3.2. Релаксация и ползучесть

Если деформировать твердое тело на некоторую величину и оставить его в напряженном состоянии в течение длительного времени так, чтобы величина деформации не изменялась, то напряжения внутри тела самопроизвольно уменьшатся (рассосутся). Это явление называется релаксацией напряжений.

В тех случаях, когда на твердое тело нагрузка действует длительное время, наблюдается постепенное увеличение деформации. Это явление называется ползучестью.

Явления релаксации напряжений и ползучести в настоящее время могут быть объяснены с точки зрения несовершенства кристаллической структуры твердого тела. Выше отмечалась легкая подвижность дефектов кристаллической структуры. Деформированное тело обладает определенным избытком потенциальной энергии. Эта энергия является источником движения дислокаций и постепенной перестройки внутренней структуры тела в сторону понижения ее потенциальной энергии. Последнее проявляется при неизменной деформации как рассасывание напряжений (релаксация), а при неизменной нагрузке – как ползучесть. В реальных условиях деформирования релаксация напряжений и ползучесть чаще всего проявляются одновременно и могут быть рассмотрены как проявление вязких свойств твердых тел.

3.3. Усталостное разрушение твердых тел

Наблюдения показывают, что при циклическом изменении напряженного состояния тела разрушаются в результате нагрузки значительно меньшей разрушающей, определенной при однократном деформировании. Такое явление называется усталостью материала твердого тела. Причем, с увеличением числа

циклов величина разрушающей нагрузки монотонно уменьшается. В качестве характеристики сопротивления материала усталостному разрушению в машиностроении принимают величину напряжений, при которых материал выдерживает 107 циклов нагружении.

Явления усталости материала твердых тел также могут быть объяснены несовершенством кристаллического строения твердых тел. Непрерывно, от цикла к циклу, происходит накопление внутренних изменений в структуре вследствие движения дислокаций и их взаимодействия с другими дефектамиструктуры. Упорядоченное движение дислокаций приводит к их скоплению

границ зерен и других дефектов структуры, что вызывает значительные местные концентрации напряжений, а, следовательно, и снижение сопротивления твердого тела разрушению.

4 . ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ЗАКОНЫ РАЗРУШЕНИЯ ХРУПКИХ

ТЕЛ

В основу определения расхода энергии на дробление (диспергирование) твердых тел положены энергетические законы разрушения Риттенгера и Кирпичева [4].

По закону Риттингера (1867 г.) ≪работа, затраченная при дроблении, пропорциональна вновь полученной (обнаженной) поверхности измельченного материалаили степени измельчения≫.

По закону Кирпичева (1874 г.) ≪работа, затраченная для одинакового изменения формы геометрически подобных и однородных тел, изменяются как объемы или веса этих тел≫. Этот закон иногда называют законом подобия и формулируют другими словами: энергия затрачиваемая на дробление геометрически

подобных тел при одинаковом напряженном состоянии, пропорциональна объемам разрушаемых тел.

По этим законам предполагается, что при механическом разрушении физическая природа тел остается неизменной и разрушаемые тела структурно однородные.

П.А. Ребиндер предложил пользоваться единым законом дробления, исходя из того, что вся работа дробления А складывается из работы Ау, затрачиваемой на деформирование дробимого тела, которая определяется по закону Кирпичева, и работы А5, расходуемой на образование новой поверхности и определяемой по закону Риттенгера, т.е.

А = А5 + АУ

Решающее влияние на затраты энергии в процессе разрушения оказывает дисперсность (величина, обратная линейным размерам тела) продуктов разрушения.

Это связано с тем, что площадь вновь образуемых поверхностей при каждой последующей стадии дробления увеличивается по сравнению с предыдущей,а суммарная работа по закону Риттенгера с увеличением дисперсности растет по степенному закону. Если же исходить из закона подобия, то зависимость работы разрушения от дисперсности продуктов разрушения будет линейной, так как объем тела при каждой стадии дробления и работа разрушения будутпостоянными, а суммарная работа до заданной дисперсности будет равна произведению постоянной величины работы на число стадий дробления.

В случае дробления тела больших размеров, т.е. при малой дисперсности,затраты работы по закону подобия будут большими, чем по закону Риттенгера.

Точка А пересечения кривых на рис. 6. Соответствует размеру частиц 0,5-1,0 мм.

В связи с этим Л.А. Шрейнер [5] показал, что в случае использования закона подобия необходимо учитывать масштабный фактор, т.е. необходимо учитывать увеличение прочности тела при уменьшении его линейных размеров.__

По размерам частиц, образующихся в процессе бурения скважин, можно судить об эффективности разрушения горных пород различным породоразру- шающим инструментом для различных режимов его работы. Так, если во время бурения в продуктах разрушения горных пород преобладает мелкая фракция,

то, очевидно, с энергетической точки зрения процесс разрушения будет малоэффективный,поскольку в этом случае большое количество энергии затрачивается на образование новой поверхности, которая в продуктах разрушения будетогромной. Мелкие фракции продуктов разрушения горных пород в процессе

бурения создают дополнительные трудности, засоряя промывочные жидкости и изменяя их свойства.

Полностью избежать получения мелких и весьма мелких фракций при бурении невозможно, так как их образование является закономерным следствием самого процесса разрушения горных пород. Однако, с энергетической точки зрения следует стремиться к тому, чтобы количество мелких фракций, в продуктах разрушения горных пород при бурении скважин было минимальным.

7