Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
5
Добавлен:
12.02.2015
Размер:
93.82 Кб
Скачать

Серафим Николаевич Журков

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 5

Серафим Николаевич Журков

(29.05.190518.09.1997)

С. Н. Журков принадлежит к той категории ученых, которые всю свою научную деятельность посвящают одной крупной проблеме. Такой проблемой для Журкова явилась физическая природа механических свойств твердых тел, и прежде всего их прочности. При разработке этого направления Журков добился новых радикальных результатов, определивших возможности дальнейшего успешного развития науки о прочности.

С. Н. Журков начал научную деятельность в Физико-техническом институте АН СССР в Ленинграде в 1930 г. после окончания физико-математического факультета Воронежского государственного университета. К этому времени были вычислены теоретические значения прочности твердых тел на основе данных о силах межатомного сцепления в условиях идеальной бездефектной структуры (М. Борн, Ф. Цвикки˙ и др.). Стал очевиден резкий (до стократного и более) разрыв между заложенными природой в твердые тела возможностями и низкими значениями прочности реальных тел. Необходимо было установить причины такого сильного расхождения и определить пути приближения реальной прочности к теоретической. Классические работы А. Ф. Иоффе на каменной соли (1924 г.) показали, что удаление дефектов с поверхности образцов во много раз повышает их прочность. С. Н. Журков совместно с А. П. Александровым продолжил эти работы на стеклянных и кварцевых нитях. Протравливание нитей в плавиковой кислоте, приводящее к удалению поверхностных трещин, позволило достичь рекордных значений разрывной прочности: до 6 GPa для стекла и до 13 GPa для кварца. Эти значения были сравнимы с теоретической прочностью исследованных материалов. Данные результаты подытожены в монографии С. Н. Журкова и А. П. Александрова „Явление хрупкого разрыва“ (1933 г.), получившей широкое признание.

Таким образом, уже в первой крупной работе Журков решил фундаментальный вопрос — доказал возможность достижения теоретической прочности. Этот чрезвычайно важный результат послужил и до сих пор служит стимулом для развития исследований, направленных на поиск путей повышения технической прочности материалов.

В середине 30-х годов началось интенсивное развитие производства синтетических полимеров, механические свойства которых представляют большой научный и практический интерес. Необычные для твердых тел огромные обратимые деформации, сильная температурная зависимость упругих свойств, способность к упрочняющему ориентированию, постепенный переход от твердого к жидкоподобному состоянию — все это определило необходимость глубоких систематических исследований. Группа выдающихся ученых ФТИ — П. П. Кобеко, А. П. Александров, Е. В. Кувшинский, С. Е. Бреслер, Ю. С. Лазуркин и др. — обратилась к изучению этих интереснейших объектов. В эту группу вошел и С. Н. Журков. Пионерский вклад работ сотрудников ФТИ в физику полимеров широко известен.

С. Н. Журков приступил к изучению важной для физики полимеров проблемы — роли межмолекулярных взаимодействий в определении механических свойств полимеров. Изучая влияние пластификации (введения в полимеры низкомолекулярных соединений) на твердость полимеров и температуру их размягчения, он приходит

1

771

772

К 100-летию со дня рождения

êобъяснению закономерностей отвердевания полимеров влиянием образования локальных „мостиков“-связей между боковыми группами цепных полимерных молекул. Отечественная война прервала эти исследования.

Находясь в эвакуации в Казани, Журков успешно применяет уже обнаруженные им закономерности действия пластификаторов для решения важной оборонной задачи — повышения морозоустойчивости смазочных масел. В 1942 г. Журков организовал и возглавил Лабораторию физико-механических свойств полимеров (впоследствии лаборатория, а затем отдел физики прочности ФТИ). Вернувшись из эвакуации, Журков проводит завершающие исследования по отвердеванию и расстекловыванию полимеров и в 1948 г. защищает докторскую диссертацию на тему „Исследование механизма перехода полимеров из твердого в каучукоподобное состояние“. В этой работе Журков установил правило эквивалентности — одинаковые смещения интервала размягчения и снижения времени релаксации при добавлении

êполимеру эквимолекулярных количеств различных низкомолекулярных веществ. Это правило кроме теоретического имеет и большое практическое значение, так как позволяет рационально выбирать пластификатор и предсказывать его действие.

Но Журков не удовлетворялся результатами только феноменологических исследований. Стремясь к прямому подтверждению своего вывода о роли межмолекулярных связей в отвердевании полимеров, он уже после защиты диссертации проводит тонкие и изящные исследования по измерению температурной зависимости теплоемкости, и особенно по температурному изменению спектров инфракрасного поглощения в полимерах. Это позволило ему прямо зарегистрировать и определить концентрацию межмолекулярных „мостиков“.

