Портрет трещины

Сама задача была решена Гриффитсом следующим образом. Трещина сконцентрировала упругую энергию. Допустим, трещина подросла. Тогда часть упругой энергии разрядится, и этот процесс природе выгоден, как выгодно любое понижение энергии. На что же идет эта энергия? Естественно, на разрушение, решил Гриффите, А точнее на образование двух поверхностей трещины, и связанную с ними поверхностную энергию. Дело в том, что не только металл, но даже мыльный пузырь в граничном слое имеет свою поверхностную энергию, только у металла она в расчете на единицу поверхности в 10- 15 раз больше, чем у мыльной пленки. Хорошо известно, что поверхности жидкостей и жидких пленок всегда стремятся сократиться. В твердых металлах этого в отличие от жидкости не происходит – слишком велика их прочность, но стремление такое всегда есть и в некоторых условиях, например, когда металл находится в расплавленном состоянии, пленка металла очень похожа на жидкую. Поэтому, чтобы создать свободную поверхность, надо затратить работу. Так вот, при образовании трещины возникают две свободные поверхности и каждая из них – носитель запаса поверхностной энергии. Гриффите решил, что вся разрядившаяся упругая энергия идет на создание поверхностной энергии двух половинок разрушенного металла. Допустим, продолжал Гриффите, что образование трещины требует большей энергии, чем освобождающийся запас упругой энергии. Очевидно, что разрушения в этом случае не произойдет. А если наоборот – выделяющейся упругой энергии с лихвой достаточно для покрытия энергетического дефицита, связанного с образованием двух поверхностей трещины? Тогда начинается стремительное развитие трещины и конструкция моста, резервуара, самолета или корпуса ракеты «умирает».

Все дальнейшее развитие механики и физики показало, что Гриффите нарисовал в основном правильную картину развития событий, но в деталях он был не точен или не прав. Например, ему казалось, что развитие трещины должно происходить со скоростью звука. Опыт

этого не подтвердил – трещина по крайней мере вдвое медлительнее.

Важнее оказалось другое. У Гриффитса трещина была совершенно хрупкой. Это означает, что при разрушении пластическая деформация отсутствовала. Между тем инженерный опыт показывает, что почти всегда деформация сопровождает разрушение. При этом она съедает энергии в тысячу, а иногда и в десять тысяч раз больше той, которая требуется для компенсации поверхностного натяжения. Ясно, что в этих условиях поверхностное натяжение становится несущественным. Последователи Гриффитса, в первую очередь американский ученый Г. Р. Ирвин, решили, что и столь большая пластическая деформация не помеха для расчета тела с трещиной. Надо только считать, что она располагается лишь вблизи самого носика длинной трещины. Такие трещины получили название квазиупругих, или квазихрупких, то есть якобы хрупких. «Достоинство» их заключается в том, что, с одной стороны, к ним можно применить весь математический аппарат теории трещин – ведь зона пластичности крохотная в сравнении с длиной трещины; с другой – крохотная-то крохотная, а энергию упругого поля деформации понижает.

Используют это так. Прежде всего анализируют характер напряженного состояния в конструкции – к какой трещине оно приведет. Есть три вида трещины: нормального разрыва, поперечного сдвига и продольного сдвига. Первая из них возникает, когда разрывают лист бумаги. Чтобы объяснить второй, представьте себе, что два листа металла склепаны. Вы хотите это соединение разделить и молотом ударяете по верхнему слою, срезая заклепку. Дефект в заклепке и есть трещина сдвига. Трещина продольного сдвига образуется, когда, например, бумагу не разрывают, а режут ножницами. Для каждой давно рассчитаны поля напряжений вокруг их вершин (помните: «уши» трещины?). По мере приближения к вершине напряжения быстро растут и достигают предела, после которого материал начинает «течь», то есть пластически деформироваться. Эти условия так и называются пределом текучести. Протяженность области, где это происходит, легко рассчитать; с этого момента реальная длина трещины – это ее подлинная длина плюс размер пластически деформированной зоны. Вот теперь, когда известна и длина трещины, и напря-

жения в ее вершине, и потери энергии на деформирование, можно определить силу, необходимую для продвижения трещины. И конечно, ее легко сравнить с силой из опыта. Но еще важнее введение удивительной характеристики материала – вязкости разрушения. Эта величина, пропорциональная разрушающим напряжениям в вершине трещины, служит своеобразным рубежом прочности скомпрометированного трещиной металла. Ее легко вычислить для трещин различного вида практически в любых металлоконструкциях. Сопоставляя ее с напряжениями, действующими на деталь в том или ином процессе нагружения, заранее можно предсказать: выдержит ли нагрузку конструкция, содержащая трещину, или не выдержит. Все это можно сделать, испытывая не целую ступень космической ракеты, а лишь образец ее материала.