скорости деформирования интенсивность звучания всех металлов растет.
Практически любой процесс деформации – и растяжение, и усталость, и ползучесть-провоцирует звучание металла, однако это всегда процесс слабый, поэтому для регистрации возникающих волн нужны специальные чувствительные приборы. Большинство материалов «звучит» только при деформировании. Но некоторые «не умолкают» и после прекращения действия нагрузки. С чем же связана эта звуковая активность? Ведь, казалось бы, ничего не происходит, а металл «возмущается».
Отсутствие внешних проявлений сложности процесса деформирования металлов не означает, что он прост. В основе акустического излучения металлов лежит элементарное движение дефектов – дислокаций, двойников и других.
Взрыв высокочастотных колебаний в виде огромного числа импульсов длительностью одна-три миллиардные доли секунды (наносекунды) происходит во всех изученных монокристаллах на самых ранних стадиях пластической деформации. Связана эта волновая эмиссия со скольжением дислокаций, происходящим с до-
вольно высокой скоростью – 20 м/с. Чувствительность наших приборов такова, что можно уловить излучение отдельной дислокации или малого их числа. Но для этого нужно, чтобы длина участка дислокации была не меньше 8 мкм.
Существует несколько вариантов испускания дислокацией акустических сигналов. Линия дислокации, распространяющаяся в кристалле, может застревать в нем, зацепившись за какие-нибудь барьеры, но по мере роста нагружении дислокация отрывается от них. Тогда примерно 1 млн. сегментов, закрепленных между «гвоздями в кристаллической решетке», отрывается одновременно и создает акустический сигнал длительностью в 10- 30 мкс. Харьковчанин В. Д. Нацик показал, что звук может издавать и дислокация, прорывающаяся через разнообразные границы в кристалле. Дело в том, что, переходя через барьер, дислокация вынуждена перестраивать свое упругое поле. В результате части этого поля как бы отрываются от дислокации и распространяются в кристалле в виде звукового сигнала. Оказалось, что «изрядно шумит» и дислокация, выходящая на поверхность кристалла. Здесь две причины. Во-первых, при этом дислокация исчезает и энергия ее упругого поля, оставаясь «бесхозной», преобразуется в звук. А во-вторых, выход дислокации на поверхность и высвобождение энергии, вызванное ее гибелью, возбуждает колебания атомов на самой поверхности.
Способны создавать шумы и двойниковые прослойки. Особенно когда они перемещаются вблизи поверхности кристалла. Не являются исключением здесь и другие дефекты кристаллической решетки. Если подытожить сказанное, то процесс пластической деформации, прежде всего деформации на ранних, неустановившихся стадиях, является источником акустического «эха» процесса тем более богатого и разнообразного, чем выше скорость деформирования и больше число механизмов, сопровождающих это явление. Таким образом, каждый акт пластической деформации имеет свое звучание, свои «имя и фамилию», выраженные в числе акустических сигналов и их частоте. В конечном итоге это определяется тем, как тот или иной дефект меняет упругое поле кристалла и насколько быстро. Диапазон частот «звучания» зависит от всего этого и может достигать ультразвуковых областей с частотами в несколько миллионов герц-
Если считать, что дефекты подобны певцам, то самая «талантливая» из них трещина: голос ее, пожалуй, наиболее богат. Дело в том, что голос определяется прежде всего двумя параметрами – диапазоном и тембром. У певцов, например, диапазон голоса колеблется в пределах примерно от 80 до 350 Гц (бас) и от 250 до 1300 Гц (колоратурное сопрано). Что касается тембра, то это результат сложения основных частот голоса (тона) с дополнительными большей частоты колебаниями (обертонами), которые и придают голосу индивидуальную окраску. Недаром В. Солоухин писал: «Сто тысяч звуков, миллион оттенков».
Звуки, лишенные тембра, орнамента, оранжировки, неприятны человеку и не воспринимаются им как музыка. Видимо, всегда мы тяготеем к звуковой гармонии, отражающей все фантастическое разнообразие окружающего мира, его беспредельность – и в пространстве, и во времени, и в нас самих, и в … частоте.
