Почему мы не проваливаемся сквозь пол - Джеймс Гордон

Гриффитс указал два условия, необходимых для распространения трещины. Во-первых, рост трещины должен быть энергетически выгодным процессом, и, во-вторых, должен работать молекулярный механизм, с помощью которого может осуществиться преобразование энергии. Первое условие требует, чтобы на любой стадии распространения трещины количество запасенной в теле энергии уменьшалось - подобно тому, как уменьшается потенциальная энергия автомобиля, спускающегося с горы. С другой стороны, и при энергетической выгоде автомобиль может спускаться с горы лишь в том случае, если у него есть колеса и их не держат тормоза. Колеса в этом случае служат механизмом, с помощью которого автомобиль скатывается с горы, они обеспечивают преобразование энергии.

Как мы уже говорили, деформированное тело “начинено” энергией, которая предпочла бы высвободиться. Так, поднятый вверх камень имеет потенциальную энергию и стремится упасть. Если материал полностью разрушен, энергия деформации его, естественно, полностью освобождена. Рассмотрим, однако, что происходит на промежуточных этапах процесса разрушения. Когда в деформированном теле появляется трещина, она слегка раскрывается и оба ее края расходятся на некоторое расстояние. Это означает, что материал, непосредственно примыкающий к краям трещины, релаксирует, напряжения и упругие деформации в нем уменьшаются, и упругая энергия освобождается. Давайте проследим за трещиной, начавшейся на поверхности тела и идущей в глубь нагруженного материала (рис. 29). Понятно, что область срелаксировавшего материала будет приблизительно соответствовать двум заштрихованным треугольникам. Общая площадь этих треугольников будет примерно l2 (l - длина трещины). Следовательно, количество освобожденной энергии должно быть пропорционально квадрату длины трещины, или глубины ее проникновения в тело. Расчеты подтверждают эту грубую оценку. Иными словами, трещина глубиной 2 микрона высвобождает в 4 раза больше упругой энергии, чем трещина глубиной в микрон, и т.д.

Рис. 29. Распространение трещины Гриффитса. С распространением трещины материал в заштрихованных областях разгружается, освобождая упругую энергию.

На другой чаше наших энергетических весов расположилась поверхностная энергия 2Gl, которая необходима для образования двух новых поверхностей. Очевидно, эта энергия пропорциональна первой степени длины (или глубины) трещины. Величины поверхностной энергии двухмикронной и одномикронной трещин отличаются лишь в 2 раза, в то время как величины освобожденной энергии деформации - в 4 раза. Последствия такого взвешивания достаточно ясны. Мелкая трещина для своего роста должна больше потреблять поверхностной энергии, чем производить свободной энергии вследствие релаксации напряжений. Эти условия невыгодны для роста трещины. Однако, если исходная трещина достаточно велика, картина изменяется на противоположную: с ростом размеров величина освобожденной энергии увеличивается быстрее, она ведь зависит от квадрата длины трещины. Получается, что, если длина трещины превышает некоторую “критическую длину Гриффитса”, трещина производит больше энергии, чем потребляет. Тогда она может с громадной скоростью рвануться вперед, и процесс этот будет подобен взрыву. Для каждой величины напряжения в данном материале существует своя критическая длина Гриффитса. Для теоретически максимальной величины напряжения (теоретической прочности) критическая длина бесконечно мала, для материала, свободного от напряжений, она бесконечно велика - иного мы и не должны были ожидать. К сожалению, для тех напряжений, с которыми нам приходится обычно иметь дело, критическая длина трещины, как правило, очень мала, порядка нескольких микрон, и, конечно, она уменьшается, когда мы пытаемся увеличить напряжение. В этом заключается одна из трудностей, связанных с получением более прочных материалов.

Итак, при обычных уровнях нагружений все трещины, за исключением самых мелких, имеют энергетический стимул к росту. Весь вопрос теперь в том, могут ли они расти. Иными словами, существует ли соответствующий механизм роста, то есть существует ли способ для реализации имеющейся энергетической выгоды, или преобразования одной формы энергии в другую? Гриффитсов баланс энергии, энергетическая выгода распространения трещины, длина которой превышает некоторую критическую величину, - явления совершенно общие для всех упругих тел. Но вот механизм преобразования энергии как раз и отличает вязкие материалы от хрупких.

