Содержание к диссертации
Введение 4
Глава 1. Обзор литературы 7
1.1. Механизмы деформации хлорида натрия 7
-
Деформация в отсутствие поверхностно-акгавных сред 7
-
Влияние воды на деформацию NaCl. Рекристаллизационная ползучесть 10
1.2. Влияние добавок на процессы растворения и роста
кристаллов NaCl 21
1.2.1. Изменение скорости роста и растворения
кристаллов NaCl 22
1.2.2. Изменение огранки и формы кристаллов NaCl 31
Глава 2. Экспериментальная часть 42
2.1. Материалы 42
-
Образам, используемые для механических испытаний 42
-
Растворы 43
2.2. Методы исследования 43
2.2.1. Методы механических испытаний 43
2.2.1 Л. Одноосное яагружение поликристаллов 43
12.. 12. Вдавливание сферического индентора
в монокристалл 45
-
Прессование порошков 49
-
Одноосное нагружение монокристаллов, контактирующих по плоскости спайности 51
2.2.2. Определение скорости растворения и роста
кристаллов NaCl 54
2.2.3. Атомно-микроскопическое исследование поверхности 55
2.2.4. Изучение адсорбции мочевины 57
Глава 3. Результаты и их обсуждение 59
3.1. Механизмы деформации кристаллов NaCl 60
З Л. 1. Одноосное нагружение поликристаллов 60
3.1,2. Вдавливание сферического индентора в монокристалл 62
ЗЛ.З. Прессование порошков 74
3.1.4. Одноосное нагружение системы монокристаллов,
контактирующих до плоскости спайности 79
3.1.5. Сопоставление результатов использованных методов 88
3.2. Влияние добавок на механические свойства
кристаллов NaCl 93
-
Влияние добавок мочевины 95
-
Влияние добавок [bC|Fe(CN)6], PbCI2, MgCl2 и CuCl2. 113 Выводы 122 Литература 123
Введение к работе
Явления, обусловленные обратимым физико-химическим влиянием среды на прочность и деформируемость твердых тел, объединяемые под общим названием эффекта Ребиндера, весьма распространены в природе и технике и отличаются большим разнообразием форм их проявления. Общий подход к анализу этих процессов состоит в привлечении представлений о роли интенсивности межфазных взаимодействий, определяющих свободную поверхностную энергию твердого тела на границе со средой. В поликристаллических материалах сильное снижение поверхностной энергии при контакте с жидкой фазой приводит к ее самопроизвольному проникновению вдоль границ зерен. Следствием образования жидких межзеренных прослоек может стать, в зависимости от условий деформирования твердого тела, потеря прочности (сопровождающаяся сменой характера разрушения с транскристаллнтного на инт^кристаллитный), или увеличение пластичности. В данной работе рассматривается одна из форм пластифицирования: перекристаллизация под давлением через прослойки поверхностно-активной жидкости (рекристаллизационная ползучесть). Движущей силой массопереноса через жидкую фазу является разность химических потенциалов вещества на поверхности отдельных зерен или их участков, обусловленная градиентом приложенных или остаточных механических напряжений в материале. В результате происходит ускоренное растворение вещества твердой матрицы в напряженных участках, его диффузия в направлении градиента приложенных напряжений и переосаждение в ненапряженных участках. Специфика данного механизма пластифицирования состоит в том, что жидкая фаза, помимо способности снижать поверхностную энергию твердого тела (что необходимо для образования термодинамически устойчивых межзеренных прослоек), должна обладать также свойствами растворителя.
В настоящее время общепризнанно, что рекристаллизационная ползучесть является преобладающим механизмом деформации водорастворимых горных пород при их естественном увлажнении, и, в частности, пластов каменной соли.
Было показано, что механизм рекристаллизационноЙ ползучести становится определяющим при малых скоростях деформации и малых напряжениях. В то же время данные, полученные при изучении деформации порошков соли, свидетельствуют, что область напряжений, соответствующих лнтостатическим напряжениям в пластах, является переходной от дислокационной к рекристаллизационноЙ ползучести. Существуют микроструктурные доказательства реализации в природе ползучести по обоим рассматриваемым механизмам. Поэтому вопрос об относительной роли растворения под давлением в процессах деформации соляных пластов до сих лор остается открытым.
В последнее время значительно выросло число работ, посвященных изучению механических свойств кристаллов хлорида натрия. Неослабевающий интерес к соли как объекту реологических исследований объясняется двумя причинами. Во-первых, это использование искусственно созданных полостей в пластах каменной соли в качестве подземных хранилищ нефти и газа, а также химических и радиоактивных отходов. С этим связана необходимость долговремеяного прогнозирования поведения соляных пластов, в то время как возможность управления ползучестью каменной соли открывает большие перспективы в эксплуатации и повышении безопасности подобных инженерно-геологических объектов. Во-вторых, хлорид натрия является чрезвычайно удобным материалом для изучения общих закономерностей процесса растворения под давлением: большая растворимость NaCl в воде обеспечивает относительно высокую скорость рекристаллизационноЙ ползучести в системе; дополнительные экспериментальные-возможности обеспечивает наличие хорошо разработанных методов выращивания монокристаллов, присутствие в монокристаллах выраженных плоскостей спайности, прозрачность в видимой области спектра и др..
Традиционно изучение механических свойств соли проводится на порошках или поликристаллах. При подобных испытаниях детальное выяснение механизма влияния среды затруднено тем, что наблюдаемый эффект является суммарным проявлением процессов, происходящих в ансамбле зерен и межзеренных прослоек, по-разному ориентированных по отношению к градиенту приложенного напряжения. С целью детального изучения процессов, протекающих на индивидуальной границе при растворении под давлением, в данной работе были развиты новые методы: вдавливание сферического индентора в монокристалл щелочных галогенидов и одноосное нагружение монокристаллов, контактирующих по плоскостям спайности.
Целью данной работы являлось выяснение механизмов деформации кристаллов хлорида натрия в контакте с водными средами различной природы, а также поиск путей управления этим процессом. В связи с этим были поставлены следующие задачи: разработка методов реологических испытаний кристаллов щелочных галогенидов в присутствии жидких сред, позволяющих работать в широком диапазоне напряжений и скоростей деформации; определение условий, при которых происходит деформация по механизму рекристаллизационной ползучести; поиск веществ, добавление которых к среде испытания влияет на скорость деформации, и выяснение механизмов этого влияния.
