巖石原位微拉伸試樣及測試方法
【技術領域】
[0001 ]本發明涉及巖石力學測試技術領域，具體地說，涉及一種巖石原位微拉伸試樣及測試方法。
【背景技術】
[0002]目前，用于材料的原位力學觀測技術和方法主要應用在人工材料方面，包括:金屬板片、塑料、薄膜、纖維絲、聚合物、光纖、毛發、木質、紡織品、混凝土等，上述材料的試樣幾何特征和制備方法及測試方案，已經有較明確的標準或方法。以金屬材料為例，主要試樣類型是帶中心孔的“扁平狗骨頭”薄板狀拉伸試樣。
[0003]在巖石力學測試領域，進行原位微拉伸試驗的試樣很少，目前僅有類似“扁平狗骨頭”薄板狀試樣見到報道，主要是借鑒金屬材料等現有的試樣幾何尺寸和加載方式。
[0004]但是，由于巖石、礦物等天然地質材料與上述人工材料存在很大區別，巖石材料本身存在不同尺度的天然缺陷(如微裂紋、微孔洞、微孔喉、礦物解理面等)，巖石脆性度較高，將巖石材料制備成“扁平狗骨頭”薄板狀比較困難，成功率難以保證且耗時費力。
[0005]此外，即使試樣制備成功，在顯微設備下進行原位拉伸測試時，由于巖石脆性強，矩形斷面破裂過程太快，巖石微裂紋萌生、起裂及擴展各個階段往往在瞬間完成，在掃描電鏡等設備下很難及時捕捉破裂過程各個階段的圖像或影像資料，因而無法成功觀測到微裂紋萌生、起裂及擴展的全過程，這就導致觀測試驗的失敗。
[0006]因此，現有的適用于金屬等人工材料的原位微拉伸實驗技術方案并不適用于巖石材料的力學觀測。對天然巖石材料原位微拉伸樣品的幾何形狀、結構特征、制備方法、試樣夾具等缺乏較明確的實驗技術方案，也很少有相關研究案例和實驗技術方面的報道。適合巖石原位微拉伸試驗的試樣及測試技術方案的缺失，很大程度上阻礙了巖石微觀破裂機理的科學創新，亟需發明適合巖石材料原位微拉伸試樣的結構設計方案、加工制備方法、測試方法等，為在顯微設備下觀測巖石微觀破裂力學行為提供重要的實驗技術和方法支撐。
【發明內容】
[0007]本發明提供一種巖石原位微拉伸試樣及測試方法，所要解決的技術問題是現有技術中的原位微拉伸實驗技術方案并不適用于巖石材料的力學觀測得問題。
[0008]本發明解決上述技術問題的技術方案如下:
[0009]本發明提供一種巖石原位微拉伸試樣，所述巖石原位微拉伸試樣為長方形試樣，所述長方形試樣的一側邊為向上凸起的弧形邊，所述弧形邊的邊緣設有預制邊緣裂紋。
[0010]優選的，所述預制邊緣裂紋與所述弧形邊相對的側邊之間的夾角為O?90°。
[0011 ]優選的，所述預制邊緣裂紋設置在弧形邊的中點位置。
[0012]優選的，所述預制邊緣裂紋設置在偏離弧形邊的中點位置。
[0013]優選的，所述預制邊緣裂紋由金剛石鋸片或線鋸切割而成。
[0014]優選的，所述預制邊緣裂紋為長條形裂紋，所述長條形裂紋的頂端為經過鈍化處理的圓角，避免過于尖銳，有助于在一定程度上降低裂紋頂端部位的應力集中程度，進而降低裂紋快速起裂和擴展的可能性，有利于成功觀測預制邊緣裂紋頂端部位微納米尺度裂紋的萌生與起裂過程。
[0015]優選的，所述預制邊緣裂紋寬度為100?500微米，所述預制邊緣裂紋長度尺寸為0.5?2毫米，便于在顯微設備下進行原位微拉伸試驗及微裂紋觀測。
[0016]優選的，所述巖石原位微拉伸試樣的至少一側表面經過拋光處理，便于更清晰觀測微裂紋的原位破裂形態及過程，也便于試樣破裂后在掃描電鏡等高分辨率顯微設備下觀測斷口附近的次生微裂紋。
[0017]本發明的有益效果是:本發明的巖石原位微拉伸試樣適合在平行于直線形邊界的方向對該試樣進行微拉伸加載，弧形邊界會在拉伸作用下產生“壓力拱”的效應，對位于弧形邊界一側的預制邊緣裂紋產生一定的側向擠壓應力，這樣有助于抑制預制邊緣裂紋的快速擴展，有利于保證預制邊緣裂紋的相對緩慢而穩定地擴展，進而留給我們足夠的時間成功觀測微裂紋萌生、起裂及擴展過程并記錄相關圖像或影像資料。
[0018]針對本發明提供的巖石原位微拉伸試樣，本專利還相應地提供了一種巖石原位微拉伸試樣的加載與觀測方法，具體步驟和流程如下:
