Торможение трещины, или как обеспечить вязкость

Плиний старший (23-79 гг. н.э.) в своей весьма путаной “Естественнойистории” указывает способ, с помощью которого можно отличить неподдельныйалмаз. Он советует положить предполагаемый алмаз на наковальню и ударитьего тяжелым молотом как можно сильнее. Если камень не выдержит, он не настоящийалмаз. Надо думать, так было уничтожено немало драгоценных камней - ведьПлиний путает здесь твердость и вязкость. Алмаз - самый твердый из всехвеществ, и его твердость очень полезна в тех случаях, когда необходиморезать, царапать или шлифовать; в этом состоит его главное применение втехнике. Но алмаз, как и другие твердые драгоценные камни, довольно хрупок;и если бы даже его добывали большими кусками и в больших количествах, широкораспространенным конструкционным материалом он бы не был.

Самый тяжкий грех конструкционного материала - не недостаток прочностиили жесткости, которые, конечно, совершенно необходимы, а недостаток вязкости,иными словами - недостаточное сопротивление распространению трещин. Можнопримириться с недостатком прочности или жесткости и учесть их в процессеконструирования, но бороться с трещинами, которые оказываются очень опасными,застигая инженера врасплох, намного труднее.

Большинство металлов и пород дерева, резина, стеклопластики, кости,зубы, одежда, канаты, нефрит - вязки. Большинство минералов, стекла, посуднаякерамика, канифоль, бакелит, бетон, печенье - хрупки. Хрупким можно назватьи обычное желе, это легко проверить за столом, наблюдая, как распространяютсяв нем трещины от ложки или вилки. Вещества, которые мы перечислили в каждомиз списков, имеют довольно мало общего, вот почему не так просто выявитьто, что делает одни вещи вязкими, а другие - хрупкими. В то же время различиемежду хрупкостью и вязкостью очень осязаемо. Обожженная глина и кусок жестиимеют примерно одинаковую прочность на разрыв. Но если вы уроните на полглиняный горшок, он разлетится вдребезги, а с упавшей консервной банкойничего не случится - в худшем случае на ней появится небольшая вмятина.Прочность на разрыв обычных стекол и керамик может быть довольно большой,но никому не придет в голову делать из них, например, автомобиль. Причинаясна - очень уж они хрупки. Здравый смысл подсказывает это каждому из нас.Но почему? Что же такое хрупкость на самом деле?

Прежде всего, скорость нагружения - далеко не главное, что определяетхрупкость. Психологически существует большая разница между статическойнагрузкой, которая прикладывается медленно, и динамической мгновенно приложеннойударной нагрузкой. Разница существует и на самом деле, и ею нельзя пренебречь,но она далеко не так важна, как это может показаться с первого взгляда.Мы стучим молотком не потому, что нам нужны удары сами по себе, а потому,что удар тяжелого молотка - очень удобный и дешевый путь получения большойлокальной силы. Если бы мы приложили такую же по величине силу медленно,то, как правило, получили бы примерно тот же конечный результат. Это справедливои в тех случаях, когда мы рассматриваем падение предметов на пол, автомобильныеаварии, крушения самолетов, хотя в дальнейшем в этих явлениях мы увидимнекоторые важные особенности. Однако независимо от того, медленно или быстроприкладывается сила к хрупкому телу, стоит только начаться разрушению -трещины будут распространяться в нем очень и очень быстро - обычно со скоростьюнесколько тысяч километров в час. Именно поэтому разрушение кажется наммгновенным.

Мы уже говорили, что в каком-то смысле нет существенной разницы междумеханически нагруженным материалом и взрывчаткой. Энергия деформации упругоготела накапливается в натянутых химических связях, а при разрушении телаэта энергия освобождается. Если достигнута теоретическая величина деформацииразрыва, все связи оказываются максимально натянутыми, и мы должны считать,что энергия деформации примерно равна энергии химических связей в материале.На практике, однако, материалы обычно разрушаются, не достигнув и малойтолики теоретической прочности, так что освобожденная энергия при этомнамного меньше, чем энергия, даваемая эквивалентным количеством взрывчатки.И все-таки разрушение может сопровождаться вполне ощутимым хлопком. Наблюдениеза тем, как разрываются особо прочные волокна или усы (например, в машинеМарша), убедительно показывает, что их прочность составляет значительнуюдолю теоретической. В этом случае после разрыва не найдешь, как обычно,кусков образца: после взрывообразного разрушения волокно исчезает, оставляялишь мелкую пыль. Такие испытания не опасны лишь потому, что прочные волокна,как правило, очень малы.