脆性材料單軸壓縮力學特性的加載速率效應

唐宇昊，李順才,，Слатин Вадим Иосифович，喻 秋

(1.江蘇師范大學 a.江蘇圣理工學院；b.機電學院，江蘇 徐州 221116；2.圣彼得堡彼得大帝理工大學 先進制造技術學院，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度低、塑性性能差，但抗壓強度好、價格低廉等特征，因而在工程實際中作為抗壓材料廣泛應用。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；煤、砂巖是沉積巖，煤體內部含有大量的裂隙、孔隙、層理等諸多缺陷，因而具有均質性較差、加工困難、離散性大等特點；砂巖主要由各種砂粒膠結而成，結構較穩定。加載速率、材料非均質性及加工工藝、溫度等因素影響脆性材料的力學特性，趙宏剛等[1]通過加卸載試驗研究了不同加卸載速率下原煤的力學特性和滲透演化規律。李海濤等[2]研究了加載速率變化對介質力學行為的影響，提出現場條件下低卸載速率配合均勻弱化介質的手段保證高強度生產的安全。徐小麗等[3]考慮溫度、加載速率對花崗巖力學性質及破壞方式的影響，利用電液伺服材料試驗系統對巖樣進行不同加載速率作用下的單軸壓縮試驗。許金余等[4]對經歷不同高溫后的大理巖進行不同加載速率下的沖擊壓縮試驗，研究了峰值應力、峰值應變、彈性模量與加載速率的關系。孟召平等[5]研究了煤巖物理力學性質和煤巖全應力-應變過程中的滲透規律。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特征、不同起始應力點卸軸壓時的力學特性。張澤天等[7]對煤和巖的3種組合方式進行了單軸壓縮和三軸壓縮試驗；段進超等[8]在單軸壓縮條件下對含單孔和雙孔脆性材料破壞過程進行數值模擬，得到了非均勻性是巖石類脆性材料發生局部破裂的根本原因。李小軍[9]通過數值模擬研究了加載速率對煤巖損傷及聲發射特征影響；王春光等[10]通過原煤不同溫度-應力條件下的試驗研究，得到煤樣的單軸抗壓強度以及彈性模量隨著環境溫度上升而下降。李同林等[11]通過煤巖力學性質測試，研究了煤巖的脆性斷裂過程。李彥偉等[12]研究了煤單軸抗壓強度特性的加載速率效應；沈喜榮等[13]研究了水對煤樣的力學特性及聲電特性的影響，表明水對煤樣具有降低強度、增加塑性，使聲電信號衰減的作用；馮昆榮等[14]基于應力理論以及莫爾強度理論，分析試樣在均勻軸向受壓和非均勻軸向受壓時的受力狀態，討論了鑄鐵受壓時的破壞方向和破壞原因。韓文年等[15]采用空心圓柱、兩端內凹的圓錐形鑄鐵試件進行了壓縮實驗，研究了試件端面摩擦力對試件破壞斷口的影響，并分析其破壞原因。李克安等[16]研究目前灰鑄鐵強度分析方法和強度條件計算式的缺陷和不足之處，得到了更準確、更符合工程實際的強度條件。薛福林等[17]通過灰鑄鐵試件的均勻軸向壓縮實驗，得到了斷口與試件軸線夾角在43°左右的結論。

目前，關于加載速率對巖石力學特性影響的成果較多，但鑄鐵及煤力學特性關于加載速率效應的研究成果很少。本文利用材料試驗機對鑄鐵、煤和砂巖3種脆性材料進行不同加載速率下的單軸壓縮實驗，通過分析3種脆性材料的應力-應變曲線及抗壓強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特性的加載速率效應。

1 試驗設備及試樣

鑄鐵壓縮試驗設備為長春科新微機控制三軸試驗機SAM-2000，該試驗機可進行單軸、三軸、劈裂、剪切及滲透試驗，最大軸力2 MN。煤巖壓縮設備為力爾牌DLNKJ-150-500型電子材料功能試驗機，最大軸力150 kN。

(a) SAM-2000三軸試驗機(b) 電子材料功能試驗機

圖1 試驗設備

(a) 鑄鐵(b) 煤(c) 砂巖

圖2 脆性材料試樣

2 試驗方案及試驗步驟

各試樣的加載速率v如表2所示。主要試驗步驟如下：

(1)測量試件尺寸，稱取質量并記錄。

(2)將試件放置在電子試驗機的承壓板中心，使試件兩端面接觸平穩。

(3)材料試驗機首先對力清零，并啟動材料電子試驗機。輸入材料參數，設置軸向壓力和軸向位移。將試驗機壓頭相對快速下降，在即將接觸到試件時停止。按設定的加載方案對試件加載，直到試件被壓縮破壞。

