Διερεύνηση μηχανικών ιδιοτήτων υλικών που παρουσιάζουν ευαισθησία στην υδροστατική πίεση με τη βοήθεια πειραμάτων διείσδυσης

Abstract

The subject of the present thesis is the assessment of mechanical properties of pressure sensitive materials through instrumented indentation. Thesis consists of two parts Part A, theory, which includes the description of the most important yield criteria, and the analysis of the Knoop indentation. On Chapter 3, a two dimension model based on the R.T.Shield theory is described, where an indenter with 2β angle, is applied on cohesive materials under plain strain. Chapter 4 describes the plastic flow of rock materials under the influence of a rigid frictionless punch. Chapter 5 presents the model of a cone indenter [D.M.Wood] on cohesive materials. Chapter 6 includes both the analysis of Knoop indentation and the assessment of the ratio (H/E) hardness to modulus of elasticity through instrumeneted indentation. Part B, the experimental part of the thesis, describes the classic instrumented tests such as uniaxial compression test, indirect tensile test, the process of the indentation tests and the description of the materials both natural and artificial. The Chapter 7 describes the process of cement preparation and production, classic instrumented tests such as uniaxial compression test, indirect tensile test (known as Brazilian test) and the microhardness test, in order to define mechanical properties of the materials. Materials with a wide range of modulus of elasticity and angle of internal friction values were tested through Knoop indentation in order to determine the mechanic properties and to prove the validity of the process. The natural stones that have been tested are Tuffeau de Maastricht Chalk, Pietra di Lecce Limestone, Pietra di Vicenza Limestone, Sander Sandstone, Grunnes Soapstone, Portland Island Limestone, Gioia Marble, Lorano Marble, Dionysos Marble and Serena Sandstone. The loads applied varied between 25gr, 100gr, 200gr and 500gr. It was that heavy loads create subsurface fragmentation phenomena. On the other hand very small loads create inappropriate imprints to be measured, contributing to errors. As far as the Knoop hardness medium value is concerned, it was counted 264MPa for cement paste, while on bibliography it is referred between 200 and 300 MPa. It is noted that the measurement of the small diagonal is necessary for the determination of the modulus of elasticity. The determination of modulus of elasticity strongly relies on the ypothesis of the α constant used in the process. Comparing the results for the modulus of elasticity using the α parameter values of 0.34, 0.45 and 1.5 we proved that only α=0.45 makes the results close to real values. Finally the utility of the proposed processes relies on the fact that we can simplify complex, time-consuming and costly experiments of evaluating the mechanical properties (classic compression and tension tests) with new simplified indentation tests that do not remain in quality or miscount the properties of the materials.

