Исследование поврежденности геоматериала во взаимосвязи с размерами его структурных элементов Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

© В.А. Винников, В.А. Ермишкин, И В. Кириченко, 2012

УЛК 622.02:539.2

В.А. Винников, В.А. Ермишкин, И.В. Кириченко

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВРЕЖДЕННОСТИ ГЕОМАТЕРИАЛА ВО ВЗАИМОСВЯЗИ С РАЗМЕРАМИ ЕГО СТРУКТУРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ*

Выполнены экспериментальные исследования зависимости поврежденности геоматериалов от относительного размера его структурных элементов при различных температурах.

Ключевые слова: геоматериал, поврежденность, размер структурных элементов, зависимость Холла-Петча.

При ведении горных работ, строительстве подземных сооружений и шахт большое значение имеет получение надежной и достоверной информации о структуре, свойствах и состоянии горных пород и, в частности, о поврежденно-сти геоматериала. При этом возможности проведения натурных экспериментов, позволяющих определить поврежденность геоматериала, весьма ограничены, а часто и вовсе отсутствуют.

В последнее время получили развитие косвенные методы определения свойств и состояния геоматериала - по результатам акустоэмис-сионных измерений и, в частности, по исследованиям эффектов памяти в геоматериалах. И, хотя эти методы отличаются простотой реализации измерений, выполняемых в лабораторных условиях на извлеченных из массива образцах, тем не менее они не дают полную информацию о процессах, происходящих в геоматериале, в силу аппаратурной огра-

ниченности частотного диапазона акустоэмиссионных измерений.

В настоящей работе предлагается для оценки поврежденности геоматериала использовать метод фотометрического анализа изображений структуры материалов, основные алгоритмы которого изложены в работах [1, 2]. Одновременно с этими исследованиями была поставлена задача попытаться увязать поврежденность геоматериала с размерами его структурных элементов.

В качестве геоматериала использовались образцы Кибик-Кордонс-кого мрамора, размеры зерен которого варьировались в диапазоне от 10—3 до 10-5 м. Образцы изготавливались в форме цилиндра диаметром 8 мм и высотой 8-12 мм, торцевая поверхность цилиндра полировалась. Исследования велись на высокотемпературном микроскопе MeF Reichert Wien Austria (рис. 1) в широком температурном диапазоне (от 20 до 700 °С).

* Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 10-05-00141). 90

Сглаженные результаты расчета поврежденностн геоматериала V при различных температурах и различных относительных величинах его структурных элементов d

Рис. 1. Высокотемпературный микроскоп MeF Reichert Wien Austria

Образцы нагревались с заданной скоростью (2,5 °С/мин.), и через каждые 20 °С проводилась съемка полированной поверхности образца при увеличении х250 с помощью цифровой камеры DSM900, изображение с которой сохранялось в компьютере с помощью программы визуализации, фиксации и обработки изображений ScopePhoto. Образцы кадров съемки приведены на рис. 2.

В соответствии с алгоритмами [1,2] поврежденность материала можно оценить по доле «темных» диапазонов интенсивностей, поскольку именно они отвечают возникновению повреждений материала различного структурного уровня (дислокаций, микротрещин и др.). Оценка поврежденности каждого образца в процессе температурного нагрева велась следующим образом: полученное при данной температуре изображение поверхности подвергалось анализу с помощью фотометрического анализатора структурных изображений ParseDaPicture, который позволяет рассчитать долю «темных» диапазонов интенсивно-стей изображения P, ответственных за поврежденность геоматериала. Тогда степень поврежденности гео-

