花岗片麻岩物理力学参数的纳米压痕试验研究
作者单位:西安理工大学
学位级别:硕士
导师姓名:党发宁
授予年度:2020年
学科分类:08[工学] 080104[工学-工程力学] 0815[工学-水利工程] 0801[工学-力学(可授工学、理学学位)]
摘 要:纳米压痕试验作为一种材料学中常用的试验方法,被用于薄膜材料、金属材料、晶体材料等的表面力学参数测试中已有近30年历史,具有精度高、操作简单、对材料无损伤等优点。本文将其引入到对秦岭地区花岗片麻岩的力学参数测试中,弥补了传统单轴或三轴压缩试验在某些地区取样困难,解决破坏性试验中试样难以重复利用的问题,为岩石类材料宏观力学参数的获取提供了新的思路。为得到岩石的宏观力学参数弹性模量和泊松比,本文进行了以下工作:首先,使用桥切机、角磨机、砂纸、抛光机等设备,获得符合试验要求的花岗片麻岩试样,将试样放入超声波清洗机中使用无水乙醇清洗,然后使用烤箱恒温50℃进行烘干,以备试验待用。其次,将试样置于纳米压痕仪操作平台上,使用显微镜对其表面进行观察,标定目标区域进行点阵压痕试验,其中一次循环加卸载试验用来确定具体的加卸载参数和研究具体矿物成分的断裂韧性,十次循环加卸载试验用来研究各矿物的弹性模量和硬度随压痕深度的变化关系。接着将试样进行X射线衍射试验分析岩样中矿物组成及比例,进行SEM扫描电镜试验观察各矿物表面压痕详图,分析裂纹的发育规律。然后,对比分析了常用的四种均质化分析方法(即由材料的微观力学性质表征其宏观力学性质的过渡数学关系),最终选择二次均质化方法对试样进行均质化,得到了试样的宏观力学参数。最后,将同一花岗片麻岩块体抽芯取样若干个,进行单轴压缩试验,得到岩石的宏观力学参数,将其结果与纳米压痕试验均质化结果进行对比,分析本文所提方法对岩石力学参数求取的可行性。通过以上工作,得到了下面的结论:(1)纳米压痕试验对试样表面平整度要求高,试样处理的精细程度对试验结果影响较大。(2)最大荷载的大小对试样力学参数的影响较小,而持荷时间和加卸载速率选择不恰当会引起Nose现象,因此,石英和长石的保载时间选择50s,加载速率20gf/s,云母保载时间70s,加载速率10gf/s。(3)三种矿物的平均断裂韧性为,石英长石云母,且石英断裂韧性离散性最小,云母最大,三者的断裂韧性受其力学参数变化的影响不明显。(4)石英的力学性能好,弹性模量和硬度相比长石和云母最大,云母最软,其力学参数值最小且离散性大,原因可能与云母中的孔隙结构有关;石英和长石的弹性模量和硬度呈正相关的关系,线性回归关系较好;云母的而弹性模量和硬度的回归关系不明显,数据离散性极大。(5)石英的弹性模量和硬度随着压痕深度的增加而减小,但压深超过500nm以后其力学参数值基本稳定;长石的力学参数值随着压痕深度增加先迅速降低而后增长,在压痕深度超过1200nm后,基本稳定:云母的力学参数值随着压痕深度的增加而增加,且离散性很大。(6)通过二次均质化方法对花岗片麻岩的宏观力学参数进行推求,与单轴压缩试验结果对比,发现偏差率仅为14.9%,证明本文所提研究方法是可行的。