唐宇昊，李順才,，Слатин Вадим Иосифович，喻 秋

(1.江蘇師范大學(xué) a.江蘇圣理工學(xué)院；b.機(jī)電學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.圣彼得堡彼得大帝理工大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)學(xué)院，圣彼得堡 195251)

0 引 言

脆性材料一般是指在拉伸、沖擊等外力作用下產(chǎn)生很小變形(延伸率小于5%)，即破壞斷裂的材料。脆性材料具有抗拉強(qiáng)度低、塑性性能差，但抗壓強(qiáng)度好、價(jià)格低廉等特征，因而在工程實(shí)際中作為抗壓材料廣泛應(yīng)用。鑄鐵、煤和砂巖是工程中常用的脆性材料，鑄鐵是含碳量大于2%的鐵碳合金，具有性能較脆、韌性較低的特點(diǎn)；煤、砂巖是沉積巖，煤體內(nèi)部含有大量的裂隙、孔隙、層理等諸多缺陷，因而具有均質(zhì)性較差、加工困難、離散性大等特點(diǎn)；砂巖主要由各種砂粒膠結(jié)而成，結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定。加載速率、材料非均質(zhì)性及加工工藝、溫度等因素影響脆性材料的力學(xué)特性，趙宏剛等[1]通過加卸載試驗(yàn)研究了不同加卸載速率下原煤的力學(xué)特性和滲透演化規(guī)律。李海濤等[2]研究了加載速率變化對(duì)介質(zhì)力學(xué)行為的影響，提出現(xiàn)場(chǎng)條件下低卸載速率配合均勻弱化介質(zhì)的手段保證高強(qiáng)度生產(chǎn)的安全。徐小麗等[3]考慮溫度、加載速率對(duì)花崗巖力學(xué)性質(zhì)及破壞方式的影響，利用電液伺服材料試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)巖樣進(jìn)行不同加載速率作用下的單軸壓縮試驗(yàn)。許金余等[4]對(duì)經(jīng)歷不同高溫后的大理巖進(jìn)行不同加載速率下的沖擊壓縮試驗(yàn)，研究了峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變、彈性模量與加載速率的關(guān)系。孟召平等[5]研究了煤巖物理力學(xué)性質(zhì)和煤巖全應(yīng)力-應(yīng)變過程中的滲透規(guī)律。趙洪寶等[6]研究了型煤在一定圍壓和瓦斯壓力下的三軸壓縮力學(xué)特征、不同起始應(yīng)力點(diǎn)卸軸壓時(shí)的力學(xué)特性。張澤天等[7]對(duì)煤和巖的3種組合方式進(jìn)行了單軸壓縮和三軸壓縮試驗(yàn)；段進(jìn)超等[8]在單軸壓縮條件下對(duì)含單孔和雙孔脆性材料破壞過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了非均勻性是巖石類脆性材料發(fā)生局部破裂的根本原因。李小軍[9]通過數(shù)值模擬研究了加載速率對(duì)煤巖損傷及聲發(fā)射特征影響；王春光等[10]通過原煤不同溫度-應(yīng)力條件下的試驗(yàn)研究，得到煤樣的單軸抗壓強(qiáng)度以及彈性模量隨著環(huán)境溫度上升而下降。李同林等[11]通過煤巖力學(xué)性質(zhì)測(cè)試，研究了煤巖的脆性斷裂過程。李彥偉等[12]研究了煤?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度特性的加載速率效應(yīng)；沈喜榮等[13]研究了水對(duì)煤樣的力學(xué)特性及聲電特性的影響，表明水對(duì)煤樣具有降低強(qiáng)度、增加塑性，使聲電信號(hào)衰減的作用；馮昆榮等[14]基于應(yīng)力理論以及莫爾強(qiáng)度理論，分析試樣在均勻軸向受壓和非均勻軸向受壓時(shí)的受力狀態(tài)，討論了鑄鐵受壓時(shí)的破壞方向和破壞原因。韓文年等[15]采用空心圓柱、兩端內(nèi)凹的圓錐形鑄鐵試件進(jìn)行了壓縮實(shí)驗(yàn)，研究了試件端面摩擦力對(duì)試件破壞斷口的影響，并分析其破壞原因。李克安等[16]研究目前灰鑄鐵強(qiáng)度分析方法和強(qiáng)度條件計(jì)算式的缺陷和不足之處，得到了更準(zhǔn)確、更符合工程實(shí)際的強(qiáng)度條件。薛福林等[17]通過灰鑄鐵試件的均勻軸向壓縮實(shí)驗(yàn)，得到了斷口與試件軸線夾角在43°左右的結(jié)論。

