Релаксация и ползучесть

Если деформированное тело оставить в напряженном состоянии в течение длительного времени, то напряжение внутри тела самопроизвольно уменьшается. Это явление называется релаксацией напряжений.

Если наблюдается увеличение деформации при длительном действии нагрузки, то такое явление называется ползучестью.Изменение ползучести во времени показано на графике (рис.6), где: АВ - неустановившаяся ползучесть; ВС - установившаяся ползучесть; СД - разрушение. Явления релаксации напряжений и ползучести в настоящее время могут быть объяснены с точки зрения несовершенства кристаллической структуры твердого тела.

. Рис.6 Изменение ползучести во времени.

В реальных условиях деформирования релаксация напряжений и ползучесть чаще всего проявляются одновременно и могут быть рассмотрены как проявление вязких свойств твердых тел. Как математически описать явление ползучести? Если к моменту времени t=0 тело не деформировано, а затем приложено постоянное напряжение t₀, то общая величина деформации определится по формуле

,

G - модуль деформации при сдвиге;

h - коэффициент вязкости;

t - время;

(градиент касательных напряжений).

В механике горных пород существует такое понятие, как усталостное разрушение горных пород. Усталостное разрушение горных пород происходит при циклическом изменении напряженного состояния в результате нагрузки, значительно меньшей разрушающей, определенной при однократном деформировании. Отмечается также, что с увеличением циклов величина разрушающей нагрузки монотонно уменьшается. В качестве критерия, определяющего сопротивления усталостному разрушению, в машиностроении принимают величину напряжений, при которых материал выдерживает 10⁷ циклов нагружения. Типовая усталостная кривая для металлов выглядит так (рис.7):

Рис.7

Типовая усталостная кривая для металлов

Число 10⁷ ¸10⁸ циклов называется базой испытаний.

Точка кривой, при которой материал разрушается с одного нагружения соответствует пределу прочности (точка 1). В точках s_z не происходит разрушения при базовых испытаниях. Эта линия будет асимптотой, к которой кривая стремится в пределе. Напряжение s_z называется пределом усталости или пределом выносливости (точка 2).

Если задать ограниченный срок службы детали, к примеру, долота (предположим 10000 циклов), то напряжение s_zв, соответствующее данному числу циклов, называется ограниченным пределом выносливости (точка 2). Это кривая для металлов. Для горных пород такая кривая будет представлять левую часть графика, составляющего 15-20 циклов нагружения (ударов).

При разбуривании пород некоторыми видами породоразрушающих инструментов происходит усталостно - объемное разрушение. По характеру разрушения, учитывая многократность ударов до разрушения) - усталостное, а по виду разрушенных обломков (большие куски) - объемное.

Усталостное разрушение горных пород можно объяснить несовершенством их кристаллического строения. От цикла к циклу происходит накопление внутренних изменений, в итоге вызывающих значительные местные концентрации напряжений, следовательно, и снижение сопротивление твердого тела разрушению.