Чтение онлайн

Есть другая возможность избежать огромного числа дислокаций внутри их скопления. Она заключается в том, чтобы преодолеть взаимное отталкивание, «неприязнь» дислокаций при ограниченном их числе. Для этого надо перейти от медленного нагружения к динамическому. Нужно разогнать дислокации и сближать их на большой скорости. Тогда, обладая запасом кинетической энергии, дислокации «разменяют» ее на потенциальную энергию и прорвутся сквозь упругие барьеры, ограждающие другие дислокации. В результате при значительно меньшем числе дислокаций в скоплении можно ожидать их слияния с образованием микротрещины. Расчеты показывают, что скорости дислокаций при этом должны быть почти звуковыми (в стали, например, 3-5 км/с).

До сих пор предполагалось, что взаимодействуют дислокации одного знака, то есть их экстраплоскости нахо-

дятся по одну сторону от плоскости скольжения. Могут «конфликтовать» и дислокации разных знаков. Ситуация по-своему здесь очень благоприятствует объединению дислокаций. Дело в том, что упругие поля разноименных дислокаций тяготеют друг к другу.

Вот по параллельным и близкорасположенным плоскостям навстречу друг другу застопорились два дислокационных скопления с противоположными знаками. По существу роль каждого из них теперь двояка. Во-первых, для противоположного скопления это барьер. Во-вторых, это «нажимающий» клин, спрессовывающий две свои головные дислокации. В итоге ситуация оказывается более благоприятной для слияния дислокаций и проходит оно при относительно небольших скоплениях. Да и трещина растет быстрее – ведь у нее теперь двое «кормящих родителей».

Пусть читатель обратит внимание, в какой неразрывной связи выступают здесь дислокации и зародышевые микротрещины. На стадии, когда последняя представляет собой лишь две соединившиеся дислокации, трещина от них практически неотделима. Пластичность и разрушение как бы сливаются в единый неразрывный процесс как явление природы.

Словами Б. Ахмадуллиной:

Не остается в стороне при этом и тепловое движение, сотрясающее кристаллическую решетку и приводящее к постоянным колебаниям атомов в узлах решетки. Вибрирует и линия дислокации – на ней возникают и исчезают микроскопические волны. В каждый момент времени такая волна представляет собой перегиб линии дислокации в плоскости скольжения. Это означает, что на небольшом участке, кроме основной экстраплоскости, возникает маленький участок другой, параллельной первой. На нем дислокация как бы продвинулась вперед. Процесс этот, как говорят физики, носит статический, то есть случайный, характер. Самонадеянно и неверно было бы заявить, что вот на этой именно дислокации, да еще в этом ее месте возникнет перегиб. Зато всегда можно предсказать вероятность того, что в некотором объеме на достаточно надежном числе дислокаций такой процесс происходит. Пожалуй, это похоже на то, что вы не в состоянии предсказать, встретите ли через минуту на ближайшем перекрестке мужчину ростом 1 м 80 см. Вместе с тем статистика сообщает, как в каждой стране мужчины распределяются по своему росту. Еще недавно, например, у нас из каждых 10 000 мужчин в возрасте от 25 до 35 лет один-двое имели рост 190 см, трое-четверо- 187 см, восемь-десять 185 см, триста-182 см. А средний рост большинства составлял 168 см. Поэтому, если поставить вопрос так: «Какова вероятность того, что на ближайшем углу достаточно многолюдной улицы нам встретится мужчина ростом 180 см, то можно и «угадать».

Примерно также обстоит дело и с перегибами на дислокациях.

А между тем ленинградские физики А. Н. Орлов и В. И. Владимиров показали, что подобные, на первый взгляд ненадежные, соображения ведут к вполне надежным результатам. Оказалось, что когда на двух сблизившихся под давлением дислокациях возникают перегибы термического происхождения, облегчается слияние дис-

локаций и возникновение зародышевой микротрещины. И если ранее для образования такой трещины теория требовала совершенно фантастического количества дислокационных скоплений 200-500 штук, то термическое возбуждение кристаллической решетки и линий дислокаций уменьшает эту цифру в пять раз. А скопления 40-100 дислокаций – реальность.

Колонна дислокаций, или дислокационное скопление – одно из основных «боевых» построений дислокаций. В таком строю силы их как бы умножаются потому что к внешнему давлению- напряжениям – прибавляются еще собственные упругие поля дислокаций. Такая система обладает высокой «пробивной» способностью. Но представим себе следующую картину. Уперлось скопление в некий барьер, да настолько прочный, что пробить его невозможно. Внешние напряжения нарастают, а десятки дислокаций умножают его. В вершине этого дислокационного «зубила» обстановка становится критической… Но вот напряжения достигают предела прочности. Мы знаем, что в этом случае материал должен разрушиться. И действительно, под углом в 70° по отношению к скоплению «вспыхивает» трещина. Процесс этот облегчается, если барьер атакуется не одним, а несколькими скоплениями одновременно. Оказалось, что для достижения напряжений, равных теоретической прочности, таким же инструментом, как краевые дислокации, являются дислокации винтовые. Только в этом случае трещина возникает прямо в плоскости скольжения дислокаций, то есть в плоскости самого скопления.

