岩石宏观裂纹分叉的加载率效应

D0I:10.13374/j.issnl001-053x.1995.02.003 第17卷第2期 北京科技大学学报 Vol.17 No.2 1995年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.1995 岩石宏观裂纹分叉的加载率效应 张宗贤俞洁 北京科技大学矿业研究所，北京I00083 摘要利用扫描电镜和光学显微镜，对静态和冲击（应力波）加载条件下断裂的辉长岩试 件进行了剖面观察与分析，结果发现，静态加载时断裂面的剖面上几乎看不到宏观裂纹分叉现 象：但在动态加载时，普遍发现剖面上有宏观裂纹分叉现象·随着加载率提高，分叉裂纹 数量及其总长度也随之增加，基于以上实验结果，初步讨论了岩石动态断裂机理， 关键词辉长岩，冲击断裂，岩石破坏机理，岩石+裂纹，动态十断裂/动态断裂 中图分类号TD313.3,TD315.1 Effect of Loading Rates on Macro-Crack Bifurcation of Rock' Zhang Zongxian Yu Jie Mining Research Institute,USTB.Beijing 100083,PRC ABSTRACT The longitudinal sections of the fractured surfaces of the gabbro speci- mens failured by static or dynamic load are observed and analysed with SEM and optical microscope.The results show that macro-crack bifurcation is hardly found on any section for static loading,but obvious macro-crack bifurcations are found for dy- namic loading.And it shows that the number and the total length of the bifuraction cracks for a specimen increase with (dynamic)loading rates.Based on the experimental results,finally,the dynamic fracture mechanism of rock is discussed. KEY WORDS gabbro,impact fracture,failure mechanism of rock,rack fracture, kinetic state fracture dynamic fracture 研究表明，裂纹分叉是材料受载过程中常见的1种非稳定现象，岩石类脆性材料 更易发生分叉现象；裂纹分叉与断口形态和断裂表面的粗糙度紧密相关，裂纹分叉明显 增大材料断口的不规则性，Smith)从理论上研究了宏观裂纹分叉的非规则性对脆性材 料断裂韧度的影响，结果发现分叉使断裂韧度值增加·谢和平等应用分形几何建立了 裂纹分叉的分形模型，从几何角度研究了裂纹分叉使断裂韧度提高的物理力学现象· Sith和谢和平等研究的结果都表明，宏观裂纹分叉使断裂韧度提高， 在工程实际中，岩石材料往往是在不同加载率特别是在较高加载率下破裂的·因 1994-01-25收稿第一作者男35岁副教授 ◆中国和奥地利因际合作项目：国家科委资助项目

