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近日，我院杨文东教授团队在高温条件下岩石微观力学行为的表征方法及微观变形机理研究方面取得新进展，相关研究成果《The effects of temperature and indentation parameters on mechanical properties of calcite through molecular dynamics simulation》发表在《Computers and Geotechnics》（2025，IF=6.2，中科院1区Top）。论文通讯作者为杨文东教授，第一作者为博士研究生王柄淇，ok138cn太阳集团为第一署名单位和唯一通讯单位。上述研究得到国家自然科学基金、山东省自然科学基金项目资助。
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深部能源的开采常面临高温环境，钻孔取芯困难，难以开展常规岩石力学试验探究储层岩石的力学性质。这对深层能源有效开发和长期安全运营提出挑战。基于分子动力学，考虑温度对岩石力学特性影响，提出了压痕试验中岩石力学特性的分析和模拟方法。从纳米压痕结果、原子位移和应变三方面阐明了温度对方解石力学行为的影响。此外，分析了不同压痕参数下方解石的纳米压痕过程，发现改变压痕深度及压头半径能反映出晶面不同的弹性响应，加载速率升高使得方解石强度升高并使塑性变形减小。该研究有助于进一步了解深部岩石微观变形机理，并为深层岩石开展纳米压痕试验提供理论指导。
（1）考虑温度效应，开展基于分子动力学的压痕实验数值模拟
纳米压痕过程中压头的位移-载荷曲线如图所示。随着温度的上升，原子的热运动更加活跃，P-h曲线随着温度的升高波动的更加剧烈，不同晶面大致经历了两个过程：温度从298 K上升至398 K时，在相同荷载作用下，(001)晶面位移小于(104)和(110)晶面位移；温度高于398 K后，(001)和(104)晶面的位移差异逐渐减小。说明温度上升使得方解石的各向异性减小。与加载曲线相比，所有的卸载曲线都存在明显的滞后现象，这是由于方解石产生较大的塑性变形。压痕过程中压头受到的载荷反映出方解石阻碍自身晶格变形、抵御外界载荷的能力。由图看出(001)晶面的压头载荷明显小于(104)和(110)晶面，表明(001)晶面抵抗外部载荷能力较低。
不同晶面在不同温度条件下的纳米压痕荷载-位移曲线
（2）从原子位移角度分析了压痕实验过程中温度对岩石力学行为的影响
纳米压痕过程中三种晶面原子位移量的变化存在不同。随着温度的升高，(001)晶面变形起初沿着X方向传播；到398 K时模型表面出现凸起现象；温度继续升高，压痕方向的原子位移表现出明显的增大。(104)晶面在350 K时的原子位移相比于298 K和398 K有所减小，此时(104)晶面压痕方向的穿透深度较298 K和398 K浅。随着温度升高450 K之后，(104)晶面X方向的位移变化较压痕方向更加显著。当原子在X方向运动到一定程度时，变形开始向压痕方向传播，并且可以观察到模型产生了倾斜。这种现象与方解石解理面(104)有关。(110)晶面压痕方向的位移随温度升高而变化显著，模型初始表面处变形逐渐剧烈。不同温度情况下(110)晶面压痕两侧原子的位移量接近，大体呈中心对称。
不同温度条件下方解石不同晶面的原子位移响应
（3）阐明了不同压痕参数对岩石力学行为的影响
在压痕实验过程中，压痕深度、压头形状、尺寸以及压痕速率对岩石的力学性能表征会产生较大影响。本研究从上述四方面展开了基于分子动力学的压痕实验，研究不同压痕参数对方解石纳米压痕过程的影响。以不同球形压头的半径为例，如图所示，随压头半径增大，压头与基体模型的接触面积增多，压头受到的载荷就越大，不同压头半径下(001)晶面的峰值载荷均小于其它两种晶面。随着压头半径增大，(104)和(110)晶面的弹性恢复比增加，即塑性变形不断减小，而(001)晶面没有显示出这一规律，这与原子的振动和热运动使得曲线波动剧烈有关。另外观察到卸载段载荷的下降速度逐渐增加，即大压头半径下晶面呈现出更强的弹性性质。
(a) (001) (b) (104) (c) (
)
不同压头半径对方解石晶面荷载-位移曲线的影响
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2024.106835