目前，關(guān)于加載速率對(duì)巖石力學(xué)特性影響的成果較多，但鑄鐵及煤力學(xué)特性關(guān)于加載速率效應(yīng)的研究成果很少。本文利用材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)鑄鐵、煤和砂巖3種脆性材料進(jìn)行不同加載速率下的單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，通過分析3種脆性材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及抗壓強(qiáng)度和壓縮率的變化曲線，探究不同脆性材料在破裂過程中力學(xué)特性的加載速率效應(yīng)。

1 試驗(yàn)設(shè)備及試樣

鑄鐵壓縮試驗(yàn)設(shè)備為長(zhǎng)春科新微機(jī)控制三軸試驗(yàn)機(jī)SAM-2000，該試驗(yàn)機(jī)可進(jìn)行單軸、三軸、劈裂、剪切及滲透試驗(yàn)，最大軸力2 MN。煤巖壓縮設(shè)備為力爾牌DLNKJ-150-500型電子材料功能試驗(yàn)機(jī)，最大軸力150 kN。

(a) SAM-2000三軸試驗(yàn)機(jī)(b) 電子材料功能試驗(yàn)機(jī)

圖1 試驗(yàn)設(shè)備

(a) 鑄鐵(b) 煤(c) 砂巖

圖2 脆性材料試樣

2 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)步驟

各試樣的加載速率v如表2所示。主要試驗(yàn)步驟如下：

(1)測(cè)量試件尺寸，稱取質(zhì)量并記錄。

(2)將試件放置在電子試驗(yàn)機(jī)的承壓板中心，使試件兩端面接觸平穩(wěn)。

(3)材料試驗(yàn)機(jī)首先對(duì)力清零，并啟動(dòng)材料電子試驗(yàn)機(jī)。輸入材料參數(shù)，設(shè)置軸向壓力和軸向位移。將試驗(yàn)機(jī)壓頭相對(duì)快速下降，在即將接觸到試件時(shí)停止。按設(shè)定的加載方案對(duì)試件加載，直到試件被壓縮破壞。

(4)試驗(yàn)結(jié)束后關(guān)閉材料試驗(yàn)機(jī)，拼接試樣，量取破壞后尺寸，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較。

表2 各試樣加載速率

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 煤樣單軸壓縮力學(xué)特性

不同加載速率下煤樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。煤樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線在峰值前是一條微彎的曲線，近似直線分布?？杉?xì)分為4個(gè)階段：①OA段為孔隙裂隙壓密階段;②AC段為彈性變形到微彈性裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段;③CD段為非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段;④ 峰值碎裂后階段(由于施加壓縮載荷的壓力試驗(yàn)機(jī)的剛度不夠大，此階段信息未采集)。

圖3 煤樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

根據(jù)采集的力及變形數(shù)據(jù)，可得到煤樣的力學(xué)性能參數(shù)如表3所示。其中Fb、σb、φ分別為最大壓力、抗壓強(qiáng)度、壓縮率。由表3得到不同加載速率下煤樣的抗壓強(qiáng)度及壓縮率的變化曲線如圖4所示。由圖4可知，隨著加載速率的增加，各煤樣的抗壓強(qiáng)度總體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，最大值為33.56 MPa，最小值為6.25 MPa。同時(shí)煤樣試件的壓縮率最大值達(dá)到了3.01%，最小值達(dá)到了1.91%，總體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

表3 煤樣的力學(xué)性能參數(shù)

