Гриффитсовы трещины
По-видимому, Гриффитс думал, что трещины, которые он считал реальносуществующими в стекле, разбросаны во всем его объеме и возникают в процессезатвердевания стекла из-за неспособности его молекул сомкнуться друг сдругом на отдельных участках. Оглядываясь назад, можно только удивлятьсятому, как много времени понадобилось, чтобы отвергнуть это представление.Расчеты Гриффитса показывали, что трещины - каково бы ни было их происхождение- должны быть весьма узкими, возможно, порядка сотых долей длины волныобычного видимого света. Так как увидеть объекты, по размерам намного меньшие,чем длина волны освещающего их света, принципиально невозможно, то рассмотретьтрещины Гриффитса непосредственно через обычный оптический микроскоп, которыйв лучшем случае позволяет видеть предметы размером около полумикрона, небыло никакой надежды. Пришлось ждать появления электронного микроскопа,в котором изображение создается электронами с длиной волны что-нибудь около1/25 А, в то время как видимый свет имеет длину волны около 4000 А.
Но уже в 1937 году, то есть еще до того, как в лабораториях появилисьэлектронные микроскопы, Андраде и Цинь решили поискать трещины в стеклес помощью простого оптического микроскопа, прибегнув к так называемомудекорированию. Этот метод, часто весьма действенный, можно представитьсебе следующим образом. Пусть тонкая проволока, например телеграфный провод,натянута так далеко от вас, что ее совершенно не видно. Но если бы удалоськак-то заманить на нее стаю ласточек, проволока сразу же бросилась бы намв глаза. (По этой самой причине связисты иногда насаживают пробки на телеграфныепровода.) Теперь представьте себе, что появилась новая стая и уселась наспины уже знакомых нам птиц - проволока стала еще заметнее. В принципетаким образом нашу проволоку можно сделать сколь угодно толстой. Теперьостается лишь вспомнить, что некоторые вещества кристаллизуются легче,если на подложке есть какие-то отклонения от регулярности. Выбрав подходящеевещество и заставив его кристаллизоваться на какой-то поверхности, вы частоможете заметить, что новые кристаллы зарождаются почти исключительно натонких нерегулярностях этой поверхности и, следовательно, делают последниевидимыми для наблюдателя.
Андраде осаждал на поверхности стекла пары натрия, которые при конденсациисоздавали на ней сетку линий. Можно было предположить, что это были трещины,но полной уверенности, конечно, не было: в подобном опыте нетрудно былополучить изображение марсианских каналов или любых других химер. Но дажеесли эти узоры и выявляли тончайшие трещины на поверхности стекла (что,кажется, в действительности так и было), то это еще не служило доказательствомотсутствия в стекле внутренних трещин.
В послевоенные годы удалось показать, что исключительно прочны не толькотончайшие, но и довольно толстые волокна, если они тщательно изготовлены.Прочные стекловолокна от прикосновения к ним слабеют, а слабые - упрочняются,если удалить с них поверхностный слой химическим путем. Все это дало основаниясчитать, что волокна ослабляются главным образом дефектами на поверхностистекла.
Приблизительно в 1957 году мы с Маргарет Паррат и Дэвидом Маршем провелиочень много времени за исследованиями поверхности стекла. Усовершенствовавметодику Андраде, Паррат научилась воспроизводить прекраснейшие образцытрещин на поверхности стекол всех сортов. Многие из этих трещин, пожалуй,большая их часть, представляли собой тончайшие волосовины. Плотность распределениятрещин очень хорошо увязывалась с прочностью образцов различных стекол.Вопрос теперь состоял только в том, чтобы выяснить, как же трещины возникалина поверхности стекол. Во многих случаях сомнений насчет природы трещинне оставалось: трещины оказались царапинами, нанесенными стеклу другимисоприкасавшимися с ним твердыми телами. Паррат сфотографировала такие типичныетрещины (рис. 19 и 20).
Рис. 19. Трещинывблизи царапины на поверхности стекла (7000).
Рис. 20. Царапина на предметном стекле микроскопа
Достаточно самого легкого прикосновения к стеклу чтобы создать на егоповерхности совершенно законченные образцовые трещины. Лишь в очень редкихслучаях стекло оберегается от подобных прикосновений с самого момента егоизготовления из расплавленной стекломассы.