Таким образом, и второй большой период научной деятельности С. Н. Журкова, посвященный фундаментальному вопросу физики полимеров — молекулярному механизму их отвердевания, увенчался прекрасными результатами и общепризнанной теорией.

Ñконца 40-х годов начинается самый важный период в работе Журкова — период изучения атомно-молекулярного механизма разрушения твердых тел. В то время считалось само собой разумеющимся, что внешняя растягивающая нагрузка распределяется по межатомным связям в теле и при ее достаточной величине разъединяет атомы, что и ведет к разрушению тела. Отсюда и возникло понятие предела прочности — критического внешнего напряжения, превышение которого вызывало резкую потерю целостности тела.

Журков усомнился в существовании предела прочности как реальной физической характеристики. К такому сомнению его привели данные о том, что тела могут разрушаться и при меньших, чем предел прочности, нагрузках, но только не сразу, а через некоторое время. До Журкова такие данные были немногочисленными и разрозненными. Подобным наблюдениям не придавалось серьезного значения. Считалось, что имеет место побочное влияние различных факторов (типа коррозии,

„старения“, „усталости“ и т. п.), снижающих со временем предел прочности. Журков же увидел здесь возможность проявления общей физической особенности разрушения.

Важную и даже решающую роль сыграл новый подход к анализу связи разрывной прочности и времени действия нагрузки. До Журкова рассматривали главным образом зависимость предела прочности от времени действия нагрузки. При таком рассмотрении (время — аргумент, разрывная нагрузка — функция) физического объяснения закономерностей разрушения не было найдено. Журков утвердил „инверсию“: рассмотрение времени до разрушения тела в зависимости от приложенной

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 5

Серафим Николаевич Журков

773

нагрузки, которая и становилась разрывной. Именно такая зависимость (нагрузка — аргумент, время ожидания разрыва тела — функция) открыла путь для выяснения физики разрушения на основе понимания разрушения как кинетического явления.

В своей лаборатории С. Н. Журков провел тщательные систематические исследования долговечности тел (времени между моментами нагружения и разрывом тела) под растягивающей нагрузкой в зависимости от приложенного напряжения, а также от температуры. Разработанные установки позволяли вести эти измерения в широком интервале значений долговечности (10 порядков — от тысячных долей секунды до многих месяцев). Было изучено более 100 веществ всех основных типов твердых тел: металлы, сплавы, кристаллы с различными межатомными связями, стекла, полимеры, композиционные и гетерогенные материалы. Зависимость долговечности ( ) от напряжения ( ) и температуры (T ) оказалась удивительно единообразной (исключая области самых малых и самых высоких значений напряжений и температур)

(; T ) =

 

exp

 

U0 − γ

:

 

0

 

kT

 

Здесь k — постоянная Больцмана, 0 1013 s —

время, по порядку величи-

ны близкое к периоду колебаний атомов в твердых телах (периоду колебаний максимальной частоты в дебаевском спектре), U0 практически совпадает с энергией диссоциации каждого вещества, γ = qVa , ãäå Va — активационный объем в элементарном акте диссоциации, q — коэффициент локальных перенапражений (достигает за счет дефектов в реальных телах значений 10100 и выше, что и характеризует отличие экспериментальной величины прочности от теоретической). Фундаментальная форма температурной зависимости долговечности в виде фактора БольцманаФренкеля и идентификация параметров зависимости (; T ) привели Журкова к важнейшему выводу о термофлуктуационной природе разрушения твердых тел. Макроскопическое разрушение тела представляет собой процесс последовательных элементарных актов разрыва напряженных межатомных связей флуктуациями тепловой энергии атомов.

Зависимость (; T ) вошла в науку о прочности (разрушении) как „формула Журкова“.

Как отмечалось выше, С. Н. Журкова не удовлетворяли только феноменологиче- ские исследования, что привело к развитию в его лаборатории небывалого в то время (5060-е годы) для лабораторий, занимающихся проблемами прочности, комплекса физических методов, направленных на прямое и детальное изучение кинетики разрушения. Были применены методы масс-спектрометрии, электронного парамагнитного резонанса, инфракрасной и рамановской спектроскопии, хроматографии, радиоактивного анализа, ядерного магнитного резонанса, дифракции рентгеновских лучей под малыми и большими углами, электронной микроскопии, прецизионной дилатометрии. В дальнейшем в комплекс вошел еще ряд методов: акустическая эмиссия, ультразвуковое зондирование, эмиссия электронов, люминесценция, плазмонная спектроскопия, Оже-спектроскопия, дифракция быстрых и медленных электронов, спектроскопия поляритонов, двойной электронно-ядерный резонанс, туннельная электронная микроскопия и компьютерное моделирование.

Отличительной особенностью экспериментального подхода Журкова являлось использование всего этого арсенала методов для проведения исследований на образцах, находящихся под действием механических нагрузок. Именно это и позволяет получать детальную информацию о процессах подготовки и развития разрушения нагруженных тел.

