脆性材料单轴压缩力学特性的加载速率效应

唐宇昊，李顺才,，Слатин Вадим Иосифович，喻 秋

(1.江苏师范大学 a.江苏圣理工学院；b.机电学院，江苏 徐州 221116；2.圣彼得堡彼得大帝理工大学 先进制造技术学院，圣彼得堡 195251)

0 引 言

脆性材料一般是指在拉伸、冲击等外力作用下产生很小变形(延伸率小于5%)，即破坏断裂的材料。脆性材料具有抗拉强度低、塑性性能差，但抗压强度好、价格低廉等特征，因而在工程实际中作为抗压材料广泛应用。铸铁、煤和砂岩是工程中常用的脆性材料，铸铁是含碳量大于2%的铁碳合金，具有性能较脆、韧性较低的特点；煤、砂岩是沉积岩，煤体内部含有大量的裂隙、孔隙、层理等诸多缺陷，因而具有均质性较差、加工困难、离散性大等特点；砂岩主要由各种砂粒胶结而成，结构较稳定。加载速率、材料非均质性及加工工艺、温度等因素影响脆性材料的力学特性，赵宏刚等[1]通过加卸载试验研究了不同加卸载速率下原煤的力学特性和渗透演化规律。李海涛等[2]研究了加载速率变化对介质力学行为的影响，提出现场条件下低卸载速率配合均匀弱化介质的手段保证高强度生产的安全。徐小丽等[3]考虑温度、加载速率对花岗岩力学性质及破坏方式的影响，利用电液伺服材料试验系统对岩样进行不同加载速率作用下的单轴压缩试验。许金余等[4]对经历不同高温后的大理岩进行不同加载速率下的冲击压缩试验，研究了峰值应力、峰值应变、弹性模量与加载速率的关系。孟召平等[5]研究了煤岩物理力学性质和煤岩全应力-应变过程中的渗透规律。赵洪宝等[6]研究了型煤在一定围压和瓦斯压力下的三轴压缩力学特征、不同起始应力点卸轴压时的力学特性。张泽天等[7]对煤和岩的3种组合方式进行了单轴压缩和三轴压缩试验；段进超等[8]在单轴压缩条件下对含单孔和双孔脆性材料破坏过程进行数值模拟，得到了非均匀性是岩石类脆性材料发生局部破裂的根本原因。李小军[9]通过数值模拟研究了加载速率对煤岩损伤及声发射特征影响；王春光等[10]通过原煤不同温度-应力条件下的试验研究，得到煤样的单轴抗压强度以及弹性模量随着环境温度上升而下降。李同林等[11]通过煤岩力学性质测试，研究了煤岩的脆性断裂过程。李彦伟等[12]研究了煤单轴抗压强度特性的加载速率效应；沈喜荣等[13]研究了水对煤样的力学特性及声电特性的影响，表明水对煤样具有降低强度、增加塑性，使声电信号衰减的作用；冯昆荣等[14]基于应力理论以及莫尔强度理论，分析试样在均匀轴向受压和非均匀轴向受压时的受力状态，讨论了铸铁受压时的破坏方向和破坏原因。韩文年等[15]采用空心圆柱、两端内凹的圆锥形铸铁试件进行了压缩实验，研究了试件端面摩擦力对试件破坏断口的影响，并分析其破坏原因。李克安等[16]研究目前灰铸铁强度分析方法和强度条件计算式的缺陷和不足之处，得到了更准确、更符合工程实际的强度条件。薛福林等[17]通过灰铸铁试件的均匀轴向压缩实验，得到了断口与试件轴线夹角在43°左右的结论。

目前，关于加载速率对岩石力学特性影响的成果较多，但铸铁及煤力学特性关于加载速率效应的研究成果很少。本文利用材料试验机对铸铁、煤和砂岩3种脆性材料进行不同加载速率下的单轴压缩实验，通过分析3种脆性材料的应力-应变曲线及抗压强度和压缩率的变化曲线，探究不同脆性材料在破裂过程中力学特性的加载速率效应。

1 试验设备及试样

铸铁压缩试验设备为长春科新微机控制三轴试验机SAM-2000，该试验机可进行单轴、三轴、劈裂、剪切及渗透试验，最大轴力2 MN。煤岩压缩设备为力尔牌DLNKJ-150-500型电子材料功能试验机，最大轴力150 kN。

(a) SAM-2000三轴试验机(b) 电子材料功能试验机

图1 试验设备

(a) 铸铁(b) 煤(c) 砂岩

图2 脆性材料试样

2 试验方案及试验步骤

各试样的加载速率v如表2所示。主要试验步骤如下：

(1)测量试件尺寸，称取质量并记录。

(2)将试件放置在电子试验机的承压板中心，使试件两端面接触平稳。

(3)材料试验机首先对力清零，并启动材料电子试验机。输入材料参数，设置轴向压力和轴向位移。将试验机压头相对快速下降，在即将接触到试件时停止。按设定的加载方案对试件加载，直到试件被压缩破坏。