第 1 卷 第 期 72 1 年 月 9 9 4 5 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f i n U e v d S s f r t i o y e e c n a d n T e h c n o B f g o y e i j g i n V o l . 1 7 N o . 2 A P r . 1 9 9 5 岩石宏观裂纹分叉 的加载率效应 ’ 张 宗贤 俞 洁 北 京科技大学矿业 研究所 , 北京 1以洲)8 3 摘要 利 用 扫 描 电 镜 和 光 学 显微 镜 , 对静 态和 冲 击 (应 力 波 ) 加 载 条 件 下 断 裂 的 辉 长 岩 试 件进 行 了 剖 面 观 察 与 分 析 . 结 果发 现 , 静态 加载时断裂面 的剖 面上几 乎看 不到宏观裂纹分叉现 象 ; 但在 动 态加 载 时 , 普遍 发现 剖面 上 有宏 观裂 纹 分 叉 现 象 . 随 着 加 载 率 提 高 , 分 叉 裂 纹 数量 及其 总 长度 也 随之 增 加 . 基 于 以上 实验 结果 , 初步 讨论 了 岩 石 动态 断裂 机理 . 关键 词 辉长 岩 , 冲击 断 裂 , 岩石 破坏机 理 , 岩 石 十 裂 纹 , 动 态 + 断 裂 / 动 态 断裂 中 图分 类号 T D 3 1 3 . 3 , T D 3 1 5 . l E fe e t o f L o a d i n g R a t e s o n M a￡ r o 一 C r a c k B ifu r c a t i o n o f R o c k ’ Z h a 月9 Z o n g 义 i a n Y u J i e M i n i n g R e s e a r e h I n s t l t u t e , U S T B , B e ij i n g 10 00 8 3 , P R C A B S T R A C T T h e l o n g it u d i n a l s e e t i o n s o f t h e fr a e t u r e d s u r fa e s o f t h e g a b b r o s P e c i - m e n s fa il u r e d b y s t a t i e o r d y n a m i c l o a d a r e o b s e r v e d a n d a n a l y s e d w it h S E M a n d o P t i c a l m i e r o s c o P e . T h e r e s u lt s s h o w t h a t m a c r o 一 c r a c k b ifu r e a t i o n 1 5 h a r d l y fo u n d o n a n y s e c t i o n fo r s t a t i e l o a d i n g , b u t o b v i o u s m a c r o 一 c r a c k b ifu r e a t i o n s a r e fo u n d fo r d y - n a而 c l o a d i n g . A n d i t s h o w s t h a t t h e n u m b e r a n d t h e t o t a l l e n g t h o f t h e b ifu r a e t i o n e r a e k s fo r a s Pe c im e n i n c r e a s e w it h ( d y n a m i e ) l o a d i n g r a t e s . B a s e d o n t h e e x P e r ime n t a l r e s u lt s , if n a ll y , t h e d y n a m i c fr a e t u r e m e c h a n i s m o f r o c k 1 5 d i s c u s s e d . K E Y w 0 R n S g a b b r o , im p a c t fr a e t u r e , af il u r e m e c h a n i s m o f r o e k , r a c k + fr a c t u r e , k i n e t i e s t a t e + fr a c t u r e / d y n a m i c fr a c t u r e 研究 表 明 ! ’ ! , 裂 纹 分 叉 是 材 料 受 载 过 程 中 常见 的 1 种 非 稳 定 现 象 , 岩 石 类 脆 性 材 料 更 易 发 生分 叉 现 象 ; 裂 纹 分 叉 与 断 口 形 态 和 断 裂表 面 的 粗 糙 度 紧 密 相 关 , 裂 纹 分 叉 明 显 增 大 材料 断 口 的 不 规则 性 . S m iht ! 