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 5

774

К 100-летию со дня рождения

Были установлены места локализации перенапряжений и оценены величины перенапряжений на межатомных связях; непосредственно доказана реальность последовательных разрывов межатомных связей тепловыми флуктуациями (для тел с ковалентным типом связей); было зарегистрировано появление мельчайших зародышевых трещин и прослежена кинетика их развития, ведущего к укрупнению трещин, вплоть до магистральных. Таким образом, наряду с фундаментальными результатами, следующими из феноменологических исследований долговечности, было положено начало развитию микроскопической кинетики разрушения, которое продолжается до сих пор.

Â1958 г. С. Н. Журков был избран членом-корреспондентом Академии наук

СССР (физика полимеров), а в 1968 г. — действительным членом (академиком) Академии наук СССР (физика).

Â7080-е годы и далее интенсивно продолжались исследования по физике разрушения в направлениях, инициированных Журковым и его учениками.

Так, исходя из обширного мирового опыта и собственных результатов, полу- ченных в 30-е годы (упрочнение путем воздействия на поверхность объектов),

Ñ.Н. Журков выдвинул задачу детального исследования процессов на поверхности нагруженного тела. Для кристаллов и других объектов было установлено активное специфическое изменение состояния поверхностного и приповерхностного слоев при нагружении: наноструктурирование вплоть до аморфизиции, интенсивные дислокационные процессы, формирование трещин.

Если на первых стадиях исследования кинетики разрушения этот процесс рассматривался фактически только на атомно-молекулярном уровне, то со временем все более ясной становилась необходимость анализа поведения не только атомномолекулярной, но и электронной подсистемы тел под нагрузкой. Действительно, сцепление атомов обусловлено электронным взаимодействием, механическое нагружение тела ведет к возмущениям в электронной подсистеме, разрывы межатомных связей означают резкое возбуждение электронных состояний и т. д. Все это делало естественным обращение к кругу „электронных“ вопросов, а возможности таких исследований обусловливались развивающимся комплексом методов. Был получен ряд новых данных по электронным процессам в телах под нагрузкой. Феноменологи- ческое изучение влияния электрических полей на кинетику механического разрушения, параллельное изучение не только кинетики механического, но и электрического разрушения (измерение времени ожидания электрического пробоя диэлектриков), установление влияния механического нагружения на кинетику электрического разрушения — все это вместе с результатами детальных физических исследований ведет к заключению о тесной связи механических процессов с электронными.

Термофлуктуационный механизм разрушения определил интерес Журкова к самим локальным флуктуациям энергии атомов в твердых телах. Этот большой и требующий отдельного рассмотрения вопрос был поднят еще Я. И. Френкелем, но его разработка до последнего времени, по существу, не проводилась. С. Н. Журков и его ученики на основе теоретических, модельно-компьютерных и экспериментальных исследований положили начало успешному выяснению природы и характеристик

этих важнейших для физики твердого тела вообще и для физики разрушения в частности явлений.

Очень важным в кинетике разрушения является вопрос о переходе процесса разрушения с микроскопического на макроскопический уровень. С. Н. Журковым и его учениками было развито представление о двухстадийности разрушения гетерогенных тел, когда на первой стадии идет рассеянное множественное накопление

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 5

Серафим Николаевич Журков

775

мелкомасштабных трещин, а на второй — образование крупномасштабных очагов разрушения за счет кластеризации первичных трещин. Такая двухстадийная модель разрушения, транспонируемая последовательно на все более крупномасштабные уровни, непосредственно подтверждена результатами изучения акустической эмиссии для нагруженных гетерогенных объектов.

Поскольку термофлуктуационный механизм разрушения был установлен для области классических температур (выше дебаевских), естественно, встал вопрос о разрушении при низких температурах. Исследования на телах с высокой дебаевской температурой (бор, полимеры) показали, что кинетика разрушения имеет место вплоть до самых низких температур (измерения проводились до температуры жидкого гелия), но механизм элементарных актов от надбарьерного (при повышенных температурах) перешел к подбарьерному, туннельному, т. е. соответствующие атомно-молекулярные и электронные переходы, которые при повышенных температурах осуществлялись за счет флуктуаций энергии атомов, при низких температурах происходят за счет флуктуаций координат, являющихся следствием волновых свойств частиц. Таким образом, представления о кинетике и флуктуационной природе разрушения распространяются на всю область температур вплоть до самых низких.

Результаты фундаментальных исследований физики разрушения ведут и к разработке важных практических задач.

Кинетическая идеология разрушения естественным образом ведет к возможности решения такой большой проблемы, как прогнозирование разрушения — прогнозирование и долгосрочное, и оперативное.

