научная статья по теме РАЗВИТИЕ МИКРОТРЕЩИН ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ РАЗРУШЕНИИ ГОРНЫХ ПОРОД Физика

Текст научной статьи на тему «РАЗВИТИЕ МИКРОТРЕЩИН ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ РАЗРУШЕНИИ ГОРНЫХ ПОРОД»

ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 6, с. 820-822

УДК 622.35:539.8

РАЗВИТИЕ МИКРОТРЕЩИН ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ РАЗРУШЕНИИ ГОРНЫХ ПОРОД © 2015 г. С. Д. Викторов, А. Н. Кочанов

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем комплексного освоения недр

Российской академии наук, Москва E-mail: kochanov@mail.ru

Приведены результаты экспериментальных исследований по оценке параметров микротрещин, образовавшихся после динамического разрушения горных пород, с помощью электронной микроскопии. Рассмотрены некоторые физические аспекты и механизмы образования микротрещин в горных породах. Отмечено, что важной характеристикой микротрещин является величина их раскрытия. По данным экспериментов, минимальное значение величины раскрытия микротрещин составляет порядка 0.1 мкм.

Б01: 10.7868/8036767651506040Х

В рамках проблемы разрушения и прочности твердых тел, в том числе и горных пород, важная роль принадлежит микротрещинам, которые являются элементами структуры твердого тела. В настоящее время есть все основания полагать, что они представляют собой типичные дефекты, такие же как дислокации и вакансии в кристаллах [1]. По определению, микротрещина — это нарушение сплошности твердого тела, плоский дефект от атомного до субзеренного масштаба, молекулярные связи между берегами которого разорваны [2]. Изучению условий формирования микротрещин в материалах уделялось достаточно много внимания [3—6], а наиболее полные сведения о микротрещинах в горных породах можно почерпнуть из обзора работ [7, 8]. Из анализа данных этих исследований следует, что обычно длина микротрещин составляет 1—100 мкм (в некоторых работах до 1 мм), а коэффициент облика микротрещины как отношение ширины (величины раскрытия) к длине достигает 10-2—10-4. Принято считать, что определяющая роль в процессах разрушения и деформирования горных пород принадлежит микротрещинам длиной порядка 100 мкм. Микротрещины изначально присутствуют в горной породе с момента ее образования, и в зависимости от типа горной породы или даже размера зерен существует характерный размер микротрещины. Содержание кварца в горных породах оказывает значительное влияние на образование микротрещин. В большинстве горных пород микротрещины ориентированы более или менее случайно, а в напряженной или деформированной породе наблюдаются некие закономерности в ориентации микротрещин. Существующие или возникающие на ран-

них этапах деформирования горных пород дефекты в виде микротрещин приводят к инициированию и определяют дальнейшее развитие процесса разрушения.

Попытка обобщить и выявить некоторые особенности зарождения и развития микротрещин при динамическом разрушении горных пород — цель настоящей работы. Для изучения развития микротрещин в горных породах выполнены экспериментальные исследования, в ходе проведения которых осуществляли взрывное воздействие на образцы, помещенные в специальные ампулы сохранения. Схема взрывного воздействия на образцы горных пород была аналогична исследованиям [9]. В результате действия импульсных нагрузок микросекундной длительностью достигалось разрушение (дезинтеграция) горных пород с образованием системы микротрещин, изучение которых осуществляли после извлечения образцов из ампул сохранения.

С помощью электронной микроскопии анализировали поверхности фрагментов образцов горных пород до и после динамического (взрывного) воздействия. Следует отметить, что система микротрещин в поверхностном слое образцов до динамического воздействия, как правило, не наблюдалась. В ходе проведения экспериментов получены изображения микротрещин, образовавшихся после динамического разрушения образцов горных пород, наиболее характерные из которых представлены на рис. 1. Микротрещины, как это следует из полученных изображений, отличаются сравнительно гладкими поверхностями своих стенок, их полости свободны от отдельных частиц. Анализ полученных изображений позволяет оценить

РАЗВИТИЕ МИКРОТРЕЩИН ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ РАЗРУШЕНИИ ГОРНЫХ ПОРОД

821

минимальную и максимальную величины раскрытия микротрещин порядка 0.1 и 10.0 мкм. Оценка величины раскрытия порядка 10.0 мкм была получена для мрамора, это скорее исключение, так как для большинства горных пород максимальная величина раскрытия составляла несколько единиц микрон. При этом длина микротрещин, точное определение которой значительно сложнее, достигает от 10.0 до 100 и более мкм при коэффициенте облика, равным (1—5) • 10-2. Образуются ли и могут ли существовать микротрещины раскрытием менее 0.1 мкм? Ответ на этот вопрос очень важен для понимания процесса разрушения твердых тел, но по крайней мере с помощью электронного микроскопа 1ЕОЬ-18М 59101У при максимально возможном увеличении 50000х данные дефекты обнаружены не были. Следует отметить, что размеры зародышевых микронесплошностей (микротрещин) при деформации металлов и сплавов составляют порядка 0.1 мкм [3].