2 } 从理 论 上 研 究 了宏 观 裂 纹 分 叉 的非 规 则 性 对脆 性 材 料 断裂韧 度 的 影 响 , 结 果 发 现 分 叉 使 断 裂 韧 度 值 增 加 . 谢和 平 等 川 应 用 分 形 几 何建 立 了 裂 纹 分 叉 的 分 形 模 型 , 从 几 何 角 度 研 究 了 裂 纹 分 叉 使 断 裂 韧 度 提 高 的 物 理 力 学 现 象 . S 而ht 和 谢和 平 等 研 究 的 结 果 都 表 明 , 宏 观 裂 纹 分 叉 使 断裂 韧 度提 高 . 在 工 程 实 际 中 , 岩 石 材 料 往 往 是 在 不 同加 载 率 特 别 是 在 较 高 加 载 率 下 破 裂 的 . 因 19 9 4 一 0 1 一 2 5 收 稿 第 一 作 者 男 35 岁 副 教授 中国 和 奥地 利 国 际 合 作项 目 ; 国 家 科委 资助 项 目 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1995. 02. 003

Vol.17 No.2 张宗贤等：岩石宏规裂纹分叉的加载率效应 .113 此，在了解裂纹分叉与断裂韧度关系的基础上进一步探讨裂纹分叉与加载率的关系，对 于仅仅通过断裂破坏后岩石材料或结构物的裂纹分叉现象的考察来了解岩石或结构物的 受载条件及破坏原因，特别是对于探讨岩石动态断裂机理，以便提高工程中岩石破碎的 效率和效益，都有积极意义· 1不同加载率条件下岩石的宏观裂纹分叉 为了考察宏观裂纹分叉与加载率的关系，选用经过静态和动态加载（加载率 K=10~l~10MPa·m2/s)断裂后的辉长岩短圆柱棒试件作为研究对象·静态断裂和动 态断裂试验分别是在MTS810材料试验机和霍普金森冲击试验装置上进行的，见文献[3]. 首先，将断裂后的岩石试件沿垂直于断 裂面（断口）的平面切开，见图1所示，然 后对切开的剖面进行磨平和抛光·为了防止 断裂面及其附近的岩石材料在试件加工过程 受到损伤而引起断裂面形貌变化，在试件切 裂尖 开之前先用914胶在断裂面上粘一块胶木板 以保护断裂面，试件加工好后，在扫描电镜 和光学显微镜上观察剖面上的宏观裂纹分叉 情况，并对宏观裂纹的数量和长度进行了近 似测量（测量范围为整个试件的剖面）·实 验观察结果普遍发现，静态断裂的辉长岩试 裂尖 件剖面上基本上看不到大于1~2mm长的 宏观裂纹分叉现象（如图2a),但动态断 裂的辉长岩试件剖面上都发现有大的宏观裂 图1岩石短棒试件及其剖面 纹分叉（如图2b一图2d).而且在动态断裂的情况下，对于大多数试件而言，加载率 越高，分叉裂纹的数量和总长度都随之增加，见表1.此外还发现，动态断裂的试件的 裂纹尖端附近基本上都有分叉裂纹出现，并且其与断裂面的夹角较大，见图2所示， 表1宏观裂纹分叉的数量与总长度 试件号加载率/MPa·m2s断裂韧度/MPa·m2 宏观裂纹分叉数量分叉裂纹总长度/mm C04 1.66×100 3.33 0 0 No.12 1.88×105 7.90 1 2.0 No.07 2.17×105 11.29 1 7.5 No.23 1.06×10 24.41 2 11.5 No.24 8.61×103 23.23 3 13.9 No.35 1.25×106 32.64 3 18.9 在光学显微镜下观察到与图2类似的情况，并且对断裂面附近的宏观裂纹和微观裂 纹所占面积进行了测量，发现单位测量面积内两种裂纹所占面积的百分比随加载率增加

