岩石的脆性破坏过程

岩石是天然产出的具有稳定外形的矿物或玻璃集合体按照一定的方式结合而成，是构成地壳和上地幔的物质基础。按成因分为岩浆岩、沉积岩和变质岩。其中岩浆岩是由高温熔融的岩浆在地表或地下冷凝所形成的岩石，也称火成岩；沉积岩是在地表条件下由风化作用、生物作用和火山作用的产物经水、空气和冰川等外力的搬运、沉积和成岩固结而形成的岩石；变质岩是由先成的岩浆岩、沉积岩，由于其所处地质环境的改变经变质作用而形成的岩石。地壳深处和上地幔的上部主要由火成岩和变质岩组成。从地表向下16km范围内火成岩和变质岩的体积占95%。地壳表面以沉积岩为主，它们约占大陆面积的75%，洋底几乎全部为沉积物所覆盖。

岩石断裂（fracture）是指岩层被断错或发生裂开。据其发育的程度和两侧的岩层相对位错的情况把断裂分为三类：一类称劈理（岩体受力或因变质作用产生并沿着一定方向大致成平行排列的密集的裂隙或面状构造），是微细的断裂变动，没有明显破坏岩石的连续性。最常见的劈理是在褶曲的核部发育的轴面劈理，常呈扇形（以褶皱轴面为对称轴）。第二类称节理（由于岩石受力而出现的裂隙，但裂开面的两侧没有发生明显的位移），是岩层发生了裂开但两盘岩石没有发生明显的相对位移的断裂变动。按其形成的力学性质，节理可分为张节理和剪切节理。如果断裂两盘的岩石已发生了明显的相对位移，则称断层（岩体在构造应力作用下发生破裂，沿破裂面两侧的岩体发生显著的位移或失去连续性和完整性而形成的一种构造形迹），断层是最重要的一类断裂。

按两盘相对运动的方向，断层可分为三类：正断层、逆断层和平移断层。上盘相对下降、下盘相对上升的断层称正断层，断层面倾角一般较陡。上盘相对上升、下盘相对下降的断层是逆断层，断层面倾角变化较大，从陡倾到近水平。如果断层两侧的岩石不是沿断层面上下移动而是沿水平方向移动，则称平移断层。如果把这三类断层与形成的构造应力联系起来，通俗地说，正断层由拉张应力引起，逆断层是挤压应力的结果（故常造成地壳的缩短），平移断层则与剪切应力有关，其断层面常近直立。

以上讨论的主要是脆性断裂情况，其断裂面是看得见摸得着的。还有两类断裂的断裂面则是看得见却不一定摸得着的。塑性断裂是岩石塑性变形的产物，如流劈理，是因片状或板状矿物的平行排列而使岩石能够分裂成许多平行薄片的构造。黏滞性断裂是岩石在高温、高压下发生黏滞性流动的结果，原岩的结构已完全破坏，原来组成岩石的矿物发生转动并伴有重结晶和再排列作用，形成片理、片麻理和新生面理等。

岩石破裂源于微裂隙的形成、扩展、集结，发展为宏观破裂。从微裂隙生长到宏观破裂经历了复杂的力学和物理过程。根据能量理论，在试验的基础上，岩石脆性破坏可分为如下四个阶段：

（1）裂纹闭合阶段：在载荷作用下，材料内部某些方向先存裂纹在压应力作用下发生闭合。裂纹闭合及由此造成的压密作用使应力应变曲线的初始阶段变弯，并使弹性波速度增大。裂纹闭合及闭合面之间的摩擦将产生少量的声发射。

（2）线弹性变形阶段：当载荷达到材料破坏载荷10%左右时，裂纹已完全闭合并进入弹性变形阶段，此时的应力应变呈线性关系。这一阶段声发射活动很少。

（3）裂纹的稳定扩展阶段：当载荷增大到破坏载荷的50%～80%后，即作用应力达到裂纹扩展的临界应力时，断裂开始发生，并随载荷增加裂纹稳定扩展。此阶段可观察到扩容现象（体积应变的非线性增大），声发射活动明显增多。

（4）裂纹的失稳扩展阶段：载荷增大到破坏载荷的90%左右时，裂纹进入失稳扩展阶段，此时裂纹的扩展在不增加外力的情况下进行，是不稳定的，且裂纹扩展速度很快，导致试样迅速破坏。此时声发射活动急剧增加，弹性波速度明显下降。

综上所述：岩石脆性断裂过程可用图1-5表示。

图1-5 岩石脆性断裂过程

对岩石拉伸试验，一般不出现裂纹闭合阶段，且裂纹的稳定和失稳扩展阶段所持续时间很短。

延性断裂的过程是，结构在载荷作用下，首先发生弹性变形.当载荷继续增加到某一数值时，材料就发生屈服，首先产生塑性变形.当载荷继续增加到某一数值时，材料就发生屈服，产生塑性变形。

继续加大载荷，金属将进一步变形，继而发生微裂纹，这些微裂口或微空隙一经形成，便在随后的加载过程中逐步汇合起来，形成宏观裂纹.宏观裂纹发展到一定尺寸后，经扩展而导致最终断裂. 脆性断裂都是在应力不高于结构的设计应力和没有显著的塑性变形的情况下发生的，并瞬时扩展到结构整体，具有突然破坏的性质. 焊接结构的脆性断裂是一种焊接结构中最可怕的失效形式，其后果往往是灾难性的.

材料的力学性能是指材料在不同环境（温度、介质、湿度）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特征 。

一般来说金属的力学性能分为十种：

脆性 脆性是指材料在损坏之前没有发生塑性变形的一种特性。它与韧性和塑性相反。脆性材料没有屈服点，有断裂强度和极限强度，并且二者几乎一样。铸铁、陶瓷、混凝土及石头都是脆性材料。与其他许多工程材料相比，脆性材料在拉伸方面的性能较弱，对脆性材料通常采用压缩试验进行评定。

2.强度：金属材料在静载荷作用下抵抗永久变形或断裂的能力.同时，它也可以定义为比例极限、屈服强度、断裂强度或极限强度。没有一个确切的单一参数能够准确定义这个特性。因为金属的行为随着应力种类的变化和它应用形式的变化而变化。强度是一个很常用的术语。

3.塑性：金属材料在载荷作用下产生永久变形而不破坏的能力.塑性变形发生在金属材料承受的应力超过弹性极限并且载荷去除之后，此时材料保留了一部分或全部载荷时的变形.

4.硬度：金属材料表面抵抗比他更硬的物体压入的能力

5.韧性：金属材料抵抗冲击载荷而不被破坏的能力. 韧性是指金属材料在拉应力的作用下，在发生断裂前有一定塑性变形的特性。金、铝、铜是韧性材料，它们很容易被拉成导线。

6.疲劳强度：材料零件和结构零件对疲劳破坏的抗力

7.弹性 弹性是指金属材料在外力消失时，能使材料恢复原先尺寸的一种特性。钢材在到达弹性极限前是弹性的。

8.延展性 延展性是指材料在拉应力或压应力的作用下，材料断裂前承受一定塑性变形的特性。塑性材料一般使用轧制和锻造工艺。钢材既是塑性的也是具有延展性的。

9. 刚性 刚性是金属材料承受较高应力而没有发生很大应变的特性。刚性的大小通过测量材料的弹性模量E来评价。

10.屈服点或屈服应力 屈服点或屈服应力是金属的应力水平，用MPa度量。在屈服点以上，当外来载荷撤除后，金属的变形仍然存在，金属材料发生了塑性变形。

---