Численная оценка величины раскрытия может иметь значение для понимания механизма формирования микродефектов. Микротрещина с величиной раскрытия 100 мкм и более, очевидно, не может существовать, и речь идет не только о терминах и диапазоне микро. Это связано с природой образования микротрещин, которая принципиально отличается от физической природы развития и образования макротрещин. Зарождение и развитие микротрещины представляют собой дискретное событие взрывного характера, реализующееся за очень короткий промежуток времени [5].

В зависимости от структурного и напряженно-деформированного состояния твердого тела при его деформировании различают вязкое разрушение, транскристаллический и межзеренный скол [10]. Очевидно, что в той или этой степени эти механизмы разрушения под действием напряжений характерны и для горных пород. В ходе экспериментов и анализа изображений отмечено, что большинство микротрещин, возникающих в горной породе в результате взрывного воздействия, имеют характер трещин растяжения, сдвиговый характер формирования дефектов не просматривается. Это соответствует общепринятым представлениям, согласно которым, микротрещины в горной породе возникают, если величина локального напряжения больше локального значения прочности на растяжение [7]. Преобладают внут-рикристаллические трещины, полностью находящиеся в пределах зерна, но также встречаются микротрещины по границам раздела зерен, связанные или полностью совпадающие с границей раздела зерен. Микротрещины, по данным наблюдений, часто возникают в виде параллельных групп различной длины, расположенных в пределах одного зерна. На рис. 2 приведены изображе-

Рис. 1. Вид микротрещин в образце гранита (а) песчаника (б) и кварцита (в).

ния микротрещин, анализ которых позволяет обозначить некоторые механизмы их образования. Условие образования стабильной микротрещины на границе зерен или по плоскости ослабления внутри зерна, что отражает ситуацию на рис. 2а, зависит от площади межзеренного контакта или наличия плоскости ослабления, и может быть определено на основании зависимости работы [11].

В то же время, как следует из рис. 2б, возможен механизм образования микротрещин, когда формируется область малого размера (точечная в виде концентратора напряжений), от которой как из вершины стартуют (распространяются) микротрещины. В данном случае формирование этой области может быть обусловлено очень сложной карти-

822

ВИКТОРОВ, КОЧАНОВ

Рис. 2. Развитие микротрещин в магнетите, кварце и на их границе (а) и в кварце (б).

ной распределения напряжений на микроскопическом уровне, которые по величине и знаку могут в значительной степени отличаться от макроскопического поля напряжений и превышать локальную прочность горной породы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

С помощью электронной микроскопии получены изображения микротрещин, образовавшихся после динамического воздействия, исследована их структура и определены геометрические парамет-

ры. Важной характеристикой микротрещин является величина их раскрытия, минимальная величина которой, по данным экспериментов, составляет порядка 0.1 мкм, а верхний предел ограничен значением 10 мкм. В ходе экспериментов и анализа изображений отмечено, что большинство микротрещин, возникающих в горной породе в результате динамического воздействия, имеют характер трещин растяжения. В первом приближении результаты экспериментов позволяют отметить два механизма образования микротрещин: один связан с наличием плоскости ослабления или внутри отдельной минеральной фазы или на границе минеральных зерен, другой обусловлен формированием, очевидно, за счет структурных особенностей и неоднородности горной породы специфического поля напряжений на микроуровне в локальной области с высокими параметрами.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект № 14-05-00446-а).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Черемский П.Г., Слезов В.В., Бетехтин В.И. Поры в твердом теле. М.: Энергоатомиздат, 1990. 374 с.

2. Физика твердого тела. Энциклопедический словарь. Т. 2. Киев: Наук. думка, 1998. С. 384.

3. Бетехтин В.И., Кадомцев А.Г. // Физика тв. тела. 2005. Т. 47. Вып. 5. С. 801.

4. Златин Н.А., Пугачев Г.С., Воловец Л.Д., Леонтьев СЛ. // ЖТФ. 1981. Т 51. № 7. С. 1507.

5. Лексовский А.М., Баскин Б.Л. // Физика тв. тела. 2011. Т. 53. Вып. 6. С. 1157

6. Веттегрень В.И., В.С. Куксенко, Щербаков И.П. // Физика тв. тела. 2012. Т. 54. Вып. 7. С. 1342.

7. KranzR.L. // Tectonophysics.1983. № 100. P. 449.

8. Costin L.S. // J. Geophys. Res.1983. № 88. Р. 9485.

9. Викторов С.Д., Кочанов А.Н. // Изв. РАН. Сер.физ. 2013. Т. 77. № 3. С. 298; Viktorov S.D., Kochanov A.N. // Bull. Russ. Acad. Sci. Physics. 2013. V 77. № 3. P. 298.

10. Матвиенко Ю.Г. Модели и критерии механики разрушения. М.: Физматлит, 2006. 328 с

11. Морозов Н.Ф., Овидько И.А., Петров Ю.В., Шейнер-ман А.Г. // ДАН. 2006. Т. 406. № 4. С. 480.

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком