Микротвёрдость (предел микротвёрдости)

Микротвёрдость Т есть твёрдость микрообъектов, измеряемых микрометрами. При исследовании горных пород необходимо определять величину твёрдости различных зёрен, из которых сложена горная порода, а также твёрдость цемента между ними. При этом твёрдость некоторых микрообъектов может быть больше, чем твёрдость по штампу Р_Ш. Это даёт возможность определять необходимость исследования горной породы на абразивность и необходимость выбора материала вооружения породоразрушающего инструмента.

Микротвёрдость определяется методом вдавливания в микрообъёкты алмазной пирамидки с квадратным или ромбическим основанием. Наибольшее распространение получила пирамидка Виккерса с квадратным основанием и углом при вершине между гранями 136°. В нашей стране микротвёрдость определяется, например, на приборе ПМТ-3, по прилагаемой инструкции, с весовой нагрузкой на пирамидку до 200 грамм.

Твёрдость Т определяется по формуле:

где: F – весовая нагрузка на алмазную пирамиду;

S – площадь отпечатка от вершины алмазной пирамиды.

Площадь отпечатка S определяется по формуле:

где: d – длина диагонали;

α – угол при вершине пирамиды Виккерса (136 градусов).

Абразивность

В процессе бурения скважин горная порода разрушается бурильным инструментом. При этом происходит и встречный процесс – разрушение инструмента породой, так называемый износ. А для оценки интенсивности этого процесса принят соответствующий параметр – абразивность горной породы. Это есть способность горной породы изнашивать трущиеся об неё предметы и, в частности, породоразрушающий инструмент.

Абразивность проявляется за счёт истирания, в том числе, за счёт микрорезания зёрнами породы разной формы, величины и твёрдости. На абразивность большое влияние оказывают как свойства самих зёрен, так и свойства природных цементов, которыми скреплены эти зёрна.

Оценка абразивности производится различными способами, среди которых наиболее простым является метод Л.И. Барона и А.В. Кузнецова. В нём имеется наибольшее подражание внешним признакам бурения скважин (сверление), что позволяет ощутить действительность истирания металла в бурильном процессе разрушения горных пород и исключить малейшее в этом сомнение. Поэтому данный метод используется как демонстрация для студентов, потерявших из-за компьютера контакт с реальностью и не имевших до этого зрительно-чувственного представления о контактном взаимодействии металла и горной породы.

Сущность метода испытания породы заключается в следующем: эталонный стержень с заданными свойствами, формой и размерами сверлится об испытываемую горную породу заданное время, под воздействием заданной осевой нагрузки с заданной скоростью. При этом происходит износ стержня, то есть уменьшение его массы, которое фиксируется с помощью весов. Это уменьшение массы принимается за величину абразивности.

В качестве материала для эталонного стержня используется мягкая сталь- серебрянка. Преимуществами стали-серебрянки (ГОСТ 2588-44), как эталонного материала для определения абразивности пород, является:

1) Сравнительная однородность, состава и постоянство механических свойств.

2) Невысокая твёрдость (10 кгс/мм² по Бринеллю), что обеспечило широкий диапазон среднего весового износа эталонного стержня от а = 0,36мг для известняка до а = 103 мг для корунда, т.е. крайние опытные значения абразивности относятся между собой как 1:286.

3) По сравнению с латунным стержнем в методе Шеферда эталонный стержень из стали-серебрянки имеет большую твёрдость и меньшую вязкость, что снижает «засаливание» породы на поверхности трения изношенными частицами металла.

Эталонные стержни приняты диаметром 8 мм и длиной около 70 мм и должны иметь торцы строго перпендикулярно оси. В одном из торцов каждого стержня высверливается по оси тупиковое отверстие диаметром 4 мм и глубиной 10-12 мм. Стержни могут использоваться повторно при условии обточки концов на токарном станке для удаления участков, получивших закругление. Применение стержней с закруглёнными торцами не допускается.

В качестве образцов горных пород для испытания на абразивность применяют керны или штуфы массой от 0,1 до 2 кг. В случае применения кернов при испытании используется как поверхность разлома на торцах, так и поверхность по образующей цилиндра. Образец породы прочно закрепляют в тиски между деревянными прокладками во избежание растрескивания породы. Верхняя поверхность образца должна занимать горизонтальное положение. Для этого, в отдельных случаях можно применять грубую обдирку образцов. Истирание эталонного стержня производят о естественную поверхность разрушения горной породы, т.е. о необработанную поверхность образца.

Режим проведения испытания: осевая нагрузка 15 кгс, скорость вращения 400 об/мин. Испытание производят без охлаждения стержня водой и без удаления продуктов истирания. Эталонный стержень при истирании не должен нагреваться более 200 - 220 градусов. При этой температуре контрольным является соломенно-жёлтый цвет побежалости

Эталонный стержень, взвешенный на аналитических весах с точностью до 0,1 мг, зажимают в патроне шпинделя специально переоборудованного сверлилного станка; опускают на необработанную поверхность образца, включают привод станка и производят истирание стержня о породу в течение 10 минут. После этого привод станка отключают, эталонный стержень извлекают, переворачивают и вновь закрепляют в патроне противоположным концом. Опускают стержень на другой необработанный участок поверхности образца и производят истирание в течение 10 мин другим концом стержня. Вынутый из патрона стержень промывают бензолом и взвешивают на аналитических весах с точностью до 0,1 мг. В случае забивания центрального отверстия в стержне частицами породы, до взвешивания эти частицы удаляют латунной или мягкой стальной иглой.

Показатель абразивности горной породы вычисляют на основании результатов опытов по формуле:

где: а – показатель абразивности горной породы в мг;

g_i – потеря в весе эталонного стержня за каждый парный опыт в мг;

n – число парных опытов.

Необходимое число опытов устанавливают в зависимости от желаемой точности определения показателя абразивности, которая зависит от возможной вариации соотношения совокупной площади зёрен и цемента горной породы, контактирующей с торцом эталонного стержня в произвольном месте.