть материала или конструкции как единого целого, подготовленная прежде всего упругой деформацией, протекающей в условиях статических или динамических нагрузок. В по-
следнем случае она представляет собой распространение в материале упругих волн. Затем это некоторая пластическая деформация, сопровождаемая необратимыми изменениями структур. Осуществляется эта деформация движением дислокаций по кристаллографическим плоскостям. Взаимодействуя друг с другом, дислокации способны образовать микротрещины. С этого и начинается собственно разрушение. Микротрещины могут медленно подрастать. Длительность этого периода иногда исчисляется годами. Это так называемый докритический рост трещины, когда конструкция не потеряла способности сопротивляться внешнему нагружению. Это жизнь со злокачественной опухолью, рост которой почему-то остановился… Но вот барьер перейден – трещина перевалила через критический размер. Поток энергии из напряженного объема хлынул в нее, легко скомпенсировал затраты на пластическую деформацию и стремительно «погнал» трещину вперед. Теперь жизнь металла исчисляется не минутами и даже не секундами. При скорости распространения трещины, измеряемой километрами в секунду, речь идет о милли- и микросекундах. Металл обречен.
Акустический, световой, электромагнитный – вот «языки», на которых вначале монолитный, а затем распадающийся металл-полиглот рассказывает нам о своем состоянии все это время – от упругой деформации до полного разрушения.