Среди объектов неживой природы, способных испускать звуковые сигналы, трещина обладает едва ли не самым высоким «голосом». Это связано с тем, что разрушение – процесс, в котором одновременно происходят и упругая, и пластическая деформации; сложное их сочетание сопутствует всем этапам развития явления при зарождении трещины, продвижении и после завершения разрыва. Естественно, что все стадии сопровождаются сложным взаимодействием волновых процессов.
Я думаю, что если бы частоты звуков были пониже, то «пение» трещины можно было бы слушать как подлинную мелодию. Вряд ли это были бы ритмы полонеза М. Огинского, вероятнее всего, нечто современное, в духе поп-музыки. Но все же…
Однако вернемся на землю. Услышать это невозможно, поскольку основной тон звучания трещины лежит в ультразвуковой области. Название этого раздела, таким образом, неточно – трещина «тянет свой мотив» в диапазоне гораздо более высоком, чем колоратурное сопрано.
Поговорим о некоторых типах упругих волн, связанных с разрушением. Прежде всего в большинстве случаев появление трещины предваряется пластической деформацией, а она, как известно, излучает высокочастотные колебания с очень низкой интенсивностью. Эта же составляющая сопровождает и весь последующий рост
трещины, если по берегам ее идет пусть даже совершенно слабое пластическое течение. Но вот появилась первая трещина. Подобно новорожденному, она «заходится» в крике. Поэтому и интенсивность, и частота, и тембр звучания металла моментально изменились:
…И мы должны понять, что это есть значок Который посылает нам природа, Вступившая в другое время года…
(Н. Заболоцкий)
Отличие настолько разительно, что акустика в этом случае превращается в первоклассный инструмент определения самых ранних стадий появления трещин. Дело, правда, пока не дошло до определения момента возникновения зародышевой микротрещины в две – пять стомиллионные доли сантиметра, то есть двух межатомных расстояний, но это вопрос техники. Надо думать, что в ближайшие годы мы вполне сможем его разрешить.
Следующий период докритического подрастания трещины в акустическом отношении процесс довольно вялый – шепот да и только. Он «оживляется» лишь вспышками звучания в моменты возникновения новых трещин и объединения их. Постепенно подрастая, трещина «рас-
ходится» и с переходом через гриффитсовский размер начинает говорить, да что там – «орать» в полный голос. Она умудряется «вещать» и «пищать» не только в звуковом диапазоне от 3 до 25 кГц, но и захватывает область ультразвука. И хотя основная энергия при этом приходится на волны частотой от 200 до 500 кГц, но полный спектр простирается за частоту 1 МГц. Нет никакого сомнения, что по мере совершенствования методов измерения выяснится: ультразвук – не предел. Видимо, возможности трещины куда больше и достигают они так называемого гиперзвукового диапазона. А это не что иное, как тепловые колебания кристаллической решетки н частоты их от 109 до 1012-1013 Гц. И серьезные указания на этот счет имеются уже сейчас. Еще до'войны группа немецких акустиков обнаружила на поверхности разрушенных кристаллов круговые борозды. Оказалось, что они возникают из-за распространения по берегам трещины волн Вальнера (названных по имени открывшего их физика). Фронт трещины при взаимодействии с этими волнами отклоняется и образует борозды и ступеньки. А частоты этих волн составляют 1010-10' Гц. Вот вам и колоратурное сопрано!
Разнообразию исполнительских жанров трещины можно только позавидовать. Если певец «пользуется» только продольными акустическими волнами (воздух-то другие не пропускает!), то трещина, «выступающая» в твердой среде, «поет» и на продольных, и на поперечных. Мало того, она умудряется солировать и на так называемых поверхностных волнах. Правда, соло это очень своеобразное – волны бегут только по поверхности самой трещины. Если она внутренняя, то есть замкнутая, то они «перекатываются» от одной вершины трещины к другой. Так сказать, концерт для собственного удовольствия. Если трещина открыта, то волны эти выбегают на поверхность металла1. Впервые их наблюдал автор книги, а также И. С. Гузь. Оказалось, частоты волн лежат в пределах до 200 кГц, а максимальная интенсивность соответствует 50-60 кГц.
