Портрет трещины

Сегодня – это один из основных методов исследования прочности потому, что любой реальный элемент металлоконструкции содержит множественные дефекты: и трещины, и надрезы, и отверстия, а испытать его целиком (скажем, ферму протяженностью в 50-100 м) физически невозможно. Да, к счастью, теперь и не нужно. Сотни лабораторий во всех странах мира, во всех отраслях машиностроения используют этот метод, хотя еще 20 лет назад казалось, что он не нужен.

Механики оказались правы и подарили цивилизации отличный инструмент для прогнозирования и оценки реальной прочности, который мы условно назовем «первичным диагнозом». Что имеется в виду? Произошла авария. Она может быть грандиозной – развалился корпус танкера в сто тысяч тонн водоизмещением и нефть залила обширный район моря. А может быть и скромной по своим масштабам, например во время больших холодов «разморозились» батареи и некоторые из них взорвались с разлетом осколков (бывает и такое). Специалист-механик, подобно врачу-терапевту, при первичном осмотре «больного», еще не располагая данными анализов, скажет примерно следующее. В первом случае при сварке корпуса танкера была проявлена небрежность, в результате которой швы получились с несплош-ностями. Эти непроверенные места явились концентраторами напряжений. Кроме того, жесткость корпуса танкера оказалась недостаточной и при сравнительно небольшом волнении на море он постоянно прогибался.

Со временем число этих циклов изгиба достигло критического значения – из концентраторов напряжений в сварных швах пошли трещины.

Может быть и иной вариант. При сварке в корпусе оказались законсервированными мощные остаточные напряжения и они «разрядились» на непроваре и т. д. Итак, первичный диагноз носит макроскопический характер и оперирует такими понятиями, как напряжения в конструкции, энергия, запасенная в ней, концентрация напряжений и т. д.

Из древнегреческой легенды мы знаем: когда-то персидский царь Ксеркс, взбешенный тем, что буря разрушила мост через Геллеспонт, приказал высечь море плетьми и заковать его в цепи. Будучи исследователем квалифицированным, современный инженер-механик не потребует наказания для моря, а начнет искать первопричину разрушения. С чего оно началось? Что произошло с атомами? Такие вопросы прежде всего поставит он перед собой. А ответить на них механику помогут другие исследователи – физики.

МЕЧТА И ЯВЬ

Ни с места! Проклятую нить Не разогнешь ни так, ни этак.

Ж. Лафонтен

Мысль человека всегда опережала его возможности. В технике арбитром между фантазией и реальностью, едва ли не всегда, были прочность и материалы. Ими определялся круг всего того, что человек мог сделать сегодня. И это желание прочно стоять на ногах проникло во всех поры человеческого сознания.

«Ножницы» между желаемым и осуществимым, расхождение между тем, что человечество хотело и могло, стали очевидными после удивительной работы выдающегося советкого физика Я. И. Френкеля, вышедшей в 1926 году. Смысл ее таков. Представим себе процесс пластической деформации как соскальзывание одного слоя атомов по другому, подобно тому, как сдвигается стопка листов чистой бумаги или колода карт. Из-за того что процесс этот идет одновременно по всей плоскости листа, мы вынуждены рвать межатомные связи сразу между всеми атомами'по обе стороны плоскости скольжения. Между слоями бумаги силы притяжения ничтожны. Но между слоями атомов они велики. Поэтому попытка сдвинуть два атомных слоя – один по отношению к другому – хотя и возможна, но потребует очень большого усилия. Я. И. Френкель нашел это усилие и пересчитал его на привычные нам напряжения. И тогда оказалось, что прочность в этом случае достигает удивительно больших значений, в 1000 раз превышающих привычные нам, будничные. Эту прочность назвали теоретической прочностью твердого тела и определили ее как потолок, к которому можно и нужно стремиться.

Кто-то сказал, что новая идея – это клин, который входит только толстым концом. Но в случае теоретической прочности все было не так. Мысль Я. И. Френкеля была настолько ясной, а математический аппарат в такой мере простым, чтобы не сказать элементарным, что всему сразу поверили. Научная общественность мира приняла идею «к исполнению» и не ошиблась. Оказалось, в частности, что очень тонкие кристаллы, так называемые усы, толщиной в микроны, обладают прочно-

стями, очень близкими к теоретической. Так, прочность плавленых кремнеземных волокон оказалась равной 4,2 ГПа, усов железа 13 ГПа, а графитовых нитей еще большей 24 ГПа. Сравните эти цифры с прочностью хорошей стали, всего 1-2 ГПа! Кстати, прочность паутины превосходит прочность стальной нити такой же толщины, и при этом паутина еще может растягиваться на 20 %! Неудивительны слова поэта:

И даже тоненькую нить не в состояньи разрубить стальной клинок…

Удивительно другое, почему столетия человечество всего этого не замечало? А ведь оно прекрасно знало о поразительной прочности различных волокон.