Механических свойств путем вдавливания штампа

Для определения механических свойств в горную породу вдавливается двусторонний клин в виде резца с углом заострения 60⁰.

По глубине лунки, полученной в результате вдавливания такого клина, определяется площадь контакта между породой и индентором, а затем по нагрузке и площади контакта определяется критическое напряжение или (как принято называть) агрегатная твердость породы по следующей формуле:

,

где Р_а - твердость (агрегатная);

Р - нагрузка на резец;

d - глубина лунки;

- длина лезвия резца;

a - угол при вершине.

По этой формуле определяют твердость только высокопластичных пород при внедрении в них индикатора в виде резца.

Наиболее удобной формой индентора является форма цилиндра, т. к. В этом случае не происходит увеличения площади контакта в процессе увеличения нагрузки. При вдавливании цилиндрического штампа возможно определить твердость горных пород, их упругие и пластические характеристики.

ГОСТом 12288 - 66 предусматривается ряд требований, которые необходимо строго соблюдать для получения сопоставимых результатов.

Испытуемые образцы горных пород должны быть высотой 30-50 мм и диаметром 40-60 мм, причем торцевые поверхности должны быть строго параллельно друг другу отшлифованы. Вдавливаемые штампы изготавливаются из качественной стали с последующей термообработкой с целью получения высокой прочности и жесткости.

Эти штампы могут иметь следующий вид и размеры(рис.38).

Величина диаметра рабочей части таких инденторов (d) подбирается в зависимости от твердости испытуемых пород.

При исследовании плотных и однородно пористых пород используются штампы площадью 2 мм², а при исследовании высоко пористых, малопрочных пород - 5 мм² и более.

Рис.38

Цилиндрические штампы

Такие исследования проводятся с помощью автоматического прибора УМГП-3 и УМГП-4, у которых с ростом нагрузки записывается величина внедрения штампа в поверхность испытуемого образца. Прибор УМГП-3 рассчитан на работу в 4 диапазонах нагрузки (0-100, 0-250, 0-500, 0-1000 кгс) с предельной глубиной внедрения 750 мк.

Нагружение при испытаниях ведется до хрупкого разрушения. В результате опыта на при боре записывается график, по виду которого можно определить характер поведения породы при вдавливании в ее поверхность цилиндрического штампа. На рис.39 показаны характерные графики испытания различных пород).

Рис.39

Характерные графики нагрузка-глубина вдавливания штампа для пород:

а - хрупких; б - пластично-хрупких; в - высокопластичных и сильнопористых

Эти три графика определяют три класса горных пород при вдавливании штампа.

Для хрупких пород твердость по штампу определяется по формуле:

,

где Р_р - нагрузка в момент хрупкого разрушения;

S - площадь рабочей поверхности штампа.

Для пластично-хрупких твердость по штампу можно также определить по формуле для хрупких пород. Для этих пород можно определить также предел текучести по формуле:

,

где - предел текучести в кгс/мм² (10⁷ Н/м²).

Пластичностьиспытуемой породы можно определить по формуле:

,

где А_р - работа деформирования до разрушения;

А_у - работа упругого деформирования.

Эти величины определяются графически, т. е.

,

где m - масштаб графика в размерности работы.

Подставить значения А_р и А_у в формулу пластичности К можно записать:

.

Величину К принято еще называть коэффициент пластичности.

Для хрупких пород упругая деформация равна деформации разрушения , а это значит, что пластичность таких пород К = 1.

При исследовании высокопластичных пород и сильно пористых пород по этому методу можно определить только предел текучести . Коэффициент пластичности (К) в этом случае принимается равным бесконечности.

Для области прямой пропорциональности между нагрузкой и глубиной внедрения инденторамодуль деформации при вдавливании определяется по формуле:

,

где С - модуль деформации при вдавливании;

Р - нагрузка на штамп;

d - диаметр штампа;

- погружение штампа (соответствующее изменение нагрузки от нуля до величины Р).

Этот метод вдавливания штампа позволяет также определить одну из важных характеристик горных пород - удельную объемную работу разрушения А_у:

,

где А_р - общая работа до разрушения;

V - объем лунки разрушения в см³.

Объем лунки определяется опытным путем. Лунка заполняется парафином. Затем парафин извлекается из лунки и взвешивается. Далее, объем лунки определяется по формуле:

,

где Q - вес парафина, извлеченного из лунки в г;

r - плотность парафина в г/см³.

Лекция №9