Схематически все это показано на рис. 33, а микроснимок действительнойкартины трещин в армированном материале - на рис. 34. Конечно, если сцеплениена поверхности раздела слишком слабое, то материал в целом будет слабым,непрочным; если сцепления не будет вообще, то придется изобретать какое-нибудьверевочное или плетеное приспособление, чтобы хоть за счет трения удержатькуски вместе. Конечный результат сильно зависит от правильного выбора силсцепления на поверхностях раздела, и, коль скоро это сделано, может бытьполучена блестящая комбинация прочности и вязкости.
Рис. 33. Механизм торможения трещины по Куку-Гордону. а - трещинаприближается к слабой поверхности; б - поверхность перед трещинойразрушается; в - Т-образный тормоз для трещины. На практике трещина обычноотклоняется, как показано на рис. 34.
Итак, условие эффективного торможения трещин состоит в пятикратном ослабленииматериала. Поначалу такая операция не кажется многообещающей. Еще не взявшисьза дело, мы должны уже кое-чем поступиться. Однако если наблюдать за процессомторможения трещин, метод создания слабых поверхностей раздела выглядитвполне эффективным: истинное разрушающее напряжение у кончика трещины должнобыть равным теоретической прочности материала, то есть должно лежать, какправило, между E/10 и E/5 (E- модуль Юнга, см. главу2). Уменьшая эту величину в 5 раз, мы все еще сохраняем прочность E/50- E/25, достигнутую, кстати говоря, на практике в стеклопластикахи намного превышающую ту, что можно получить для металлов, сохраняя безопасныйуровень вязкости (глава 8). К тому же прочность, значительно превышающая E/100,может и не составить особого интереса для практики.
Рис. 34. Влияние внутреннихповерхностей на торможение трещин. Слева - материал, содержащиймножество внутренних поверхностей; справа - однородный материал.
Хрупкость большинства природных минералов связана с их большей или меньшейоднородностью. Но, оказывается, некоторые минералы имеют слоистое строение,причем связь между слоями приблизительно нужной прочности. Самые распространенныеминералы такого рода - асбест и слюда, именно поэтому они имеют столь удивительныеи полезные свойства. Очень показательны в этом смысле знаменитые опытысо слюдой профессора Орована. Слюда представляет собой минерал с ионнымисвязями, в котором условия баланса электрических зарядов в молекуле требуютсуществования слоев металлических атомов, вынужденных делить заряд одногоэлектрона с несколькими соседями. Эти слои в кристалле являются слабымиповерхностями. Один из часто используемых типов слюды называется мусковитом(muscovite - московский, этот сорт слюды впервые был найден в России).Прочность межслоевой связи в этой слюде составляет в среднем примерно 1/6от прочности в остальном объеме кристалла.
Рис. 35. Эксперименты Орована со слюдой. а - образец с ненагруженнымикромками, прочность его 320 кГ/мм; б - нагрузка на кромках равна среднемунапряжению в образце, прочность его 17,5 кГ/мм.
Орован измерял прочность мусковита при растяжении. Для первого опытаон вырезал из пластинки слюды образец обычной формы, напоминающий очертаниямиконтур песочных часов (рис. 35, б). Образец был плоским и достаточно тонким,а плоскости спайности - параллельными широкой грани образца. Такой образецкак бы состоял из некоторого числа листов, слабо склеенных между собой.Кромки его имели грубые следы механической резки. Когда образец нагружалсяв испытательной машине, эти кромки нагружались в той же степени, что исередина, так что трещины начинались на кромках и распространялись в глубинуобразца обычным путем. Прочность, полученная на этих образцах, была около17 кг/мм, то есть примерно равнялась прочностиобычного стекла.
Затем Орован испытал ту же слюду, но на образцах другой формы. Из слюдывырезались прямоугольные пластинки, которые были несколько шире, чем захватыдля крепления образцов в машине. Предполагалось, что образец будет нагружентак, как показано на рис. 35, а, то есть кромки его останутся ненагруженными.Наружные плоскости образца, лежащие на пути передачи нагрузки между захватами,должны быть, конечно, полностью нагруженными, а на них - царапины и другиеконцентраторы напряжений. Но трещины, появившиеся на этих концентраторах,едва начав расти, упираются на своем пути в относительно слабые плоскостиспайности.