Vo l . 17 No . 2 张宗 贤等 : 岩 石 宏观 裂纹 分 叉 的加载 率 效应 · 1 1 .3 此 , 在 了解 裂 纹 分 叉 与 断裂 韧 度 关 系 的基 础 上 进 一 步 探 讨 裂 纹 分叉 与加 载 率 的 关 系 , 对 于 仅仅 通 过 断 裂 破 坏 后 岩 石材 料 或结 构 物 的 裂 纹 分叉 现 象 的 考 察来 了解 岩 石 或 结 构 物 的 受 载条 件 及 破 坏 原 因 , 特 别 是 对 于探 讨岩 石 动 态断 裂 机 理 , 以 便提 高 工 程 中 岩 石 破 碎 的 效率 和效 益 , 都 有 积 极 意 义 . 1 不 同 加 载率条件 下岩石 的宏 观裂 纹 分 叉 为 了 考 察宏 观 裂 纹 分 叉 与 加 载 率 的 关 系 , 选 用 经 过 静 态 和 动 态 加 载 ( 加 载 率 K = 1 0 一 ’ 一 1 0 ` M P a · m , 2/ / s) 断裂 后 的辉 长岩 短 圆柱棒 试 件作 为研究 对象 . 静态断裂和动 态 断裂 试 验分别 是 在 M T S 8 10 材料 试验 机 和霍 普金 森冲 击试验装置上 进行的 , 见文献 【3] . 首先 , 将 断 裂后 的 岩 石 试 件 沿 垂 直 于 断 裂 面 (断 口 ) 的平 面切 开 , 见 图 1 所 示 , 然 后 对 切 开 的 剖 面进 行磨 平 和 抛 光 . 为 了 防 止 断 裂 面 及 其 附 近 的 岩 石 材 料 在 试 件 加 工 过 程 受 到 损 伤而 引起 断 裂 面 形 貌 变 化 , 在 试 件 切 开 之 前 先 用 9 14 胶 在 断 裂 面上 粘 一 块 胶 木 板 以 保护 断裂 面 . 试 件 加 工 好 后 , 在 扫 描 电 镜 和 光 学 显微 镜 上 观 察 剖 面 上 的 宏 观 裂 纹 分 叉 情 况 , 并 对宏 观 裂 纹 的 数 量 和 长 度 进 行 了 近 似 测 量 (测 量 范 围 为 整 个 试 件 的 剖 面 ) . 实 验 观 察结 果 普遍 发 现 , 静 态 断 裂 的 辉 长 岩 试 件 剖 面 上 基 本 上 看 不 到 大 于 1 一 Z r n r n 长 的 宏 观 裂 纹 分叉 现 象 ( 如 图 Z a) , 但 动 态 断 裂 的 辉 长 岩 试 件 剖 面 上 都 发 现 有 大 的宏 观 裂 \ \ \ / / \ / / 裂尖 l / / / / / / / / / 川 . . . - . ~ 二 月 J 、 J . , 、 . J、 几 里 一 _ l 图 1 纹分 叉 ( 如 图 Z b 一 图 Z d) . 而且 在 动态 断 裂 的 情 况 下 , 岩 石 短棒 试件 及 其剖 面 对 于 大 多 数 试 件 而 言 , 加 载 率 越 高 , 分 叉 裂 纹 的 数 量 和 总 长 度 都 随之 增 加 , 见 表 1 . 此 外 还 发 现 , 动 态 断 裂 的 试 件 的 裂 纹 尖 端 附 近 基 本 上 都 有 分 叉 裂 纹 出现 , 并 且 其与 断 裂 面 的夹 角 较 大 , 见 图 2 所 示 . 表 1 宏 观裂 纹分 叉 的数 t 与总 长 度 试 件号 加 载率 / M P a · m ” s 一 ’ 断 裂 韧 度 / M P .a m , ” 宏观 裂 纹分 叉 数量 分 叉裂 纹总 长 度 /~ C 04 1 . 6 6 x 1 0 0 3 . 3 3 0 0 N o . 12 l . 88 x l 0 5 7 . 90 1 2刀 N o . 0 7 2 . 1 7 x l 0 5 1 1 . 2 9 1 7 . 5 N o . 2 3 1 , 0 6 x 10 6 2 4 4 1 2 1 1 . 5 N o . 24 8 . 6 1 x 10 5 2 3 . 2 3 3 13 . 9 N o . 35 l . 2 5 x l 0 6 32 . 6 4 3 18 月 在光 学 显 微 镜 下 观 察 到 与 图 2 类 似 的 情 况 , 并 且 对 断 裂 面 附 近 的宏 观 裂 纹 和 微 观 裂 纹 所 占面积 进 行 了 测 量 , 发 现单 位 测 量 面 积 内两 种 裂 纹 所 占面 积 的 百 分 比 随加 载 率 增 加