圖4 不同加載速率下煤樣抗壓強(qiáng)度與壓縮率變化曲線

3.2 砂巖單軸壓縮力學(xué)特性

砂巖試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示。同理，可得到砂巖試樣的力學(xué)性能參數(shù)如表4所示。由表4可見，隨著加載速率增加，砂巖抗壓強(qiáng)度減小，而壓縮率先增加后減小。出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能是因?yàn)樯皫r試件內(nèi)部的微裂紋或節(jié)理面的寬度不同，從而在不同加載速率的條件下，對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度和壓縮率出現(xiàn)不同程度的差異。

圖5 砂巖試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3.3 鑄鐵單軸壓縮力學(xué)特性

不同加載速率下鑄鐵試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示，因?yàn)殍T鐵抗壓強(qiáng)度高，DLNKJ-150-500型電子材料功能試驗(yàn)機(jī)的最大軸力不能滿足鑄鐵壓縮試驗(yàn)要求，故采用巖石三軸試驗(yàn)機(jī)SAM-2000加載，因?yàn)椴蓸宇l率高，圖6中數(shù)據(jù)點(diǎn)太密集。

圖6 4個(gè)鑄鐵試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

根據(jù)采集的力及變形數(shù)據(jù)，可得到鑄鐵的力學(xué)性能參數(shù)如表5所示。由表5得到不同加載速率下鑄鐵的抗壓強(qiáng)度及壓縮率的變化曲線如圖7所示。

表5 鑄鐵力學(xué)性能參數(shù)

圖7 鑄鐵不同加載速率下的抗壓強(qiáng)度與壓縮率變化曲線

由圖7可知，鑄鐵的抗壓強(qiáng)度及壓縮率隨加載速率的變化趨勢(shì)一致。隨著加載速率的增加，鑄鐵的抗壓強(qiáng)度和壓縮率出現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)。鑄鐵的抗壓強(qiáng)度最大值達(dá)到471 MPa，最小值為349.13 MPa，壓縮率最大值為0.11%，最小值為0.07%。

對(duì)比上述鑄鐵、煤、砂巖3種脆性材料的試驗(yàn)力學(xué)性能可知：① 煤與砂巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線是上凹的微彎曲線。而鑄鐵只在加載開始階段為上凹的微彎曲線，之后轉(zhuǎn)為上凸的微彎曲線。② 隨著加載速率的變化，鑄鐵、煤的抗壓強(qiáng)度與各自的壓縮率有相同的變化趨勢(shì)，即隨著加載速率的增加，鑄鐵呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，而煤則呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。③ 作為金屬脆性材料，鑄鐵的最高抗壓強(qiáng)度是煤樣的近15倍，而煤樣的最大壓縮率是鑄鐵的近28倍；④ 相同的加載速率下砂巖的抗壓強(qiáng)度大于煤，而兩者的壓縮率相差不大。

4 結(jié) 語(yǔ)

分別以鑄鐵及煤、巖為代表，研究了金屬及非金屬脆性材料在不同加載速率下的力學(xué)性能，由應(yīng)力-應(yīng)變曲線提取力學(xué)特征參數(shù)，得到了不同加載速率下的單軸抗壓強(qiáng)度及壓縮率的變化特征。鑄鐵、煤的抗壓強(qiáng)度-加載速率曲線與各自的壓縮率-加載速率的變化趨勢(shì)一致，隨著加載速率的增加，鑄鐵的抗壓強(qiáng)度與壓縮率先減小后增加，煤樣的抗壓強(qiáng)度與壓縮率先增加后減小。砂巖試件在試驗(yàn)過程中有一個(gè)試驗(yàn)出現(xiàn)失誤，3個(gè)砂巖試件的抗壓強(qiáng)度隨加載速率的增加而減少。研究表明，加載速率對(duì)脆性材料的力學(xué)性能有很大的影響，在較大的加載速率下煤及砂巖的抗壓強(qiáng)度顯著降低，對(duì)壓縮率的影響相對(duì)較小。根據(jù)3種脆性材料的試驗(yàn)，鑄鐵的剛度最大，其次是砂巖，煤樣的剛度最小。煤樣的塑性最大，其次是砂巖，鑄鐵的塑性最小。