(4)试验结束后关闭材料试验机，拼接试样，量取破坏后尺寸，对试验数据进行分析比较。

表2 各试样加载速率

3 试验结果及分析

3.1 煤样单轴压缩力学特性

不同加载速率下煤样的应力-应变曲线如图3所示。煤样的应力应变曲线在峰值前是一条微弯的曲线，近似直线分布。可细分为4个阶段：①OA段为孔隙裂隙压密阶段;②AC段为弹性变形到微弹性裂隙稳定发展阶段;③CD段为非稳定破裂发展阶段;④ 峰值碎裂后阶段(由于施加压缩载荷的压力试验机的刚度不够大，此阶段信息未采集)。

图3 煤样的应力-应变曲线

根据采集的力及变形数据，可得到煤样的力学性能参数如表3所示。其中Fb、σb、φ分别为最大压力、抗压强度、压缩率。由表3得到不同加载速率下煤样的抗压强度及压缩率的变化曲线如图4所示。由图4可知，随着加载速率的增加，各煤样的抗压强度总体呈现先增大后减小的趋势，最大值为33.56 MPa，最小值为6.25 MPa。同时煤样试件的压缩率最大值达到了3.01%，最小值达到了1.91%，总体呈现先增大后减小的趋势。

表3 煤样的力学性能参数

图4 不同加载速率下煤样抗压强度与压缩率变化曲线

3.2 砂岩单轴压缩力学特性

砂岩试件的应力-应变曲线如图5所示。同理，可得到砂岩试样的力学性能参数如表4所示。由表4可见，随着加载速率增加，砂岩抗压强度减小，而压缩率先增加后减小。出现这种现象可能是因为砂岩试件内部的微裂纹或节理面的宽度不同，从而在不同加载速率的条件下，对应的抗压强度和压缩率出现不同程度的差异。

图5 砂岩试样的应力-应变曲线

3.3 铸铁单轴压缩力学特性

不同加载速率下铸铁试样的应力-应变曲线如图6所示，因为铸铁抗压强度高，DLNKJ-150-500型电子材料功能试验机的最大轴力不能满足铸铁压缩试验要求，故采用岩石三轴试验机SAM-2000加载，因为采样频率高，图6中数据点太密集。

图6 4个铸铁试样的应力-应变曲线

根据采集的力及变形数据，可得到铸铁的力学性能参数如表5所示。由表5得到不同加载速率下铸铁的抗压强度及压缩率的变化曲线如图7所示。

表5 铸铁力学性能参数

图7 铸铁不同加载速率下的抗压强度与压缩率变化曲线

由图7可知，铸铁的抗压强度及压缩率随加载速率的变化趋势一致。随着加载速率的增加，铸铁的抗压强度和压缩率出现先减小后增加的趋势。铸铁的抗压强度最大值达到471 MPa，最小值为349.13 MPa，压缩率最大值为0.11%，最小值为0.07%。

对比上述铸铁、煤、砂岩3种脆性材料的试验力学性能可知：① 煤与砂岩的应力-应变曲线是上凹的微弯曲线。而铸铁只在加载开始阶段为上凹的微弯曲线，之后转为上凸的微弯曲线。② 随着加载速率的变化，铸铁、煤的抗压强度与各自的压缩率有相同的变化趋势，即随着加载速率的增加，铸铁呈现先减小后增加的趋势，而煤则呈现先增加后减小的趋势。③ 作为金属脆性材料，铸铁的最高抗压强度是煤样的近15倍，而煤样的最大压缩率是铸铁的近28倍；④ 相同的加载速率下砂岩的抗压强度大于煤，而两者的压缩率相差不大。

4 结 语

分别以铸铁及煤、岩为代表，研究了金属及非金属脆性材料在不同加载速率下的力学性能，由应力-应变曲线提取力学特征参数，得到了不同加载速率下的单轴抗压强度及压缩率的变化特征。铸铁、煤的抗压强度-加载速率曲线与各自的压缩率-加载速率的变化趋势一致，随着加载速率的增加，铸铁的抗压强度与压缩率先减小后增加，煤样的抗压强度与压缩率先增加后减小。砂岩试件在试验过程中有一个试验出现失误，3个砂岩试件的抗压强度随加载速率的增加而减少。研究表明，加载速率对脆性材料的力学性能有很大的影响，在较大的加载速率下煤及砂岩的抗压强度显著降低，对压缩率的影响相对较小。根据3种脆性材料的试验，铸铁的刚度最大，其次是砂岩，煤样的刚度最小。煤样的塑性最大，其次是砂岩，铸铁的塑性最小。