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o V l . 7 1 N o . 张宗 贤等 2 : 岩 石 宏观 裂纹 分 叉 的加载 率 效应 · 3 . 1 1 此 , 在 了解 裂 纹 分 叉 与 断裂 韧 度 关 系 的基 础 上 进 一 步 探 讨 裂 纹 分叉 与加 载 率 的 关 系 , 对 于 仅仅 通 过 断 裂 破 坏 后 岩 石材 料 或结 构 物 的 裂 纹 分叉 现 象 的 考 察来 了解 岩 石 或 结 构 物 的 受 载条 件 及 破 坏 原 因 , 特 别 是 对 于探 讨岩 石 动 态断 裂 机 理 , 以 便提 高 工 程 中 岩 石 破 碎 的 效率 和效 益 , 都 有 积 极 意 义 . 1 不 同 加 载率条件 下岩石 的宏 观裂 纹 分 叉 为 了 考 察宏 观 裂 纹 分 叉 与 加 载 率 的 关 系 , 选 用 经 过 静 态 和 动 态 加 载 ( 加 载 率 K = 1 0 一 ’ 一 1 0 ` M P a · m , 2/ / s) 断裂 后 的辉 长岩 短 圆柱棒 试 件作 为研究 对象 . 静态断裂和动 态 断裂 试 验分别 是 在 M T S 8 10 材料 试验 机 和霍 普金 森冲 击试验装置上 进行的 , 见文献 【3] . 首先 , 将 断 裂后 的 岩 石 试 件 沿 垂 直 于 断 裂 面 (断 口 ) 的平 面切 开 , 见 图 1 所 示 , 然 后 对 切 开 的 剖 面进 行磨 平 和 抛 光 . 为 了 防 止 断 裂 面 及 其 附 近 的 岩 石 材 料 在 试 件 加 工 过 程 受 到 损 伤而 引起 断 裂 面 形 貌 变 化 , 在 试 件 切 开 之 前 先 用 9 14 胶 在 断 裂 面上 粘 一 块 胶 木 板 以 保护 断裂 面 . 试 件 加 工 好 后 , 在 扫 描 电 镜 和 光 学 显微 镜 上 观 察 剖 面 上 的 宏 观 裂 纹 分 叉 情 况 , 并 对宏 观 裂 纹 的 数 量 和 长 度 进 行 了 近 似 测 量 (测 量 范 围 为 整 个 试 件 的 剖 面 ) . 实 验 观 察结 果 普遍 发 现 , 静 态 断 裂 的 辉 长 岩 试 件 剖 面 上 基 本 上 看 不 到 大 于 1 一 Z r n r n 长 的 宏 观 裂 纹 分叉 现 象 ( 如 图 Z a) , 但 动 态 断 裂 的 辉 长 岩 试 件 剖 面 上 都 发 现 有 大 的宏 观 裂 \ \ \ / / \ / / 裂尖 l / / / / / / / / / 川 . . . - . ~ 二 月 J 、 J . , 、 . J、 几 里 一 _ l 图 1 纹分 叉 ( 如 图 Z b 一 图 Z d) . 而且 在 动态 断 裂 的 情 况 下 , 岩 石 短棒 试件 及 其剖 面 对 于 大 多 数 试 件 而 言 , 加 载 率 越 高 , 分 叉 裂 纹 的 数 量 和 总 长 度 都 随之 增 加 , 见 表 1 . 此 外 还 发 现 , 动 态 断 裂 的 试 件 的 裂 纹 尖 端 附 近 基 本 上 都 有 分 叉 裂 纹 出现 , 并 且 其与 断 裂 面 的夹 角 较 大 , 见 图 2 所 示 . 表 1 宏 观裂 纹分 叉 的数 t 与总 长 度 试 件号 加 载率 / M P a · m ” s 一 ’ 断 裂 韧 度 / M P .a m , ” 宏观 裂 纹分 叉 数量 分 叉裂 纹总 长 度 /~ C 04 1 . 6 6 x 1 0 0 3 . 3 3 0 0 N o . 12 l . 88 x l 0 5 7 . 90 1 2刀 N o . 0 7 2 . 1 7 x l 0 5 1 1 . 2 9 1 7 . 5 N o . 2 3 1 , 0 6 x 10 6 2 4 4 1 2 1 1 . 5 N o . 24 8 . 6 1 x 10 5 2 3 . 2 3 3 13 . 9 N o . 35 l . 2 5 x l 0 6 32 . 6 4 3 18 月 在光 学 显 微 镜 下 观 察 到 与 图 2 类 似 的 情 况 , 并 且 对 断 裂 面 附 近 的宏 观 裂 纹 和 微 观 裂 纹 所 占面积 进 行 了 测 量 , 发 现单 位 测 量 面 积 内两 种 裂 纹 所 占面 积 的 百 分 比 随加 载 率 增 加

