ارزیابی روش دندانه‌گذاری در تعیین چقرمگی شکست سنگ

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 1. آزمایشگاه تحقیقاتی خستگی و شکست، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران

2 آزمایشگاه تحقیقاتی خستگی و شکست، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران

چکیده

چقرمگی شکست سنگ یکی از پارامترهای مکانیکی مهم در برخی از کاربردهای مربوط به توده­های سنگی مانند فرآیند شکست در سنگ، فرآیند شکست هیدرولیکی، طراحی و ساخت ماشین‌آلات حفاری می‌باشد. با این وجود برای اندازه‌گیری این پارامتر روش‌های آزمایشگاهی مختلفی وجود دارد. یکی از روش‌های آزمایشگاهی ارائه شده در این زمینه، روش دندانه‌گذاری می‌باشد. در این تحقیق، در ابتدا رفتارچند سنگ مختلف از نظر نوع و اندازه دانه‌بندی، در آزمایش دندانه‌گذاری بررسی شده و در ادامه عملی بودن این روش در تعیین چقرمگی شکست آن­ها ارزیابی می­شود. با توجه به نتایج بدست آمده می‌توان گفت که سنگ‌ها در آزمایش دندانه‌گذاری رفتار دوگانه‌ای را از خود نشان می‌دهد. برای نیروهای کمتر از بار بحرانی، رفتار سنگ مشابه با مواد ترد دیگر بوده ولی برای نیروهای بیشتر از بار بحرانی، رفتار سنگ­های آزمایش شده به طور کلی متفاوت با مواد ترد دیگر می‌باشد. این تفاوت در رفتار باعث می‌شود که نتوان از روش دندانه‌گذاری برای تعیین چقرمگی شکست آن­ها استفاده کرد. دلیل اصلی این تفاوت را می‌توان ناشی ازبرخی عیوب ساختاری ذاتی در سنگ‌ها دانست.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Evaluation of indentation method in determining fracture toughness of rocks

نویسندگان [English]

  • Mahdi Zare Najafabadi 1
  • Majidreza Ayatollahi 2
1 1. Fatigue and Fracture Research Laboratory, School of Mechanical Engineering, Iran University of Science and Technology,
2 . Fatigue and Fracture Research Laboratory, School of Mechanical Engineering, Iran University of Science and Technology, m.ayat@iust.ac.ir
چکیده [English]

Fracture toughness is an important parameter in some applications related to rock masses like fracture of rock, hydraulic fracturing process, design and manufacturing of tunneling apparatus. Different methods have been proposed for determining fracture toughness of quasi-brittle materials including the indentation test. In this research, the properties of some rocks with different textures (grain size and shape) are examined in the indentation test. Then applicability of the indentation method in determining fracture toughness of rocks is evaluated. It is shown that rocks exhibit two different types of behavior in the indentation test. For forces less than a critical force, rocks behave in accordance with other brittle materials, while for loads more than the critical force, the rocks behave completely in contrast with other brittle materials. This difference makes the indentation method an unsuitable option for determining fracture toughness of rocks. The main reason for this difference could be the presence of inherent defects in rocks.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Fracture toughness
  • rocks
  • indentation method
  • cracks

حسین‌پور ستوبادی، غ.، 1389. بررسی عددی و تجربی یک نمونه جدید آزمایشگاهی برای تخمین پارامترهای شکست مواد ترد تحت بارگذاری مرکب، پایان‌نامه کارشناسی‌ارشد، دانشگاه علم و صنعت، تهران، ص 44–49.

خرازی، ب.، 1387. بررسی شکست مرکب در سنگ گرانیت با استفاده از قطعه آزمایشی FPB ، پایان‌نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه علم و صنعت، تهران، ص32–38.

Anderson, T.L. , 2004. Fracture mechanics: fundamentals and applications, CRC Press, Third edition, 48p.

Chicot, D., Duarte, G., Tricoteaux, A., Jorgowski, B., Leriche, A. and Lesage, J. , 2009. Vickers Indentation Fracture (VIF) modeling to analyze multi-cracking toughness of titania, alumina and zirconia plasma sprayed coatings, Materials Science and Engineering, 527: 65–76.

Cook, R. F. and Pharr, G. M., 1990. Direct observation and analysis of Indentation cracking in glasses and Ceramics, The American Ceramic Society, 73: 787–817.

Kou, S.Q., Huang, Y., Tan, X.C. and Lindqvist, P.A., 1998. Identification of the governing parameters related to rock indentation depth by using similarity analysis, Engineering Geology, 49: 261–269.

Kruzic, J.J., Kim, D.K., Koester, K.J. and Ritchie, R.O., 2009. Indentation techniques for evaluating the fracture toughness of biomaterials and hard tissues, Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 2: 384–395.

Lach, R., Gyurova, L.A. and Grellmann, W., 2007. Application of indentation fracture mechanics approach for determination of fracture toughness of brittle polymer systems, Polymer Testing, 26: 51–59.

Lawn, B.R., Eavans, A.G. and Marshall, D.B., 1980. Elastic/plastic indentation damage in ceramics: The median/radial crack system, The American Ceramic Society, 63: 574-581.

Lindqvist, P.A., Lai, H.H. and Alm, O., 1984. Indentation fracture development in rock continuously observed with a scanning electron microscope, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechanics, 4: 165–182.

Nolan, D., Leskovsek, V. and Jenko, M., 2006. Estimation of fracture toughness of nitride compound layers on tool steel by application of the Vickers indentation method, Surface and Coatings Technology, 201: 182–188.

Ponton, C.B. and Rawlings, R.D., 1989. Vickers indentation fracture toughness test, Part 1: Review of literature and formulation of standardized indentation toughness equations, Materials Science and Technology, 5: 865–872.

Ponton, C.B. and Rawlings, R.D., 1989. Vickers indentation fracture toughness test, Part 2: Application and critical evaluation of standardized indentation toughness equations, Materials Science and Technology, 5: 961–976.

Tan, X.C., Lindqvist, P.A. and Kou, S.Q., 1997. Application of a splitting fracture model to the simulation of rock indentation subsurface fractures, International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, 21: 1–13.