[0019]I)將巖石原位微拉伸試樣的弧形邊向上，左右兩端與分別與第一微拉伸夾具和第二微拉伸夾具連接，保持第一微拉伸夾具和第二微拉伸夾具共線對齊，且與巖石原位微拉伸試樣的下邊保持平行；
[0020]2)依據巖石原位微拉伸試樣與第一微拉伸夾具和第二微拉伸夾具連接后的整體長度，調整第一微拉伸加載端和第二微拉伸加載端至適當的距離，然后將第一微拉伸夾具和第一微拉伸加載端連接，第二微拉伸夾具和第二微拉伸加載端連接；
[0021]3)連接后，采用位移控制的方式，緩慢增大第一微拉伸加載端和第二微拉伸加載端之間的距離，使得第一微拉伸加載端和第二微拉伸加載端初步拉緊，進而通過第一微拉伸夾具和第二微拉伸夾具對巖石原位微拉伸試樣施加初始拉伸載荷；
[0022]4)采用位移控制的加載方式，沿著平行于巖石原位微拉伸試樣的下邊的方向，對巖石原位微拉伸試樣進行微拉伸加載，加載速率可以有恒速加載和變速加載兩種，加載方式可以持續拉伸，也可以采用“拉伸一卸載一再拉伸”的循環疲勞加載方式；
[0023]5)在對巖石原位微拉伸試樣進行微拉伸加載過程中，米用光學顯微鏡或電子顯微鏡等顯微設備，實時觀測巖石原位微拉伸試樣的弧形邊界的預制邊緣裂紋頂端部位，并采用顯微設備鏡頭連續或間斷地拍攝照片或錄像；
[0024]6)在微拉伸加載過程中記錄載荷、位移等數據，計算巖石原位微拉伸試樣的斷裂韌度值。并結合照片或錄像記錄，繪制預制邊緣裂紋頂端部位微裂紋萌生、起裂及擴展的時間、空間變化序列圖，估算預制邊緣裂紋的擴展速率。
[0025]本發明提供的巖石原位微拉伸試樣尺寸小、節省巖石材料，制備工藝簡單，制備成本低，制備成功率高。配合本發明提供的試樣和觀測方法，可以大大提高巖石原位微拉伸觀測的成功率，不僅能清晰地觀測到微裂紋萌生、起裂及擴展的過程和時間、空間變化序列，還能測試巖石的斷裂韌度值。也就是說，本發明為深化認識巖石材料微納米尺度下的破裂機理提供了一種新的有效的觀測試樣和方法。
【附圖說明】
[0026]圖1為本發明的巖石原位微拉伸試樣的結構示意圖；
[0027]圖2為本發明的巖石原位微拉伸試樣的加載測試示意圖。
【具體實施方式】
[0028]以下結合附圖對本發明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發明，并非用于限定本發明的范圍。
[0029]實施例1
[0030]如圖1所示，本發明提供一種巖石原位微拉伸試樣，所述巖石原位微拉伸試樣為長方形試樣，所述長方形試樣的一側邊為向上凸起的弧形邊I，所述弧形邊I的邊緣設有預制邊緣裂紋2;所述預制邊緣裂紋2與所述弧形邊I相對的側邊之間的夾角為O?90°;所述預制邊緣裂紋2設置在弧形邊的中點位置，所述預制邊緣裂紋2由金剛石鋸片或線鋸切割而成；所述預制邊緣裂紋2為長條形裂紋，所述長條形裂紋的頂端為經過鈍化處理的圓角;所述巖石原位微拉伸試樣的至少一側表面經過拋光處理;所述預制邊緣裂紋寬度為100?500微米，所述預制邊緣裂紋長度尺寸為0.5?2毫米，便于在顯微設備下進行原位微拉伸試驗及微裂紋觀測。
[0031]用于掃描電子顯微鏡下進行原位微拉伸測試時，與巖石原位微拉伸試樣相連接的微拉伸夾具需要依據掃描電鏡微下的拉伸設備加載端的具體尺寸和幾何形態進行設計，使得微拉伸夾具與掃描電鏡微下的微拉伸設備加載端很好的連接牢固。此外，巖石原位微拉伸試樣表面拋光后，要噴鍍金粉，增加巖石表面的導電性，便于在掃描電鏡腔體內真空環境下清晰地觀測預制邊緣裂紋頂端部位微裂紋萌生、起裂與擴展。同時，在拉伸過程中，在圖像顯示器上實時觀測裂紋情況，并采用掃描電鏡鏡頭進行拍照或錄像。具體過程如下:
[0032]I)將巖石原位微拉伸試樣的弧形邊向上，左右兩端與分別與第一微拉伸夾具3和第二微拉伸夾具4連接，保持第一微拉伸夾具3和第二微拉伸夾具4共線對齊，且與巖石原位微拉伸試樣的下邊保持平行；
[0033]2)依據巖石原位微拉伸試樣與第一微拉伸夾具3和第二微拉伸夾具4連接后的整體長度，調整第一微拉伸加載端