2.1.3. Понижение прочности твердых тел физико-химическими методами

В 1928 году академиком П.А. Ребиндером был установлен научный факт адсорбционного понижения прочности твердых тел вследствие уменьшения

поверхностной энергии, являющейся результатом физических или химических процессов на поверхности твердых тел (на поверхности трещин) [25, 37]. При этом происходит изменение механических свойств тела, приводящее к снижению прочности, возникновению хрупкости, уменьшению долговечности, понижению пластичности и т.д.

В зазоре трещины в породе жидкость образует адсорбционный слой, на который действует давление в направлении дальнейшего продвижения в глубину микротрещины, способствуя, таким образом, её развитию, а значит разрушению породы (рис. 2.3).

• Адсорбция – (лат. ad – на, sorbeo – поглощаю) – поглощение веществ из растворов или газов на поверхности твердого тела или жидкости.

Проникновение адсорбирующих молекул 1 в устье микрощелей нейтрализует работу сил сцепления молекул разрушаемого тела 2 и создает раздвигающие усилия. Этот эффект вызывает возрастание величины деформации в упругих телах или скорости деформации в телах упруго-пластичных.

Если обозначить А – работу адсорбционных сил жидкости, С – работу сил сцепления в породе, Е – работу внешних сил деформирующих тело, то максимальный эффект адсорбционного понижения прочности разрушаемого тела будет, если А+Е > С, что приведет к увеличению размеров трещин и дополнительному разрушению тела.

Адсорбционный слой жидкости, проникая в трещину, вызывает также давление, которое называется капиллярным. Это давление равно понижению поверхностного натяжения на границе сред: порода – адсорбирующая жидкость:

, (2.6)

где t – ширина трещины;

θ – краевой угол на контакте породы и жидкости.

По некоторым оценкам, капиллярное давление может достигать сотен, тысяч атмосфер, что создает дополнительное раздвигающее усилие при проникновении адсорбирующихся молекул в устье микрощелей. Капиллярное давление приводит к возрастанию величины деформации в упругих телах или скорости деформации в телах упруго-пластичных.

Осуществив проникновение в микрощели, адсорбционные слои замедляют смыкание микрощелей или приводят к уменьшению упругой деформации после разгрузки деформированного тела.

Третьим важным элементом влияния адсорбирующих на поверхности трещин молекул жидкости является их действие на зону пластических деформаций у вершины трещины 3 (рис. 2.3). Рост трещины и скорость её роста сдерживаются пластическим течением материала в этой области. Адсорбирующиеся молекулы, при условии проникновения в эту зону, обеспечивают воздействие, результатом которого становится охрупчивание материала, находящегося в процессе пластического течения. Это оказывает очень значительное влияние на интенсификацию процесса разрушения твердых тел, т.к., следуя данным табл. 2.1, основные затраты энергии разрушения твердого тела связаны именно с зоной пластических деформаций.

Проблемой в данном случае является реализация условий проникновения молекул жидкости в микрощели, размер которых не превышает размер молекул жидкости.

Для этой цели успешно применяют жидкости с пониженным поверхностным натяжением – поверхностно-активные вещества (ПАВ). В качестве таковых могут применяться керосин (применяют при металлообработке резанием) или водные растворы с добавками таких реагентов как сульфонол (применяют при бурении).

Эффект адсорбционного понижения прочности твердых тел усиливается при уменьшении скорости деформации, что связано с тем, насколько полно пропитывается зона разрушения и деформации. Наибольший эффект адсорбции достигается при оптимальных условиях деформации, т.е. при таких условиях, когда образование внутренних поверхностей микрощелей происходит наиболее полно.

Д ля интенсификации процесса пропитывания зоны трещинообразования в породе эффективно применение ультразвука, вызывающего гидровибрирование молекул жидкости и повышение их подвижности. Испытания разработанных ТулНИГП виброактивных алмазных коронок показало перспективность применения ультразвука для интенсификации процесса разрушения горных пород [6].

Исследование свойств метал-лических материалов показало, что активно влиять на процесс пластической деформации, кроме силовых и температурных полей, агрессивных сред, могут еще внешние электрические и магнитные поля. При этом выявлено, что эти поля оказывают влияние на дислокационный процесс пластической деформации не только магнитных материалов, но и немагнитных. В этом случае происходит взаимодействие внешних полей с электромагнитным полем реальной кристаллической решетки в области пластической деформации (зона 3 на рис. 2.3). Эффект влияния полей на ползучесть показывает, что в случае присутствия полей начальный участок кривой прироста деформации во времени характеризуется большей величиной пластической деформации (рис. 2.4), что сопровождается уменьшением времени до разрушения.

Еще большее влияние на механические свойства оказывают переменные магнитные и электрические поля, а также переменный ток с частотой 50 Гц. Заметное проявление эффекта электрического и магнитного влияния происходит лишь при наличии пластической деформации, очевидно, потому, что в этой зоне разрушаемый материал максимально активирован пластическими деформационными процессами.

Для представления о скорости роста трещины в различных материалах интересны следующие данные.

В хрупком металле трещина на докритической стадии процесса разрушения движется со скоростью порядка 1 мм/час. После достижения критического размера за 0,001 секунды скорость трещины увеличивается до 10 000 км/час! Трещина в стекле летит примерно в 2 раза быстрее пистолетной пули, т.е. 1,5 км/c. Самую же большую скорость трещина способна развить в алмазе – почти 8 км/с. Как показали исследования, скорость трещины зависит от упругих свойств материала, в том числе от скорости распространения в нем звука. Она составляет обычно 0,3-0,7 от скорости звука в данном материале.

Скорость звука в материале определяется зависимостью:

, (2.7)

где Е, ρ – модуль упругости (Па) и плотность материала (кг/м³) .

Таким образом, скорость развития трещины в материале может достигать величины равной 0,3-0,7 . Значительный разброс коэффициента определяется влиянием дефектов на распространение трещины.

Наблюдения показали [23], что при достижении трещиной максимальной скорости роста она разветвляется, а скорость роста трещины падает. После этого скорость роста трещины может снизиться или рост может вовсе прекратиться, но может вновь возрасти до максимального значения с последующим ветвлением. Таким образом, процесс распространения трещины имеет циклы ускорения, ветвления и замедления, повторного ускорения и нового ветвления и т.д. Падение скорости трещины после ветвления объясняется увеличением поглощения разветвившимися трещинами энергии упругой и пластической деформации вследствие увеличения поверхности трещин и соответственно поверхностной энергии.

Наблюдения за развитием трещин показали, что неоднородности и дефекты, встречающиеся в породе в виде границ минеральных зерен и трещин, изменяют траекторию трещины. При этом получаются мелкие, замыкающиеся на главную магистральную трещину ответвления. Ветвление трещин требует большой концентрации энергии в разрушаемой породе, поэтому при разрушении породы при бурении ветвление трещин приводит к снижению производительности бурения и повышению энергоемкости разрушения.

Для устранения ветвления следует строить процесс разрушения породы на забое так, чтобы в породе создавались преимущественно растягивающие напряжения, сопротивляемость которым у горных пород минимальна.