Блог

Козловских Е.С., Гроховский В.И.

МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОСНОВНЫХ МИНЕРАЛОВ МЕТЕОРИТОВ

Метеориты являются одним из наиболее осязаемых свидетельств бомбардировки Земли малыми телами и наиболее доступными для лабораторных исследований веществом внеземного происхождения. Несомненно, что характер разрушения метеороидов в атмосфере Земли и при ударе о земную поверхность прежде всего определяется его прочностными свойствами. Однако данные о механических характеристиках минералов каменных и железных метеоритов весьма ограничены. В то же время в последние годы вследствие развития компьютерных и инженерных технологий получили развитие новые методы для определения свойств микрообъектов. Например, традиционные способы определения твердости трансформировались в тонкий многофункциональный исследовательский инструмент, называемый «кинетическое индентирование».
Исторически первый и основной режим работы инструментированных приборов кинетического индентирования реализуется путем внедрения геометрически аттестованного индентора под действием заданного профиля нормальной силы P(t) и одновременной регистрации глубины погружения его в материал h(t). Иногда бывает полезным представление результатов и в таких координатах, но чаще данные перестраивают в виде зависимости P = f(h), которая является аналогом диаграммы σ = f(ε) (напряжение — относительная деформация) в традиционных макроиспытаниях. При помощи кинетического индентирования можно получить такие микромеханические характеристики минерала, как: микротвердость, соотношение долей упругой и пластической деформаций, модуль упругости, вязкость разрушения и др.

Методы локального механического тестирования материалов зачастую подразделяют на макро-, микро-, нано- и даже пикоиндентирование чисто формально, ориентируясь на характерные размеры отпечатка, которые попадают в тот или иной диапазон. Однако можно провести классификацию этих методов, более обоснованную физически. С ростом силы P меняется не только характерный размер локально сдеформированной области, но и соотношение между упругой и пластической деформацией. При макроин¬дентировании упругой деформацией в первом приближении можно пренебречь, в нано-области, наоборот, вся деформация является чисто упругой. При микроиндентировании необходим одновременный учет и упругой, и пластической деформации, поскольку их вклад в общую деформацию становится сопоставимым. Типичный вид экспериментальных кривых, записываемых в процессе испытания, представлен на рисунке 1.

Размеры минеральных составляющих метеоритов во многих случаях весьма малы, поэтому использование метода кинетического индентирования для изучения и диагностики минералов метеоритов представляется достаточно перспективным. В настоящей работе приведены результаты, получен-

Рис. 1. Типичная экспериментальная кривая в координатах «глубина погружения индентора – нагрузка» при микроиндентировании рабдита в метеорите Сихотэ-Алинь.

ные на инструментированном микротвердомере Fisher SCOPE 2000 xym с различных минералов и субмикроструктур шести метеоритов (табл. 1). Испытания проводились при нагрузке 50 мН, что относится к области микроиндентирования, индентор – алмазная пирамида. Результаты проведенных испытаний для всех изученных фаз приведены на рисунке 2 в виде тренда «nplast –HV».

Таблица 1
Исследуемые минеральные составляющие метеоритов
Метеорит Исследуемые минералы
Грубый октаэдрит Сихотэ-Алинь
IIB-OgH Камасит -Fe(Ni, Co)
Рабдит (Fe, Ni, Co)3P
Атаксит Чинге IVB-D Матрица (++2)
Камасит -Fe(Ni, Co)
Добреелит Cr2FeS4
Тэнит -Fe(Ni, Co)
Атаксит Дронино с 7,5% Ni Матрица (+2)
Переходная окисленная  зона
Троилит FeS
Октаэдрит Lombard II AB Камасит -Fe(Ni, Co)
Шрейберзит (Fe, Ni, Co)3P
Хондрит Wellman H4 Камасит -Fe(Ni, Co)
Троилит FeS
Гётит FeOOH
Силикатная матрица
Октаэдрит Canyon Diablo IA-Og Камасит -Fe(Ni, Co)
Облачный тэнит -Fe(Ni, Co)

Рис. 2. Распределение экспериментальных значений микромеханических характеристик для  исследуемых минералов метеоритов  в координатах «nplast-HV».

С ростом твердости фаз от 174 МПа до 1138 МПа доля их пластической деформации при индентировании уменьшается от 96 % до 50.8 %. Самым хрупким (доля пластической деформации 50.8 %÷54.9 %) и твердым из исследуемых фаз можно назвать шрейберзит в образце метеорита Lombard. Также низкими значениями долей пластической деформации обладают гётит и силикатная матрица в образце метеорита Wellman, но твердость у данных фаз в среднем на 300 МПа меньше чем у шрейберзита метеорита Lombard. Все эти фазы имеют близкие значения модуля упругости (110÷199) ГПа. Рабдит метеорита Сихотэ-Алинь оказался чуть менее твердым и чуть более пластичным.
 
Самым мягкий и самый пластичный, но обладающий наибольшими значениями показателя сопротивления материала сжатию при упругой деформации из исследуемых фаз является камасит метеорита Canyon Diablo (доля пластической деформации 95.8 %÷96 %). Вместе с тем, высокое значение модуля вдавливания для этого метеорита не находит объяснения в общепринятых представлениях. Чуть менее пластичными и чуть менее твердыми по отношению к камаситу в образце метеорита Canyon  Diablo, являются камасит образца метеорита Lombard, камасит метеорита Сихотэ-Алинь, матрица метеорита Дронино, камасит, тэнит и матрица в образце метеорита Чинге, тэнит в метеорите Canyon Diablo.

Большой разброс экспериментальных значений наблюдается для силикатной матрицы в образце метеорита Wellman. Это может объясняться значительными вариациями в фазовом и химическом составах силикатов.

Одними из самых мягких фаз (HV = (174÷352) МПа), и при этом обладающими близкими значениями модуля упругости являются троилит в метеорите Wellman, троилит и переходная зона в метеорите Дронино. Доля пластической деформации в данных образцах лежит в диапазоне 61.7 %÷74.4 %. Немного более твердым и хрупким оказался добреелит метеорита Чинге. Наименьшими значениями модуля упругости обладают камасит в метеорите Сихотэ-Алинь и тэнит в метеорите Чинге.

Близкими значениями модуля упругости (184÷210) ГПа обладают камасит в образце метеорита Lombard, матрица в метеорите Дронино, камасит и матрица в метеорите Чинге и камасит в метеорите Wellman, но при этом они обладают значениями долей пластической деформации, лежащими в довольно широком диапазоне (76 %÷90 %).
Представленные данные носят на первый взгляд тривиальный характер, т.е. доля пластической деформации наиболее высокая у минералов с низкими значениями HV, но впервые эти соотношения получили численные значения. Наблюдаемые отличия в микромеханических характеристиках одинаковых минералов в разных метеоритах объясняется различным химическим составом фаз и различной термической и ударной предысторией вещества метеоритов.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 10-05-96047-р_урал_а.