Твердость и пластичность. Трещиноватость (часть 1)

Твердость — это свойство горной породы сопротивляться внедрению или вдавливанию в нее более твердого тела, в частности породоразрушающего инструмента. При внедрении инструмента ограниченного сечения в месте контакта формируется зона материала, находящаяся в сложном напряженном состоянии. Твердостью в значительной степени определяется буримость горной породы; существуют методы определения буримости на основе показателей твердости. Для горных пород, являющихся поликристаллическими телами, выделяется твердость отдельных минералов (зерен) и агрегатная твердость.
В зависимости от характера нагружения образца различают статическую и динамическую твердость. Для определения относительной твердости используют шкалу Мооса, состоящую из 10 эталонных минералов, расположенных в порядке возрастания твердости: 1 — тальк, 2 — гипс, 3 — кальцит, 4 — флюорит, 5 — апатит, 6 — ортоклаз, 7 — кварц, 8 — топаз, 9 — корунд, 10 — алмаз.
Наиболее широкое распространение получили методы определения твердости вдавливанием. Для металлов известны методы Бринелля (вдавливание стального закаленного шарика); Роквелла (вдавливание шарика или алмазного конуса); Виккерса (вдавливание алмазной четырехгранной пирамиды).
Для определения твердости горной породы, которую называют агрегатной, пользуются следующими способами.
По методу Шрейнера определяется твердость по штампу. Сущность метода заключается в определении удельной нагрузки при внедрении штампа с малой площадью контакта в отшлифованную поверхность образца. Площадь контакта настолько мала, что происходит поверхностное разрушение с образованием лунки выкола. Штампы могут быть стальными калеными или твердосплавными, по форме — цилиндрическими или коническими, с площадью торца 1—5 мм2 в зависимости от твердости пород. Применяемые образцы имеют либо форму цилиндров d=50—60 мм, либо пластин толщиной 30—50 мм. При меньших размерах может произойти не поверхностное, а объемное разрушение.
Испытания проводят на специальных установках УМГП-3. Это настольный механический пресс с электроприводом, оснащенный регистрирующей аппаратурой, которая записывает диаграмму F—δ (нагрузка — абсолютная деформация). Твердость по штампу определяется по формуле

где F — нагрузка в момент разрушения, Н; Sш — площадь штампа, мм2.
С уменьшением твердости пород следует применять штампы с большей площадью. В противном случае под штампом не происходит хрупкого разрушения. При вдавливании в пластичные и сильно пористые породы разрушение происходит не всегда. В этом случае мерой твердости условно считают предел текучести.

---