CC BY
8СЕЙСМОЛОГИЯ (SEISMOLOGY)
УДК 550.34
Цвигун В. И.
канд. технических наук, доцент кафедры обработки металлов давлением Сибирский государственный индустриальный университет (г. Новокузнецк, Россия)
Цвигун А.С.
Менеджер продукта ООО Тинькофф Центр Разработки (г. Москва, Россия)
Койнов Р.С.
главный разработчик Главный научный инновационный внедренческий центр (г. Новокузнецк, Россия)
ВОЗНИКНОВЕНИЕ ЭФФЕКТА КАЙЗЕРА НА ОПРЕДЕЛЕННЫХ ФАЗАХ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД
Аннотация: в статье предложено объяснение эффекта Кайзера (1953 г.). Экспериментальные наблюдения упруго - пластических деформации и разрушений показали, что акустическая эмиссия (A3) появляется только при разрушениях хрупких материалов, а при закрытии трещин АЭ нет.
Ключевые слова: эффект Кайзера, разрушение хрупких материалов, акустическая эмиссия, трещинообразование, горные породы, хрупки материалы, деформация, механика горных пород, линии сдвига.
При повторном нагружении образца (из горных пород) до того же усилия, которое уже было при раннем нагружении, (проявляется эффект Кайзера) - нет акустической эмиссии (АЭ), но она появится, когда превысим нагрузку первого опыта [1,2].
Это явление можно объяснить, если представим, что удлинение трещины идет при превышении критического угла при вершине трещины (допустим 2 градуса). В этом случае идет расщепление новых блоков перед вершиной трещины, есть АЭ. Начинаем разгрузку - нет реверсивной пластической деформации - нет и АЭ, только ступенчатые блоки и трещины смыкаются. Новое нагружение приводит к расхождению стенок трещин и блоков, вновь у вершины трещины угол 2 градуса, АЭ нет, но она появится, когда начинается новое трещинообразование при разрушающих деформациях и напряжениях (обычно это различное сочетание К1/К2).
Разрушения при сжатии и растяжении идут по своим персональным профильным механизмам, но есть похожие детали - деформации впереди трещины - лидера. Это - нарезка квази хрупкого материала спиральными полосами сдвигов на криволинейные ортогональные блоки, с образованием трещин и пор по границам блоков.
Такие сдвиговые ступенчатые трещины и поры увеличивают объем материала и резко снижают его прочность на растяжение.
Трещина в геоматериале, при образовании новой поверхности, ведет себя как шарнир, который имеет точку вращения на пересечении двух линий, проведенных по ее берегам.
Эта точка вращения для хрупких материалов совпадает с вершиной трещины. Для квази-хрупких материалов, за счет образования ступеньки пластического затупления у вершины трещины, пересечение этих прямых указывает на точку вращения впереди вершины трещины. И чем больше эта ступенька, тем дальше от вершины находится точка вращения.
Для хрупкой трещины (первый случай) удлинение трещины - это образование многих трещин у ее вершины трещины, некоторые из них
соединяются в цепочки, образуя одну магистральную трещину. Во втором случае, растрескивание идет не только вблизи вершины трещины, на ее берегах, но и впереди ее, до точки вращения. Эта точка вращения, по мере роста главной трещины, будет передвигаться в глубину материала, с сохранением приблизительно постоянного угла при вершине трещины (несколько градусов).
На прозрачных образцах из ПММА мы наблюдали механизм усталостного растрескивания вблизи вершины усталостной трещины. Найдено, что цикл растяжения (рис. 1), начинается с точки (а) и сразу трещина начинает удлиняться до точки (Ь). Если в точке (Ь) начнем разгрузку (не будет участка (Ьс), то на участке (cd) трещина закроется, как шарнир и новый цикл растяжения вновь (ab) -трещина раскроется до фиксированного угла разрушения при вершине. Чем круче участок (ab), тем сильнее подавляется пластическая деформация и хрупче характер разрушения. Когда есть площадка растяжения на цикле - (Ьс), то трещина здесь также продолжает удлиняться. АЭ от зоны разрушения будет на участке (abc); на (cd) ее не будет, т.к. нет образования новых поверхностей разрушения.