Vol.17 No.2 张宗贤等：岩石宏观裂纹分叉的加载率效应 .115, B D E 图3裂纹分叉模型 图4裂纹分叉模型 对于图4的裂纹分叉模型亦有类似结果，即Kc和K:均小于K:如果欲使分叉裂 纹在C、E处分别或一起扩展，必须附加它们在其裂尖处的应力强度·即类似地，分叉 使断裂韧度增大了， 由图2可见，岩石断裂时的裂纹分叉形式很接近于图3和图4的分叉模型.因此， 式(1)、(2)适用于岩石断裂时的分叉现象， 根据以上分析知，裂纹分叉使得岩石断裂韧度增加，而裂纹分叉是岩石受高速加载 (应力波加载)时的普遍表现·因此，与没有产生裂纹分叉现象的情况相比，裂纹分叉 的出现既增大了岩石的断裂韧度，又反映了岩石断裂时所经受的加载率较高·这与实验 观察结果一致· 3岩石动态断裂机理分析 与静态断裂相比，在动态（冲击）加载时由于加载速率高，主裂纹尖端附近应力集 中速度快，且由于岩石传热导热能力差，因此，在裂尖附近很快形成一个绝热区.该区 内应力、能量高度集中，从而使其中一些原始缺陷（微裂纹等）激活并演化、扩展，随 着载荷的继续增加，少数微裂纹合并成宏观裂纹（分叉）·加载率越高，这种现象越严 重，因而裂纹分叉越明显，裂纹分叉要消耗能量·由于分叉使主裂纹尖端的应力和能量 集中程度降低，因此主裂纹扩展难度增加，即断裂韧度提高· 4结论 宏观裂纹分叉是动态断裂的典型特征，即在动态断裂时普遍存在宏观裂纹的分叉现 象，而在静态断裂时儿乎看不到这种现象·同时还发现，加载率越高，宏观裂纹分叉的 数量及其度长度也随之增大· 致谢：本工作属于中国奥地利国际合作研究项目A1门，受国家科委与冶金部科技司资助.有关实 验是在北京科技大学新金属材料国家重点实验室完成的， 参考文献 1谢和平，陈至达，岩石类材料裂纹分叉非规则性几何的分形效应.力学学报，1989,21(5)：613~618 (下转142页)

丫b l . 1 7 N b . 2 张宗 贤等 : 岩 石宏 观 裂纹 分叉 的 加 载 率效 应 图 3 裂纹 分叉模 型 图 4 裂 纹分 叉模 型 对 于 图 4 的裂 纹 分 叉 模 型 亦有 类 似 结 果 , 即 K C 和 K E 均 小 于 K A . 如 果 欲 使分 叉 裂 纹 在 C 、 E 处分别 或 一 起 扩 展 , 必 须 附加 它 们 在 其裂 尖 处 的 应力 强 度 . 即类 似 地 , 分叉 使 断裂 韧 度 增 大 了 . 由图 2 可 见 , 岩 石 断 裂 时 的裂 纹 分 叉 形 式 很 接 近 于 图 3 和 图 4 的 分 叉 模 型 . 因 此 , 式 ( 1 ) 、 ( 2) 适 用 于 岩 石 断裂 时 的分 叉 现 象 . 根 据以 上 分析 知 , 裂 纹分 叉 使得 岩 石 断 裂 韧 度 增 加 , 而 裂 纹分 叉 是 岩 石 受 高 速 加 载 (应 力 波 加 载 ) 时 的 普遍 表 现 . 因此 , 与 没有 产 生 裂 纹 分 叉 现 象 的 情 况 相 比 , 裂 纹 分 叉 的 出 现 既 增 大 了岩 石 的 断裂 韧 度 , 又 反 映 了岩 石 断裂 时所 经 受 的加 载 率较 高 . 这 与 实 验 观 察结果 一 致 . 3 岩石 动态 断 裂机理 分析 与静态 断裂 相 比 , 在 动 态 ( 冲 击 ) 加 载 时 由于 加 载 速 率 高 , 主 裂 纹 尖 端 附 近 应 力 集 中速 度 快 , 且 由于 岩 石 传 热 导热 能 力 差 , 因此 , 在 裂 尖 附 近 很 快 形 成 一 个 绝 热 区 . 