Отнюдь не исключено, что это простое объяснение давало исчерпывающий ответ навопрос о происхождении трещин для большей части обычныхстекол. Высокую прочность тонких волокон можно отчастиобъяснить тем, что они очень легко гнутся и их проще изогнуть, чем поцарапать.Однако наблюдается ряд случаев, когда прочность стекла меняется, хотя егоповерхность сохраняется совершенно неповрежденной. Одна из причин этого былаизучена Маршем.
Когда жидкости затвердевают, они чаще всего кристаллизуются. Обычно кристаллыбывают плотнее исходной жидкости (хотя известны исключения из этого правила,например вода). В кристаллах атомы располагаются более упорядоченно и теснеедруг к другу, чем в жидкости. Стекла же в процессе затвердевания бываютстоль вязкими, что их молекулы не успевают рассортироваться так, чтобыобразовать кристаллы. Поэтому стекло - это переохлажденная и застывшаяжидкость, а не кристаллическое твердое тело.
Однако и в стекле существует тенденция к кристаллизации, и некоторыестекла со временем превращаются в кристаллические тела. Это явление называютрасстекловыванием. Поскольку стекла при расстекловывании дают усадку, этотпроцесс часто сопровождается разупрочнением, отчего стекла рассыпаютсяна кусочки. Обычно античные стекла доходили до нас в расстеклованном состоянии,ведь их, как правило, плохо варили. К тому же с тех пор прошло более чемдостаточно времени и они вполне успели закристаллизоваться. Правда, ставнепрочными, они не стали менее прекрасными. Как показал Марш, в некоторыхстеклах, даже самых свежих, расстекловывание происходит с самого начала.Ему удалось сфотографировать на электронном микроскопе крошечные кристалликии показать, что усадка в ходе их образования достаточна, чтобы зародиласьтрещина, бегущая затем по всему куску стекла (рис. 21). Надо подчеркнуть,что стекло в тонких волокнах от обычного стекла ничем особенно не отличается.Если поверхность толстого стекла сделать гладкой и постараться сохранитьее в таком виде, то по прочности это стекло не уступит тонкому волокну.Однако добиться этого на практике обычно очень трудно.
Рис. 21. Рост клиновидного кристалла в стекле.
Если в стеклоподобном аморфном материале трещина, берущая начало оттого или иного местного дефекта, не распространяется, то почему же и какимобразом он все-таки разрушается? В таких случаях материал, подобно пластилину,течет и разрушается от сдвига. Поскольку стекло начинает течь при комнатнойтемпературе лишь под действием очень большого напряжения и к тому же онолегко разрушается от распространения трещины, постольку оно, как и другиеаморфные материалы, практически всегда разрушается хрупким образом. Мык этому привыкли, и нам трудно представить себе, что они могут разрушатьсяиначе. На самом же деле, если растрескивание стекла, которое происходитпри растяжении, предотвратить, например, путем всестороннего его сжатия,то в этом случае стекло можно заставить течь, как текут пластичные материалы.Стекло, когда на него оказывают давление притупленной алмазной иглой (индентором),ведет себя подобно замазке, но ведь касательное напряжение, необходимоедля течения, гораздо выше наблюдаемой прочности. В обычных стеклах онопревышает при комнатной температуре 350 кг/мм.
Совсем недавно Марш показал, что стекло, если в нем почти отсутствуюттрещины, действительно течет. При комнатной температуре напряжение теченияв стекле обычно превосходит 350 кг/мм.Интересно, что температура сравнительно слабо влияет на тенденцию к разрушениюстекла путем распространения трещин, в то время как касательное напряжениетечения сильно зависит от температуры. Когда мы нагреваем стекло, не доводяего до плавления, напряжение течения снижается быстрее, чем напряжениехрупкого разрушения. Именно поэтому нагретое стекло (не обязательно оченьгорячее) довольно легко гнется, формуется и поддается выдуванию. Наоборот,свободное от дефектов стекло становится прочнее при охлаждении, так какпри этом повышается его сопротивление течению. Из-за этого стекло с хорошейповерхностью при температуре -180° С по своей прочности примерно в двараза превосходит то же стекло при комнатной температуре.
Обобщая все сказанное выше, можно заключить, что всегда существуют двамеханизма, ведущих спор за право разрушить материал, - пластическое течениеи хрупкое растрескивание. Материал уступает тому или другому из них. Еслион начинает течь, прежде чем растрескается, то, значит, он пластичен. Еслиже он растрескивается до того, как начал течь, то мы имеем дело с хрупкимматериалом. Потенциальные возможности обоих видов разрушения заложены вовсех материалах.