T, C d = 0,33 d = 0,66 d = 1,00

20 0,1933 0,2276 0,365

40 0,2053 0,2436 0,381

60 0,2173 0,2596 0,397

80 0,2293 0,2756 0,413

100 0,2413 0,2916 0,429

120 0,2533 0,3076 0,445

140 0,2653 0,3236 0,461

160 0,2773 0,3396 0,477

180 0,2893 0,3556 0,493

200 0,3013 0,3716 0,509

220 0,3133 0,3876 0,525

240 0,3253 0,4036 0,541

260 0,3373 0,4196 0,557

280 0,3493 0,4356 0,573

300 0,3613 0,4516 0,589

320 0,3733 0,4676 0,605

340 0,3853 0,4836 0,621

360 0,3973 0,4996 0,637

380 0,4093 0,5156 0,653

400 0,4213 0,5316 0,669

420 0,4333 0,5476 0,685

440 0,4453 0,5636 0,701

материала Y можно определить по формуле

P - P

¥ = ' 0

P - P '

1 max 1 0

где индексы означают: «0» — исходный образец (до нагрева), «1» — текущая температура, «тах» — максимальная доля «темных» диапазонов интенсивностей изображения данного образца во всем диапазоне исследованных температур. Результаты расчетов представлены в таблице и на рис. 3-4.

Как видно из рис. 3, с ростом температуры наблюдается устойчи-

а б

Рис. 2. Образцы кадров съемки образца при различных температурах: а - при 20°С, б - при 200°С, в -при 300°С, г - при 400°С

о,н 0,7 0,(5

а-| О X — - __ — н

0,5 -

1 0,4 — -

а- □ __ ^ -* -» __, -»

™

4,1

и 100 200 зоо 400 500

Температура," с

Рис. 3

о

ё 0,1

о :

0,2 0,4 0,6 0,8 1

Относительный размер структурных злемектое

Рис. 4

выи линеиныи рост поврежденное™ образцов. Анализ рис. 4, на котором представлены зависимости поврежденности ¥ от относительного размера структурных элементов ё, показывает, что с ростом ё происходит нелинеИныИ рост поврежденности, причем с увеличением температуры нелинеиность этого роста снижается. Расчеты показывают, что с хорошеИ степенью точности зависимость повреж-денности от размера структурных элементов может быть описана зависимостью следуюшего вида:

_ а4ё 1 + .

Зависимость поврежденности геоматериала ¥ от температуры при различных относительных величинах его структурных

(сплошная

уТЗ = 1,0;

пунктир — = 0,66;

редкиИ пунктир — = 0,33)

Зависимости повреж-денности геоматериала ¥ от относительного размера его структурных элементов при различных температурах.

Элементарные преобразования этоИ формулы приводят ее к виду

элементов линия — V в = 1,0; частыИ

1 ь

— = а + , ¥

что хорошо согласуется с известной зависимостью Холла-Петча [3,4]

к

+

Л ,

при этом связь предела текучести поликристаллического материала ат с

величиной, обратной поврежденно-сти более чем очевидна.

Таким образом, на основании экспериментальных исследований зависимости поврежденности геоматериала ¥ от относительного размера его

структурных элементов ё при различных температурах можно предположить, что зависимость — = /(д)

¥

имеет такой же вид, как зависимость Холла-Петча.

1. Система фотометрического анализа структурных изображений и ее применение для исследования материалов в условиях усталости / В.А. Ермишкин, Л.П. Мурат, В.В. Подбельский // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. — 2008. — № 10. — С. 38-44.

2. Мурат Д. П. Разработка и реализация алгоритмов метода фотометрического анализа изображений структуры материалов // Лисс. на соискание ученой степени кандидата технических наук. - М.: 2008. - 180 с.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Гольдштейн М.И., Литвинов К. С., Бронфин Б.М. Металлофизика высокопрочных сплавов. - М.: Металлургия, 1986. - 310 с.

4. О возможности использования модели Холла-Петча для описания взаимосвязи ТАЭ с прочностными св-вами и размерами структурных элементов геоматериала / Винников В.А., Кириченко И.В., Шкурат-ник В. Л. // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2010. — № 12. - С. 46-49. ЕЕЕ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Винников Владимир Александрович - доктор физико-математических наук, профессор, Кириченко Иван Васильевич - аспирант,

Московский государственный горный университет, ud@msmu.ru

Ермишкин Вячеслав Александрович - доктор физико-математических наук, руководитель группы высоковольтной электронной микроскопии ИМЕТ РАН.

А