Пластические свойства горных пород

Экспериментально установлено, что одно и то же тело может деформировать как пластичное и хрупкое. Это зависит от условий деформации (температура, давление и т.д.).

Обычно с пластичностью связывают остаточные деформации, приводящие к сильному изменению формы тела без его разрушения, т.е. пластические деформации в отличие от упругих являются деформациями большого масштаба.

Понятие пластичность является качественным, т.к. до сих пор не дано строго качественной меры пластичность в отличие от вязкости, которая служит основной качественной константой, характеризующей механические свойства жидкостей.

Механизм пластической деформации состоит в скольжении и механическом двойниковании.

Механическое двойникование заключается в сдвиге части кристалла как целого в другое положение симметрично относительно некоторой кристаллографической плоскости по отношению к оставшейся части кристалла. В этом случае кристалл как бы делится на части вдоль некоторых плоскостей, называемых плоскостями двойникования.

Необходимым следствием пластической деформации является упрочнение, которое связано только с увеличением сопротивления сдвигу-скольжению. Сопротивление разрыву в этом случае не только не увеличивается, а наоборот, уменьшается, хотя и незначительно. Исходя из опытных данных, Треск-Сен-Венан и Мизес сформулировали условия перехода твердых тел из упругого состояния в пластическое. Однако их выводы не всегда подтверждаются.

Текучесть твердых тел

Текучестью твердых тел называют такие деформации, величина которых зависит не от действующих сил, но и от времени их действия. Течение аморфных твердых тел подобно течению жидкостей. Для таких тел понятие вязкости также является вполне строгой физической величиной, т.к. у таких тел не существует истинного предела упругости.

Скорость течения кристаллических тел при постоянном напряжении убывает во времени вследствие упрочнения, что приводит к повышению истинного предела упругости.

При температурных воздействиях, когда упрочнение снимается в процессе самой пластической деформации, скорость течения будет оставаться величиной постоянной.

Течение материала под действием постоянного напряжения называется ползучестью. Это явление мы рассмотрим более подробно несколько позднее.

Упругий гистерезис и упругое последействие

Закон Гука для упругих твердых тел выполняется лишь приближенно. В подтверждение можно отметить, что модуль деформации при нагружении несколько меньше, чем при разгрузке. В случае быстрой разгрузки горных пород появляется остаточная деформация (_ост) (рис.2,3).

Это явление называется упругим гистерезисом. С течением времени остаточная деформация исчезает. Это явление называется упругим последействием.

Рис.2

Рис.3

ОА - нагружение; АВ- разгрузка; ВС - уменьшение остаточной деформации во времени.

Рассмотрим графики сжатия для песчаника и каменного угля.

Рис.4 Песчаник

Рис.5 Каменный уголь

У песчаника остаточная деформация очевидно возникает за счет деформации ползучести. Явление упругого гистерезиса и упругого последействия легко объясняются с точки зрения дефектов кристаллической структуры. При быстром снятии нагрузки восстановление формы и размеров тела идет с быстро уменьшающимся градиентом напряжений и отстает во времени от нагрузки. Это проявляется как появление остаточных внутренних напряжений, а следовательно, и остаточной деформации (упругий гистерезис). Со временем внутреннее напряжение уменьшается, уменьшается и остаточная деформация.