(а)
«з §
3" 0)
t
1 &
аз ï
о
О
(Ь)
d а
I
7", время
Рисунок 1 - Циклическое растяжение (прямоугольные импульсы) образца с трещиной (а); удлинение трещины на шаг (ас) за каждый импульс нагружения; (Ь) - приращение длины трещины за один цикл.
При нормальном индентировании шара 0 8 мм в пакет из 8 полиэтиленовых пластин, зажатых вертикально в струбцине, мы получили
картину полос сдвига и трещин, которые образовались в полосах сдвига (рис. 2).
Рисунок 2 - Напряженное состояние в зоне деформации при внедрении шара
(вертикальная сила). 33D - зона затрудненной деформации - 5, О - КТГ (коническая трещина Герца); ^ и н - ширина и глубина деформации.
1, 2, 3 - зоны образования трещин; 4 - образование ступеней и трещин на линиях сдвига; стрелочки - направление сил сдвига.
В работе [3] Rice испытывал на чистый изгиб один образец с двумя острыми надрезами на сжатие (верхний надрез) и на растяжение (нижний разрез, рис. 3). Картины линий пластических сдвигов при растяжении и сжатии у вершин острых надрезов оказались очень похожи на первый взгляд, но трещина и надрез - имеется много отличий и, возможно, хорошо выполнить такое исследование для трещин, т.к., например, что с этой картиной будет при асимметрии цикла R=+l? Это очень сложная тема для геоматериалов.
ш
Растяжение
Сжатие
Ф
Рисунок 3 - Схема деформаций у вершины острого надреза [3]. (а) - надрез в области сжатия, (Ь) - в области растяжения.
Согласно теории о линиях скольжения, из вершин надрезов (рис. 3), начинаются линии сдвигов, с образованием блоков с прямыми углами, но сами блоки искривлены, созданы клинообразные полосы сдвигов. Картина показывает, что растяжение и сжатие у вершины трещины рассекает материал на блоки, которые утрачивают совместную прочность и далее это не прочная матрица, а плотно уложенные кубики, которые при сжатии и растяжении не излучают АЭ, но при дальнейшем увеличении нагружающего усилия начнется образование на продолжении старых полос новых полос сдвига и новых трещин. При этом возникнет АЭ. Разгрузка и новое нагружение до более низких нагрузок, не приведет к АЭ (эффект Кайзера).
Такое агрегатное состояние материала, больше похожее на трехмерные мозаичные трещины, не способно оказывать сопротивление растяжению, а только сжатию.
Модель трещины при растяжении также содержит кубики-блоки в деформированной зоне перед вершиной трещины. Эти блоки образуются при нарезке спиральными полосами сдвигов двумя разными семействами линий скольжения, с углом пересечения 90 градусов, если угол меньше - есть здесь растяжение, больше - сжатие преобладает (рис.4).
Рисунок 4 - Упрощенная упругопластическая модель трещины с возможностью рыскания вершины усталостной трещины по линиям сдвигов.
В дальнейшем, возможно представление материала у вершины трещины как механической системы, представляющей непрерывное (во время цикла растяжения) сравнение локальных деформаций, их топографию и локальное сопротивление деформации и выбор пути - разрушение слабого звена.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Лавров A.B., Шкуратник В.Л., Филимонов Ю.А. Акустоэмиссионный эффект памяти в горных породах. М., Московский горный университет, 2004, 450 с.
2. Kaiser J. - 1953, BD24, N1/2, S 43-45.
3. Jeong Н. Slip lines in front of a round notch tip in a pressure - sensitive materials. - Mech. of Materials, 1994, 19, 29-38.
Tsvigun V.N. Siberian State Industrial University (Novokuznetsk, Russia)
Tsvigun A.S.
Tinkoff Development Centre, LLC (Moscow, Russia)
Koinov R.S.
Chief Scientific Innovation Implementation Center (Novokuznetsk, Russia)
EMERGENCE OF THE KAISER EFFECT AT CERTAIN PHASES OF DESTRUCTION OF MINERAL ROCKS
Abstract: the paper proposes an explanation for the Kaiser effect (1953). Experimental observations of elastic-plastic deformations and failures have shown that acoustic emission (AE) appears only during the failure of brittle materials, while there is no AE when cracks close.
Keywords: Kaiser effect, brittle material failure, acoustic emission, crack formation, rock material, brittle materials, deformation, rock mechanics, shear lines.