该 区 内应 力 、 能 量 高 度 集 中 , 从而 使 其 中一 些 原 始 缺 陷 (微裂 纹 等 ) 激 活并 演 化 、 扩 展 , 随 着 载 荷 的继 续 增 加 , 少 数 微 裂 纹 合并 成 宏 观裂 纹 (分 叉 ) . 加 载 率 越 高 , 这 种 现 象越 严 重 , 因而 裂 纹 分 叉 越 明显 . 裂 纹 分 叉 要 消 耗 能 量 . 由于 分叉 使 主 裂 纹尖 端 的 应 力 和 能 量 集 中程 度 降低 , 因此 主 裂 纹 扩 展 难 度 增 加 , 即 断 裂 韧 度 提 高 . 4 结 论 宏 观 裂 纹 分 叉 是 动 态 断 裂 的典 型 特 征 . 即在 动 态 断 裂 时普 遍 存在 宏 观 裂 纹 的 分叉 现 象 , 而 在 静 态 断 裂 时 几 乎 看 不 到 这 种 现 象 . 同 时 还 发 现 , 加 载 率 越 高 , 宏 观裂 纹 分 叉 的 数 量 及 其度 长 度 也 随 之 增 大 . 致谢 : 本工作 属于 中国 奥 地利 国 际 合 作研 究 项 目 A 17 , 受 国 家 科委 与 冶金 部 科 技 司 资 助 . 有 关 实 验 是在 北京科 技大 学新 金 属材料 国 家重 点实验 室 完成 的 . 参 考 文 献 谢和 平 , 陈至 达 . 岩石类材 料裂纹分叉非规则性几何 的分形效应 . 力学学报 , 19 89 , 2 1(:5) (下 转 6 1 3 一 6 1 8 1 4 2 页 )

·142 北京科技大学学报 1995年No.2 硬度大大提高·这一点可从X射线衍射分析结果看出·②基质中的MoS,形成转移 膜，避免基质与对偶件直接接触，各种镀层的摩擦系数如图6所示， 0.19 0.60 四45 0.17 0.50 题Ni-P(热处理前) 帐 献 0.15 0.40 聊Ni-P(热处理后) 0.30 B题Ni-P-MoS, 带 0.13 (热处理前) 解 0.20 Z☑Ni-P-MoS, 0.11L (热处理后) 2 0.10 镀时/h 各种镶层 图5镀层的摩擦系数与镀时的关系 图6各种镀层的摩擦系数 3结论 (1)Ni-P-MoS,复合镀层具有优异的减摩性及很高的抗胶合能力，对于45号 钢，摩擦系数由平均0.5降到0.1，抗胶合载荷由原来的196N提高到1764N,相应的 摩擦时间由原来的3min提高到7min. (2)经过热处理的Ni-P-MoS,镀层，其摩擦系数略有增加，提高到0.14，但其抗 胶合载荷提高到1960N,相应的摩擦时间为19min,比45号钢分别提高了10倍和6.3倍， (3)MoS,颗粒的浓度及镀时对镀层的减摩性有很大影响，摩擦系数随浓度及镀时 的增加而下降， (4)表面活性剂对镀层质量有很大影响，以采用阳离子型表面活性剂最为理想· 参考文献 1 Vest C E,Bazzarre D F.Co-Deposited Nickel-Molydbenum Disulfide.Metal Finishing, 1967,65(11):52~58 2表面处理工艺手册编委会.表面处理工艺手册.上海：上海科学技术出版社，1991.144~154 个个个T0"0:000u?±个个个·？：个个分：6个5。。tT个分常0个个个个5个个个个个个个个0个 (上接115页) 2 Smith E.The Effect of Crack Font Irregularity on the Fracture Toughness of Brittle Materials. Arch Mech.1986.38(1~2:185-190 3 Zhang Zongxian,Yu Yong.Zhao Qing.Influences of Loading Rates on the Fracture Toughness of Rock.In:Rossmanith H P eds.Fracture and Damage of Concrete and Rock.London: Chapman Hall,1993.418~425