Формула Журкова, определяя долговечность нагруженного тела, по существу дает ключ к решению задач долгосрочного (априорного) прогнозирования разрушения. Разумеется, такое прогнозирование в реальных технических условиях (изменяющиеся во времени нагрузки, температура, структура и дефектность материалов, воздействие окружающей среды и т. д.) представляет собой далеко не простую задачу, однако установленные Журковым закономерности кинетики разрушения являются физической основой для ее решения. Уже имеется ряд успешных практических разработок по долгосрочному прогнозу разрушения.

Для оперативного прогнозирования разрушения очень эффективно использование акустической эмиссии. Этот метод давно применяется на практике с прогности- ческими целями, но характерное ранее использование эмпирических корреляционных зависимостей при анализе акустических сигналов не обеспечивало достаточной эффективности метода. Разработанная школой С. Н. Журкова стадийная модель кинетики разрушения и совершенствование идентификации акустоэмиссионного спектра привели к формированию новой системы анализа и существенно более надежному прогнозированию катастрофического разрушения.

В настоящее время построены и действуют компьютеризованные системы акустического контроля состояния объектов, позволяющие регистрировать приближение катастрофы и оценивать время до ее наступления. Такие системы применяются для прогнозирования разрушения крупных конструкций (магистральные трубопроводы, котлы, резервуары и т. п.), горных ударов в шахтах, землетрясений.

В практическом применении физики прочности, естественно, важнейшей задачей является повышение прочностных свойств материалов. И здесь кинетический подход приводит к серьезным достижениям.

Так, известный способ упрочнения полимеров — ориентационная вытяжка — заключается в приложении к исходному неориентированному полимеру растягивающего усилия. При этом идет упорядочение структуры полимера, ведущее к его

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 5

776

К 100-летию со дня рождения

упрочнению, но одновременно и разрушение полимера (разрывы цепных молекул), т. е. протекают два процесса, каждый со своими кинетическими характеристиками. Кинетический анализ этих процессов в сочетании с определенной структурной подготовкой объектов позволил найти оптимальные режимы ориентирования и получить наиболее высокие в мире значения разрывной прочности полимеров — до 10 GPa и выше. Такие значения лишь в 23 раза ниже теоретической прочности полимеров. Наряду с достижением рекордных значений „лабораторной“ прочности полимеров на основе кинетического подхода получено существенное (в несколько раз) повышение технической прочности полимеров и предложены соответствующие рекомендации для многотоннажного производства.

К задачам обеспечения прочности и надежности материалов относится и увеличение срока их работоспособности. Выяснение механизмов процесса разрушения (в большинстве случаев кинетики зарождения и роста трещин) позволило поставить вопрос о повышении долговечности путем целенаправленной ликвидации или „обезвреживания“ образовавшихся и накопившихся за время эксплуатации трещин. Проведенные исследования кинетики обратного разрушению процесса регенерирования сплошности тела привели к возможности увеличения долговечности в десятки раз. Разработана система программированного температурно-барического воздействия на уже „послужившие“ объекты, обеспечивающая значительное увеличение их ресурса работоспособности.

Развитые методы ликвидации микротрещин и пор применимы и для решения задач улучшения электрических и оптических свойств материалов.

У Серафима Николаевича Журкова была большая, плодотворная научная жизнь, насыщенная поисками и выдающимися результатами. Он является признанным основоположником направления и научной школы кинетической природы прочности. Дискуссии по кинетике разрушения продолжаются, что вполне естественно для живой науки, но основы кинетического учения о прочности уже установились, а дискуссии касаются только детализации, вопросов практической реализации, путей дальнейшего развития исследований. С. Н. Журков заслуженно носил имя главы отечественной школы физики прочности. Подтверждением Международного признания вклада С. Н. Журкова в науку о прочности стало избрание его вицепрезидентом Международного конгресса по разрушению (19681976 гг.). Семидесятилетие Журкова (1975 г.) было отмечено нечастым в научном мире событием — выпуском специального юбилейного номера международного журнала „Fracture“.

С. Н. Журков без перерыва проработал в Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе 67 лет и был одним из наиболее почитаемых и любимых патриархов института.

До последних дней жизни он продолжал активную исследовательскую работу, стремясь получить ответы на волновавшие его вопросы в области флуктуационных процессов разрушения.

Велика роль С. Н. Журкова в становлении и укреплении авторитета журнала „Физика твердого тела“, созданного А. Ф. Иоффе в 1959 г. Журков возглавлял редколлегию ФТТ с 1961 по 1988 г. и добился широкого международного признания журнала.

В связи со 100-летием со дня рождения Серафима Николаевича Журкова хочется еще раз подчеркнуть его выдающийся вклад в физику твердого тела, в учение о прочности твердых тел и пожелать созданной им научной школе успешного развития его плодотворных идей в области физики прочности.

Редколлегия журнала „Физика твердого тела“

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 5

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.

Соседние файлы в папке экзамен