Прочность этих образцов оказалась равной приблизительно 320 кГ/мм,то есть была почти в 20 раз выше, чем прочность образцов, в которых трещинамне нужно было пересекать слабые плоскости. Это составляет 1,5% от модуляЮнга - цифра весьма внушительная. Но вот другой сорт слюды - Маргарит -имеет вдвое больше электронов связи через плоскость спайности, а потомухрупок и обладает ничтожной прочностью.
Подобные эксперименты показывают, что для материалов такого типа трудноотделить реальную прочность от хрупкости, поэтому введение слабых внутреннихповерхностей можно рассматривать как увеличение общей прочности тела.
Слюда и асбест не использовались людьми каменного века для изготовленияинструментов и оружия - плоскости спайности тянутся в них через весь кусокминерала, от одной грани к другой. Другой известный с древних времен минерал,нефрит, представляет собой мешанину малых плотно упакованных игольчатыхкристаллов со слабым сцеплением на границах; его можно считать неорганическимэквивалентом вересковой трубки или бамбукового корня. Нефрит поэтому оченьвязок и мог бы быть почти идеальным материалом для инструментов и оружия,обрабатывайся он полегче да встречайся в природе почаще.
Поскольку нефрит нельзя расколоть так же легко, как кремень или обсидиан,ему придавали нужную форму путем очень длительной - недели и месяцы - шлифовкис песком на куске дерева. Поэтому очень прочный нефрит оставался материаломдля дорогих поделок. Из-за дороговизны, великолепия и редкости материаласамого по себе эти предметы сохранились в качестве символов престижа, когдана сцену выступили металлы.
Нефрит встречается редко, потому что он может кристаллизоваться лишь приопределенных геологических условиях (температуре и давлении). Эти благоприятныеусловия иногда встречались в складках земной коры. Такие области есть наДальнем Востоке, в Новой Зеландии, в Центральной Америке. Новозеландское племямаори делало нефритовые топоры почти на памяти живущего поколения. ГенрихГарер рассказывает, что в центральной Новой Гвинее топоры до сих порделаются из камня, похожего на нефрит; шлифовка и полировка их требуетнескольких месяцев. Любопытная проблема возникла в связи с тем, что недавно вАнглии было найдено несколько нефритовых топоров. Если это не шутка типаПилтдауновской, то либо где-то в Европе былираньше месторождения нефрита, либо топоры должны были проделать невообразимыйпуть с Дальнего Востока. Однако, как заметил Геродот по поводу находкискифских поделок в Делосе, они могли "рассеяться".
Примеры эффективного торможения трещин в минералах случайны. Когда же имеешьдело с биологическими материалами, поражаешься огромной заботе, которуюприрода проявляла о разного рода поверхностях раздела. Конструкция зубов- прекрасное тому подтверждение. Зубы состоят из твердого вязкого поверхностногослоя, называемого эмалью, и сердцевины из дентина. И эмаль, и дентин содержатнеорганические кристаллы удлиненной формы, распределенные в органическойматрице. Главное отличие между ними состоит в процентном содержании органическогои неорганического компонентов.
Твердый компонент эмали и дентина - вытянутые кристаллы вещества, котороеноминально представляет собой гидроксилапатит Ca10(PO4)6(OH)2.Фактически же химический состав этих кристаллов изменяется в широких пределах,отражая условия, в которых они формировались. Обычно здесь присутствуютуглеапатит, фтороапатит, фтористый кальцин, карбонат кальция и т.д. Кристаллыэти небольшие, их размер в эмали около 3000- 5000 А в длину и 500-1200 А втолщину. В эмали они очень плотно упакованы, их содержание здесь составляет 99%всего объема материала. Между отдельными кристалликами находится тонкий слойочень сложного органического соединения, состоящего главным образом изпротеина. Раньше считали, что это соединение подобно кератину, одному из типовпротеина, содержащемуся в волосах, однако сейчас полагают, что в зубной эмалисодержится свой специальный сорт протеина. Между прочим, он заметно изменяетсвой состав при переходе владельца из младенческого возраста к зрелому.
Дентин отличается от эмали прежде всего тем, что неорганическая составляющаязанимает лишь около 70% его объема. Кроме того, кристаллы апатита намногоменьше и имеют 200-300 А в длину и 40-70 А в ширину. Средой, в которуюэти кристаллы заделываются, является органическая матрица, состоящая восновном из коллагена.