Этим механизмом является концентрация напряжений. Как мы видели в главе 3, концентрация напряжений на кончике трещины выражается приближенно формулой

K= 2(l/R)1/2,

где l - длина трещины, идущей с поверхности, или полудлина внутренней эллиптической трещины, R - радиус ее кончика.

В типичном хрупком материале радиус кончика трещины R остается постоянным, он не зависит от длины трещины. Поэтому с ростом трещины концентрация напряжений становится опаснее. На практике R имеет величину, сравнимую с атомными размерами. Пусть R, скажем, 1 ангстрем. Тогда у кончика трещины длиной около микрона (10000 А) напряжение, равное теоретической прочности, появится уже при очень умеренных средних по объему напряжениях. А такого размера трещина обычно соответствует гриффитсовой критической длине. Следовательно, трещина может расти, начиная примерно с этой длины, причем, конечно, момент начала роста сильно зависит от приложенной нагрузки.

Но после того, как трещина двинулась вперед, ситуация обостряется. Концентрация напряжений увеличивается, баланс энергии все более и более склоняется в пользу развития трещины. Если внешняя нагрузка не снимается, рост трещины быстро ускоряется и вскоре достигает максимально возможной величины (обычно она составляет приблизительно 38% от скорости звука). Для стекла это около 6500 км/час (что и наблюдалось в эксперименте). Ну, а в это время волны напряжений гуляют, наверное, в материале во всех направлениях со скоростью звука (то есть быстрее, чем распространяются трещины), отражаясь как от старых, так и от вновь образовавшихся поверхностей, и дело закончится, вероятно, далеко не одной трещиной. Иными словами, материал разбивается вдребезги. Это оказывается возможным благодаря тому, что при больших напряжениях общая упругая энергия материала “заплатит” за образование множества новых поверхностей; в самом деле, при теоретической прочности она могла бы “рассчитаться” за разделение всего материала на слои толщиной в один атомный размер.

Совершенно хрупкие материалы вроде стекла достаточно надежны лишь при очень малых напряжениях. Стекло, например, можно использовать в витрине магазина, потому что в этом случае гриффитсова длина трещины достаточно велика и материал не боится небольших царапин или иных повреждений поверхности. Но если мы хотим работать с высокими уровнями напряжений, где-нибудь около теоретической прочности стекла, мы не имеем права допускать появления на поверхности даже самых мельчайших трещин. Ведь стоит только одной трещине увеличиться до критической длины (а она может быть порядка тысячи ангстрем - одной десятой микрона), как наступит катастрофическое разрушение. Именно поэтому применение однородных хрупких материалов при серьезных нагрузках чересчур опасно.

Нельзя сказать, что отсутствие у некоторых материалов способности сопротивляться распространению трещин казалось всегда недостатком первобытному человеку - он мог делать из кремня и обсидиана различные режущие инструменты. Практически эти минералы представляют собой природные стекла. Если обладать необходимыми навыками, то легкого нажатия рукой на деревянный нож достаточно, чтобы отщепить длинную полоску минерала, которая сама может затем использоваться в качестве ножа. Обработка же нехрупких камней, таких, как нефрит, может быть выполнена только с помощью гораздо более трудоемкого процесса-шлифовки. Чаще всего растягивающие напряжения возникают в инструментах вследствие изгиба, поэтому, придавая каменным инструментам компактные формы, можно не допустить больших напряжений и обеспечить достаточный срок их службы. Конечно, оружие типа каменного меча было бы совершенно непрактичным.

Вязкость неметаллических материалов

История техники - это во многом история борьбы с распространением трещин или история попыток избежать его последствий. Наиболее очевидный способ не дать трещине развиваться в хрупком материале состоит в том, чтобы не использовать такой материал под растягивающей нагрузкой, то есть нагружать его только сжатием. В этом заключается сермяжная правда каменной кладки. Мы видели в главе 1, что, начиная от простейшей стены и кончая аркой, куполом и церковными соборами самых изощренных форм, все держится в состоянии сжатия. Каменная кладка по-своему чрезвычайно эффективна, но по своей природе она всегда тяжела и недвижима. Поэтому появилась целая серия вариаций этой же идеи. Одна из них - предварительно напряженный железобетон, в котором хрупкий компонент держится в состоянии сжатия прочными растянутыми стержнями. Другая - закаленное стекло. Оно однородно в том смысле, что, кроме стекла, ничего в нем нет, но его внешние слои, наиболее подверженные влиянию трещин, находятся в состоянии сжатия за счет растяжения в защищенной сердцевине[29].