(4)試驗結束后關閉材料試驗機，拼接試樣，量取破壞后尺寸，對試驗數據進行分析比較。

表2 各試樣加載速率

3 試驗結果及分析

3.1 煤樣單軸壓縮力學特性

不同加載速率下煤樣的應力-應變曲線如圖3所示。煤樣的應力應變曲線在峰值前是一條微彎的曲線，近似直線分布。可細分為4個階段：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定發展階段;③CD段為非穩定破裂發展階段;④ 峰值碎裂后階段(由于施加壓縮載荷的壓力試驗機的剛度不夠大，此階段信息未采集)。

圖3 煤樣的應力-應變曲線

根據采集的力及變形數據，可得到煤樣的力學性能參數如表3所示。其中Fb、σb、φ分別為最大壓力、抗壓強度、壓縮率。由表3得到不同加載速率下煤樣的抗壓強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，各煤樣的抗壓強度總體呈現先增大后減小的趨勢，最大值為33.56 MPa，最小值為6.25 MPa。同時煤樣試件的壓縮率最大值達到了3.01%，最小值達到了1.91%，總體呈現先增大后減小的趨勢。

表3 煤樣的力學性能參數

圖4 不同加載速率下煤樣抗壓強度與壓縮率變化曲線

3.2 砂巖單軸壓縮力學特性

砂巖試件的應力-應變曲線如圖5所示。同理，可得到砂巖試樣的力學性能參數如表4所示。由表4可見，隨著加載速率增加，砂巖抗壓強度減小，而壓縮率先增加后減小。出現這種現象可能是因為砂巖試件內部的微裂紋或節理面的寬度不同，從而在不同加載速率的條件下，對應的抗壓強度和壓縮率出現不同程度的差異。

圖5 砂巖試樣的應力-應變曲線

3.3 鑄鐵單軸壓縮力學特性

不同加載速率下鑄鐵試樣的應力-應變曲線如圖6所示，因為鑄鐵抗壓強度高，DLNKJ-150-500型電子材料功能試驗機的最大軸力不能滿足鑄鐵壓縮試驗要求，故采用巖石三軸試驗機SAM-2000加載，因為采樣頻率高，圖6中數據點太密集。

圖6 4個鑄鐵試樣的應力-應變曲線

根據采集的力及變形數據，可得到鑄鐵的力學性能參數如表5所示。由表5得到不同加載速率下鑄鐵的抗壓強度及壓縮率的變化曲線如圖7所示。

表5 鑄鐵力學性能參數

圖7 鑄鐵不同加載速率下的抗壓強度與壓縮率變化曲線

由圖7可知，鑄鐵的抗壓強度及壓縮率隨加載速率的變化趨勢一致。隨著加載速率的增加，鑄鐵的抗壓強度和壓縮率出現先減小后增加的趨勢。鑄鐵的抗壓強度最大值達到471 MPa，最小值為349.13 MPa，壓縮率最大值為0.11%，最小值為0.07%。

對比上述鑄鐵、煤、砂巖3種脆性材料的試驗力學性能可知：① 煤與砂巖的應力-應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、煤的抗壓強度與各自的壓縮率有相同的變化趨勢，即隨著加載速率的增加，鑄鐵呈現先減小后增加的趨勢，而煤則呈現先增加后減小的趨勢。③ 作為金屬脆性材料，鑄鐵的最高抗壓強度是煤樣的近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度大于煤，而兩者的壓縮率相差不大。

4 結 語

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性能，由應力-應變曲線提取力學特征參數，得到了不同加載速率下的單軸抗壓強度及壓縮率的變化特征。鑄鐵、煤的抗壓強度-加載速率曲線與各自的壓縮率-加載速率的變化趨勢一致，隨著加載速率的增加，鑄鐵的抗壓強度與壓縮率先減小后增加，煤樣的抗壓強度與壓縮率先增加后減小。砂巖試件在試驗過程中有一個試驗出現失誤，3個砂巖試件的抗壓強度隨加載速率的增加而減少。研究表明，加載速率對脆性材料的力學性能有很大的影響，在較大的加載速率下煤及砂巖的抗壓強度顯著降低，對壓縮率的影響相對較小。根據3種脆性材料的試驗，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。