§ 23. Деформация простых горных пород

Простая горная порода—однокомпонентный поликристаллический агрегат. Главнейшими отличиями его строения по сравнению с моно­кристаллом являются: наличие пор и трещин, разные форма и размеры зерен, различная ориентировка их друг по отношению к другу, при­сутствие минеральных примесей.

Поры и трещины при деформации играют большую роль. Они служат очагами концентрации напряжений. Форма отдельных зе­рен определяет характер контактов между ними, оказывающих существенное влияние на сопротивление сдвигам. Размеры зерен до известной степени определяют характер разрушения агрегата, хрупкий или пластическип. Вследствие различной ориентировки зе­рен плоскости скольжения в них оказываются блокированными соседними зернами с иным расположением плоскостей скольжения. Это создает затруднения свободному развитию сдвигов. Минераль­ные примеси в агрегате могут играть роль межкристаллической прослойки, присутствующей в металлах. Таким образом, эти при­меси могут влиять на время появления интра- и интергранулярных сдвигов.

Все эти отличия при действии внешней нагрузки вносят в ме­ханизм деформации поликристалла многие усложняющие картину особенности. В результате получается, что механические свойства поликристалла не есть простая сумма свойств отдельных его зе­рен. Деформация в отдельных зернах происходит как в монокрис­талле, однако в целом для агрегата картина оказывается резко отличной.

Поликристаллический агрегат оказывает большее сопротивле­ние деформации, чем отдельно взятый кристалл. Вследствие раз­личной ориентировки зерен по отношению к направлению дейст­вующей силы пределы упругости и текучести в каждом из зерен достигаются при нагрузке вообще в разное время. Прежде всего пластически начнут деформироваться те зерна, которые наиболее благоприятно расположены по отношению к действующей силе. При своем стремлении деформироваться они оказывают давление на соседние зерна, встречая с их стороны сопротивление. В резуль­тате каждое зерно, не принадлежащее поверхности образца, ока­зывается в объемном напряженном состоянии. По мере увеличения внешней нагрузки, в процесс пластической деформации будет вклю­чаться все большее число зерен, пока весь агрегат не будет охвачен деформацией. Предел текучести для агрегата в целом бу­дет отвечать пределу текучести тех именно зерен, которые вслед­ствие наиболее неблагоприятной их ориентировки по отношению к направлению действующего \силия последними начали пласти чески деформироваться.

Пластическая деформация начинается в отдельных местах аг­регата по достижении максимальным касательным напряжением оп­ределенной величины. При этом сдвиги могут быть интраграну- лярными (внутри зерен) и интергран> лярными (на границах между зернами). Интрагранулярные сдвиги сопровождаются интергрануляр­ными, приводящими к нарушению „клиновых" соединений зерен Происходит поворот отдельных зерен, так как они скользят дру1 относительно друга, приспособляясь к плоскостям скольжения, ко­торые постепенно поворачиваются, стремясь занять положение, па­раллельное действующей силе, если имеется одна система плоскос­тей, или симметричное последней при наличии нескольких плоскос­тей. При дальнейшем увеличении нагрузки происходят уже груп­повые смещения зерен или, точнее, частей их, полученных в ре- 1ультате интрагранулярных сдвигов. Все это приводит к образованию текстуры, известным образом ориентированной по отношению к направлению действующего усилия. Появление текстуры — типич­ная черта пластической деформации поликристаллического агрега­та. Нужно заметить, что в процессе пластической деформации воз­никает вообще такая текстура, при которой агрегат способен ока­зывать наибольшее сопротивление изменению формы. Это — общий принцип, который до известной степени оправдывается на опыте [9]. Характер текстуры зависит от природы зерен и вида деформации.

При действии внешней силы поры и трещины в образце являют­ся, как уже отмечалось, очагами концентрации напряжений. Эти

1 уЩ/0 W " " -- ЧТТ< ~ "ГГГ —i liyjPTI'WV'^ "" ' VTW^H !■ : г—"

последние для точек вблизи пор могут достигать или даже пре­вышать значение предела текучести, в то время как подальше от пор они могут быть значительно меньшими. Здесь основное зна­чение приобретает способность данного агрегата деформироваться хрупко или пластически. В первом случае поры и трещины при увеличении внешней силы способствуют более быстрому разруше­нию агрегата, так как возле них сравнительно быстро достигается предел прочности. Однако если агрегат способен деформироваться пластически, то картина меняется. Местная концентрация напряже­ний усиливает неоднородность напряженного состояния. В наиболее напряженных участках предел текучести несколько повышается зт с (ет поддержки менее напряженных участков. При увеличении нагрузки этот предел будет превзойден, и тогда начнется местная пластическая деформация. В результате предшествовавшая картина концентрации напряжений сменяется картиной постепенного вырав­нивания напряжений, коюрое распространяется на все большие об­ласти, пока весь образец не будет охвачен пластической деформа­цией. Она сопровождается упрочнением [29].

Крупнозернистые агре аты при деформации обнаруживают склон­ность к хрупкому разрушению. С уме: ьшением величины зерен увеличиваю 1ся все со ротивления деформации. Первоначальная часть кривой деформации оказывайся повышенной. Предел упру­гости знтчительн j изменяется. Впрочем, это имеет место до неко­торого предела [9].

Мелкозернистые агрегаты с наибольшим основанием могут счи­сться квазизо!ропными. При их деформации на поверхности об­разцов появляются две системы следов групповых сдвигов. Они образуют с направлением действующей силы углы, близкие к 45°, и напоминают соб ,ю траекто ии максимальных скалывающих напря­жений. Однако, в отличие от этих последних, эти системы следов не ортогональны. При растяжении угол между ними несколько больше ⁽Ю°, а при сжатии — он меньше 90°. Это объясняется трением, воз­никающим в плоскостях скольжения.

Описанная схема деформации и ее подробности установлены для металлов и некоторых минеральных поликристаллов (каменная соль). Очевидно, что эта схема во многом может быть приложена и к простым ,-горным породам, отличающимся чистотою минераль­ного состава.