[发明专利]岩石原位微拉伸试样及测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及岩石力学测试技术领域，具体地说，涉及一种岩石原位微拉 伸试样及测试方法。

背景技术

目前，用于材料的原位力学观测技术和方法主要应用在人工材料方面， 包括：金属板片、塑料、薄膜、纤维丝、聚合物、光纤、毛发、木质、纺织 品、混凝土等，上述材料的试样几何特征和制备方法及测试方案，已经有较 明确的标准或方法。以金属材料为例，主要试样类型是带中心孔的“扁平狗 骨头”薄板状拉伸试样。

在岩石力学测试领域，进行原位微拉伸试验的试样很少，目前仅有类似 “扁平狗骨头”薄板状试样见到报道，主要是借鉴金属材料等现有的试样几 何尺寸和加载方式。

但是，由于岩石、矿物等天然地质材料与上述人工材料存在很大区别， 岩石材料本身存在不同尺度的天然缺陷(如微裂纹、微孔洞、微孔喉、矿物 解理面等)，岩石脆性度较高，将岩石材料制备成“扁平狗骨头”薄板状比 较困难，成功率难以保证且耗时费力。

此外，即使试样制备成功，在显微设备下进行原位拉伸测试时，由于岩 石脆性强，矩形断面破裂过程太快，岩石微裂纹萌生、起裂及扩展各个阶段 往往在瞬间完成，在扫描电镜等设备下很难及时捕捉破裂过程各个阶段的图 像或影像资料，因而无法成功观测到微裂纹萌生、起裂及扩展的全过程，这 就导致观测试验的失败。

因此，现有的适用于金属等人工材料的原位微拉伸实验技术方案并不适 用于岩石材料的力学观测。对天然岩石材料原位微拉伸样品的几何形状、结 构特征、制备方法、试样夹具等缺乏较明确的实验技术方案，也很少有相关 研究案例和实验技术方面的报道。适合岩石原位微拉伸试验的试样及测试技 术方案的缺失，很大程度上阻碍了岩石微观破裂机理的科学创新，亟需发明 适合岩石材料原位微拉伸试样的结构设计方案、加工制备方法、测试方法等， 为在显微设备下观测岩石微观破裂力学行为提供重要的实验技术和方法支 撑。

发明内容

本发明提供一种岩石原位微拉伸试样及测试方法，所要解决的技术问题 是现有技术中的原位微拉伸实验技术方案并不适用于岩石材料的力学观测 得问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

本发明提供一种岩石原位微拉伸试样，所述岩石原位微拉伸试样为长方 形试样，所述长方形试样的一侧边为向上凸起的弧形边，所述弧形边的边缘 设有预制边缘裂纹。

优选的，所述预制边缘裂纹与所述弧形边相对的侧边之间的夹角为 0～90°。

优选的，所述预制边缘裂纹设置在弧形边的中点位置。

优选的，所述预制边缘裂纹设置在偏离弧形边的中点位置。

优选的，所述预制边缘裂纹由金刚石锯片或线锯切割而成。

优选的，所述预制边缘裂纹为长条形裂纹，所述长条形裂纹的顶端为经 过钝化处理的圆角，避免过于尖锐，有助于在一定程度上降低裂纹顶端部位 的应力集中程度，进而降低裂纹快速起裂和扩展的可能性，有利于成功观测 预制边缘裂纹顶端部位微纳米尺度裂纹的萌生与起裂过程。

优选的，所述预制边缘裂纹宽度为100～500微米，所述预制边缘裂纹长 度尺寸为0.5～2毫米，便于在显微设备下进行原位微拉伸试验及微裂纹观测。

优选的，所述岩石原位微拉伸试样的至少一侧表面经过抛光处理，便于 更清晰观测微裂纹的原位破裂形态及过程，也便于试样破裂后在扫描电镜等 高分辨率显微设备下观测断口附近的次生微裂纹。

本发明的有益效果是：本发明的岩石原位微拉伸试样适合在平行于直线 形边界的方向对该试样进行微拉伸加载，弧形边界会在拉伸作用下产生“压 力拱”的效应，对位于弧形边界一侧的预制边缘裂纹产生一定的侧向挤压应 力，这样有助于抑制预制边缘裂纹的快速扩展，有利于保证预制边缘裂纹的 相对缓慢而稳定地扩展，进而留给我们足够的时间成功观测微裂纹萌生、起 裂及扩展过程并记录相关图像或影像资料。

针对本发明提供的岩石原位微拉伸试样，本专利还相应地提供了一种岩 石原位微拉伸试样的加载与观测方法，具体步骤和流程如下：

1)将岩石原位微拉伸试样的弧形边向上，左右两端与分别与第一微拉 伸夹具和第二微拉伸夹具连接，保持第一微拉伸夹具和第二微拉伸夹具共线 对齐，且与岩石原位微拉伸试样的下边保持平行；