北 京 科 技 大 学 学 报 硬度 大 大 提 高 . 这 一 点 可 从 X 射 线 衍 射 分 析 结 果 看 出 . ② 基 质 中 的 M o S 膜 , 避 免 基 质 与 对 偶 件 直 接 接 触 . 各 种镀 层 的摩 擦 系数 如 图 6 所 示 . 19 95 年 N b . 2 。 形 成 转 移 一 \ _ 0 . 60 `公】4 5 0 . 50 0 . 4 0 贬翻 iN 一 P ( 热 处 理前 ) 皿刃 iN 一 P ( 热处理 后 ) 0 . 30 噢渊翻拼蛾嶙名 0 . 2 0 粼蜷绒姗粗噢场 0 . 10 1月 门护 l N i 一 P 一 M o S Z ( 热 处理 前 ) N i 一 P 一 M o S - ( 热处 理 后 ) .0住. 镀时 / h 各 种铰 层 图 5 镀 层 的摩 擦 系数 与镀时 的关 系 图 6 各种镀 层 的摩 擦 系数 3 结 论 ( l) iN 一 P 一 M oS : 复 合 镀 层 具 有 优 异 的减 摩 性 及 很 高 的 抗 胶 合 能 力 . 对 于 45 号 钢 , 摩 擦 系 数 由平 均 0 . 5 降到 0 . 1 , 抗 胶 合 载 荷 由 原 来 的 19 6 N 提 高 到 1 7 64 N , 相 应 的 摩 擦 时 间 由原 来 的 3 m in 提 高到 7 m in . (2 ) 经过 热 处理 的 iN 一 P 一 M os : 镀层 , 其 摩擦 系 数 略 有 增 加 , 提 高到 0 . 14 , 但其 抗 胶合 载荷 提 高到 1 9 60 N , 相应 的摩 擦 时间 为 19 m in , 比 45 号 钢 分 别 提 高 了 10 倍和 6 . 3 倍 . ( 3) M os : 颗粒 的浓 度 及 镀 时 对镀 层 的减 摩 性 有 很 大 影 响 , 摩 擦 系 数 随 浓 度 及 镀 时 的 增 加 而 下 降 . ( 4) 表 面 活 性 剂 对 镀 层 质 量 有 很 大 影 响 , 以 采 用 阳 离 子 型 表 面 活 性 剂 最 为 理 想 . 参 考 文 献 1 V e s t C E , B a z z a r r e D 1 9 6 7 , 6 5 ( 1 1 ) : 5 2 一 5 8 2 表 面 处理 工 艺手 册编 委 会 . F . C o 一 D e P o s i t e d N i e k e l 一 M o l y d b e n u m D i s u lif d e . M e t a l F i n is h i n g , 表 面 处理 工 艺 手 册 . 上 海 : 上海 科 学技 术 出 版社 , 19 91 . 1 4 ~ 1 54 (上 接 1 1 5 页 ) S m i t h E . T h e E feT c t o f C r a e k F o n t I r r e g u l a r i t y o n t h e F r a e t u r e T o u g h n e s s o f B r i t t l e M a t e r i a l s . iA c h M e e h , 19 8 6 , 3 8( l 一 2 ) : 18 5 一 19 0 Z h a n g Z o n g x i a n , Y u Y o n g , Z h a o Qi n g . I n fl u e n ce s o f L o a d i n g R a t e s o n t h e F r a e t u r e T o u g h n e s s o f R o e k . I n : R o s s ma n i t h H P e d s . F r a e t u r e a n d D a m a g e o f C o n e r e t e a n d R o e k . L o n d o n : C h a P m a n & H a ll , 1 99 3 . 4 1 8 一 4 2 5