Αντικείμενο της Διατριβής αποτελεί η διερεύνηση ιδιοτήτων υλικών που παρουσιάζουν ευαισθησία στην υδροστατική πίεση με τη βοήθεια πειραμάτων διείσδυσης. Η εργασία αποτελείται από δύο μέρη, (α) το θεωρητικό μέρος που περιλαμβάνει την ανάλυση των κυρίαρχων κριτηρίων διαρροής, την περιγραφή των διαφόρων μεθόδων διείσδυσης, και την ανάλυση του προβλήματος διείσδυσης κατά Knoop. Πιο συγκεκριμένα, στις δισδιάστατες αναλύσεις που περιγράφονται στο 3ο κεφάλαιο αναπτύχθηκε ένα μοντέλο βασιζόμενο στη θεωρία του Shield R.T., 1953 όπου η διείσδυση πραγματοποιείται με τη βοήθεια μίας λείας άκαμπτης και άνευ τριβής φρέζας, γωνίας 2β, κάτω από συνθήκες επίπεδης έντασης σε συνεκτικά υλικά. Στο επόμενο κεφάλαιο πραγματοποιήθηκε ανάλυση πλαστικής ροής βραχωδών υλικών κάτω από την επιρροή ενός επίπεδου διεισδυτή απουσία τριβών. Στη συνέχεια περιγράφηκε η πτώση κωνικού διεισδυτή (Wood D.M., 1984) σε συνεκτικά υλικά. Στο 6ο κεφάλαιο γίνεται η ανάλυση της διείσδυσης κατά Knoop δηλαδή μία πλήρης περιγραφή του τρόπου μέτρησης του λόγου σκληρότητα προς μέτρο ελαστικότητας (Η/Ε), αλλά και του μέτρου ελαστικότητας Ε μέσα από τη σκληρομέτρηση με διεισδυτή Knoop. To δεύτερο και πειραματικό μέρος της εργασίας περιλαμβάνει τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν, την περιγραφή των πειραματικών διατάξεων και μεθόδων, τόσο των κλασικών μετρήσεων όσο και της μικροσκληρομέτρησης αλλά και τα αποτελέσματα των δοκιμών. Πιο συγκεκριμένα περιγράφεται αναλυτικά η διαδικασία παρασκευής, σκλύρηνσης και ενυδάτωσης του τσιμέντου, η πειραματική διερεύνηση της θλιπτικής αντοχής της τσιμεντόπαστας (αντοχή σε μονοαξονική συμπίεση), η πειραματική διερεύνηση του έμμεσου εφελκυσμού από διάρρηξη της τσιμεντόπαστας (Brazilian test) και η διαδικασία των μικροσκληρομετρήσεων για όλά τα υλικά φυσικά και τεχνητά. Η πειραματική διερεύνηση των μηχανικών ιδιοτήτων ενός μεγάλου εύρους υλικών επιλέχθηκε ώστε να θεωρηθεί έγκυρη η μελέτη (μεγάλο εύρος μέτρου ελαστικότητας, γωνίας εσωτερικής τριβής) και να επαληθευθούν οι ιδιότητες των υλικών. Τα φυσικά υλικά που χρησιμοποιήθηκαν στις μικροσκληρομετρήσεις είναι Tuffeau de Maastricht Chalk, Pietra di Lecce Limestone, Pietra di Vicenza Limestone, Sander Sandstone, Grunnes Soapstone, Portland Island Limestone, Gioia Marble, Lorano Marble, και Dionysos Marble και Serena Sandstone. Τα φορτία που επιλέχθηκαν για την σκληρομέτρηση ποικίλουν με τιμές των 500gr, 200gr, 100gr και 25gr. Από την διαδικασία της σκληρομέτρησης γενικά, αποδείχτηκε ότι τα μεγάλα φορτία δημιουργούν έντονα φαινόμενα υποεπιφανειακών θρυμματισμών, ενώ αντίθετα τα πολύ μικρά φορτία δημιουργούν πολύ μικρά μεγέθη εντυπωμάτων, μεγαλώνοντας έτσι την πιθανότητα σφάλματος κατά την μέτρηση. Όσον αφορά τη μέση τιμή σκληρότητας Knoop για την τσιμεντόπαστα, αυτή μετρήθηκε στα 264 ΜPa, ενώ στην βιβλιογραφία οι τιμές που αναφέρονται είναι από 200 έως 300 MPa. Σημειώνεται πως η μέτρηση της μεγάλης διαγωνίου χρειάζεται στον υπολογισμό της σκληρότητας. Αντίθετα η μέτρηση της μικρής διαγωνίου είναι απαραίτητη για τον υπολογισμό του μέτρου ελαστικότητας. Η τιμή που προκύπτει για το μέτρο ελαστικότητας εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την τιμή της σταθεράς α που χρησιμοποιούμε. Συγκρίνοντας τις τιμές για το μέτρο ελαστικότητας των υλικών που υπολογίστηκαν, χρησιμοποιώντας τις τιμές 0.34, 0.45 και 1.5 για τη σταθερά α, φαίνεται πως μονάχα η τιμή α=0.45 κάνει τις μετρήσεις αξιόπιστες και τα αποτελέσματα να συμφωνούν με τη βιβλιογραφία. Αυτό μάλιστα ενισχύεται από την στατιστική απεικόνιση των αποτελεσμάτων του μέτρου ελαστικότητας όπου υπάρχει συγκέντρωση των τιμών γύρω από μία τιμή στα περισσότερα υλικά (μικρή διασπορά τιμών). Τελικά, η χρησιμότητα της προτεινόμενης μεθόδου έγκειται στο γεγονός πως μπορεί να απλοποιήσει πολύπλοκες, χρονοβόρες και κοστοβόρες διαδικασίες εκτίμησης μηχανικών ιδιοτήτων υλικών (κλασσικές μέθοδοι) με νέες απλούστερες δοκιμές διείσδυσης που όμως δεν υπολείπονται ποιοτικά στην απόδοση των ιδιοτήτων.