Удовлетворила бы физиков нарисованная картина? Нет. И вот почему. Механизм «накачивания» напряжений в вершине скопления безусловен и созревание окрестностей материала в районе барьера к разрушению сомнения не вызывает. Но совершенно непонятно, как же все-таки возникает первичный, изначальный разрыв связей в кристаллической решетке размером ну хотя бы в два межатомных расстояния? Описанному механизму уже 25 лет, но до сих пор он не помогает ответить на поставленный вопрос. Поэтому его зародышевая трещина носит, я бы сказал, странный, не вполне естественный характер, условия для ее появления есть, а «спускового механизма» нет.

(Б. Ахмадулина)

В этом смысле неопределенным является еще один механизм образования микротрещины. Он предложен бнзиками: советским – В. Н. Рожа-нским, и американским – дж. Гилманом и заключается в следующем. В полосе скольжения скопились дислокации, запертые каким-то барьером. По мере накачивания дислокаций в эту полосу внешним источником плоскость скольжения изгибается под действием множества экстраплоскостей дислокаций, расположенных над ней. При этом происходит явление, подобное осыпанию лака с модельной обуви. При нанесении на кожу лак сцепляется с ней. В процессе работы кожа постоянно изгибается. Но механические свойства ее и лака различны. Поэтому различны и напряжения в коже и слое лака. При некачественном наклеивании рано или поздно лак начнет отслаиваться от кожи и осыпаться. Условия «вскрытия» материала по плоскости скольжения здесь вполне понятны. Но как это получилось, с чего это началось – не ясно!

Один из возможных ответов на этот вопрос предложили сотрудники Института кристаллографии АН СССР В. Л. Инденбом и М. X. Блехерман. Они обратили внимание на то, что самое слабое место в скоплении дислокаций… сама дислокация. Оказалось, что сердцевина дислокаций – ее ядро – в определенных условиях может раскалываться. Вообще нужно заметить, что природа явлений в ядре краевых дислокаций сложна и недостаточно изучена. Окрестности края экстраплоскости принесут в будущем еще много неожиданностей. Одну из них и заметили В. Л. Инденбом и М. X. Блехерман. Сердцевина дислокации – материал с нарушенной сплошностью. По некоторым соображениям следует считать, что вдоль кромки экстраплоскости идет пустой канал.

Напряжения в ядре дислокации чрезвычайно велики и вычислить их прямым расчетом сегодня еще невозможно. Стало быть, собственно механические свойства у ядра дислокации почти наверняка хуже, чем у матрицы ненарушенного кристалла. Имеется при этом в виду сопротивление материала на разрыв и сдвиг. И, как это ни странно, разрушение может стартовать прямо из ядра, служащего в данном случае исходным зародышем

микротрещины. Вопрос лишь в том, как начнет расти микротрещина. Было установлено, что в пластичных кристаллах она распространяется по плоскости скольжения. В хрупких же кристаллах сближение дислокаций ведет к перестройке их ядер и вскрытию трещины прямо вдоль эстраплоскости. А что при этом происходит с дислокацией? Она самоуничтожается, совершая своеобаз-ное харакири!

В нашем научном багаже три механизма зарождения трещин с вариантами. Исчерпаны ли этим возможные случаи? Нет, конечно, их довольно много. До сих пор дислокации, образующие трещину, двигались по одной и той же плоскости скольжения. Между тем в кристаллах они способны перемещаться по различным плоскостям. Чего же можно ожидать от таких дислокаций, когда они сходятся вместе? Теория говорит, что они решительно взаимодействуют друг с другом. Настолько решительно, что, исчезая, сами дают жизнь новой «молодой» дислокации, расположенной в плоскости спайности, то есть как раз в той плоскости, в которой легче всего протекает разрушение. Поскольку обычно скольжение развивается по множеству плоскостей, на плоскости спайности создается много дислокационных «отпрысков», сливающихся вместе и образующих трещину. Этот механизм, предложенный английским физиком А. Коттрелом, напоминает двух лыжников, скатывающихся с горки и сталкивающихся внизу. Представьте: их лыжи наехали одна на другую, перекрестились и перепутались. В таком положении лыжники – дислокации – дальше скользить не могут. Особенность заключается в том, что до своего объединения две скользящие дислокации являются инструментами пластической деформации. А вот родившаяся дислокация -- уже инструмент разрушения. Что-то вроде ситуации, когда два человека, столкнувшись в дверях троллейбуса, зацепились друг за друга: пуговица пальто одного из них попала в ячейку «авоськи» другого. Естественный итог такого столкновения – оторванная пуговица или разорванное пальто… В большинстве случаев это – гордиев узел: разорвать его можно, только разрубив. Но… Коттрелл доказал, что иной раз «склеившиеся» дислокации, казалось бы, полностью потерявшие «свое лицо» и даже исчезнувшие, можно разделить. В нашей «троллейбусной» ситуации это означало бы следующее: неторопливо ос-