流變學和變形機制演示文稿

1、流變學和變形機制演示文稿第一頁，共三十六頁。優(yōu)選流變學和變形機制第二頁，共三十六頁。 流變學形成于19世紀30年代。1929年，美國學者創(chuàng)建了美國流變學協(xié)會，并創(chuàng)立“流變學”雜志，從此流變學作為物理學的分支，出現(xiàn)于物理學和材料科學領(lǐng)域之中。 流變學的發(fā)展與世界工業(yè)化進程和經(jīng)濟發(fā)展密切相關(guān)。作為一門邊緣學科，它同物理學中物性學、力學，材料科學有密切聯(lián)系，也同膠體化學、高分子化學、生命科學、醫(yī)學、耐高溫金屬、陶瓷、高強度高質(zhì)量材料研究也有密切關(guān)系。因此，流變學相繼派生出膠體流變學、固體材料流變學、醫(yī)學流變學、生物流變學、血液流變學、輻射流變學等新的領(lǐng)域。 第三頁，共三十六頁。 在地球科學中，人們很

2、早認識到變形與時間效應(yīng)具有密切的關(guān)系。地殼表面豐富多彩地質(zhì)景觀現(xiàn)象和地球物理現(xiàn)象：如冰川期之后的上升、冰川流動、層狀巖石的褶皺、造山作用、地震成因、斷裂蠕動摩擦等，無不與流變學相關(guān)。地球內(nèi)部介質(zhì)的物理力學過程，如巖漿流動和噴發(fā)、地幔對流、板塊漂移都與巖石高溫高壓流變學有關(guān)，因此在地球科學中形成不同的分支學科：地球流變學，巖石圈流變學，巖石流變學和流變構(gòu)造學（Rheological tectonics）。 12 巖石流變學第四頁，共三十六頁。第五頁，共三十六頁。地球科學領(lǐng)域中研究流變學有兩種途徑： （1）宏觀流變學：從地球、巖石圈、造山帶尺度范圍研究巖石和地塊的宏觀流動現(xiàn)象連續(xù)介質(zhì)力學方法。 （

3、2）顯微流變學：從巖石礦物微觀尺度研究固體物質(zhì)流動現(xiàn)象的物理機制位錯蠕變和擴散蠕變。 12 巖石流變學第六頁，共三十六頁。1.3 與流變學有關(guān)的幾個基本概念彈性（elasticity）：指物體在外力作用下變形，當外力除去之后，物體能完全恢復原狀這種性能，通常所說的可逆變形。塑性（Plasticity）：是指物體在外力作用下立即產(chǎn)生變形，但在外力消除之后，變形不會恢復原狀并且永遠不會自行恢復的這種性質(zhì)，即通常所說的不可逆變形； 后者稱為“永久變形”、“殘余變形”。早期文獻中塑性的另一名稱為“范性”或“柔性”。第七頁，共三十六頁。1.3 與流變學有關(guān)的幾個基本概念粘性（viscosity）：是指流

4、體受外力作用運動時，分子間產(chǎn)生的內(nèi)磨擦力。牛頓（Newton）用公式表達了流體粘性（）概念：流體剪應(yīng)力與剪應(yīng)變速率和粘性（）成正比，而與應(yīng)力作用的時間成反比。 脆性（Brittle behavior）：材料在應(yīng)力-應(yīng)變曲線早期產(chǎn)生破裂的性質(zhì)（即破裂之前總應(yīng)變少于5%）。韌性（Ductile behavior）：指材料破裂之前塑性變形過程很長的材料。漢?。℉andin, 1966）用斷裂之前的總應(yīng)變來估計脆性-韌性，應(yīng)變達5-8%被認為中等韌性，超過10%就是韌性。第八頁，共三十六頁。 21 位錯概念的由來 位錯（Dislocation）是晶體缺陷（defect），最初是人們根據(jù)塑性變形理論推斷

5、出來的。20世紀三十年代，材料科學家就對晶體的塑性變形進行了大量研究工作，建立了完整晶體塑性變形的滑移模型，并根據(jù)這種模型計算出金屬晶體的理論強度（c）： c晶體臨界剪切應(yīng)力，G晶體剪切模量。 這個表達式說明：金屬晶體臨界剪切應(yīng)力（理論強度值）約為該晶體剪切模量G的1/6左右。但是人們很快就發(fā)現(xiàn)，這種模型計算的金屬晶體理論強度值與實驗測定值相差很大，相差可達到102104數(shù)量級。 這種巨大差異，使人們提出了關(guān)于晶體存在缺陷的設(shè)想（Talar, 1931年）。于是有人提出位錯是造成材料強度弱化、變形和流動的根源，并開始把位錯模型引入金屬變形及力學性質(zhì)來，初步形成了位錯理論。直到五十年代初，英國科

6、學家Hirch用透射電子顯微鏡（TEM）直接觀察到位錯形態(tài)和運動后，有關(guān)位錯的理論才為實驗所證實，位錯理論才被廣泛接受和應(yīng)用。2 位錯理論基本知識第九頁，共三十六頁。金屬臨界剪切強度理論值與實驗值比較（引用Mott） 位錯理論目前已成為金屬晶體、陶瓷、巖石、礦物力學性質(zhì)和塑性變形研究的理論基礎(chǔ)，比較成功地解釋了材料科學、地球物質(zhì)科學中一系列重要問題。材料名稱剪切模量（G） Pa/cm2實驗彈性極限值 (c) Pa/cm2G/cSn單晶1.910111.310715 000Ag單晶2.81011610645 000Al單晶2.51011410660 000Al單晶2.510112.6108900

7、Al拉絲2.510119.9108250軟Fe，多晶7.710111.5109500碳鋼810116.5109120Ni-鋁鋼810111.2101065第十頁，共三十六頁。 22 什么是位錯（Dislocation） 完整晶體的塑性變形方式 1滑移（glide） 在外力作用下，晶體的一部分相對另一部分，沿原子面從一個平衡位置平移到另一個平衡位置，這個過程叫滑移。 2雙晶（twinning） 在外力作用下，晶體的一部分相對另一部分，沿著一定晶面和一定的晶向發(fā)生切變，切變之后兩部分晶體的位向以切變面為鏡面，呈對稱關(guān)系，這種變形方式叫雙晶化（或?qū)\晶）。 晶體的缺陷（crystal defect）

8、晶體缺陷理想完整晶體中原子往往做周期性規(guī)則排列。而偏離規(guī)則排列的晶體，常引起晶體缺陷。晶體的缺陷對晶體結(jié)構(gòu)性能（強度、塑性、相變、擴散、重結(jié)晶、氧化還原）產(chǎn)生重大影響。第十一頁，共三十六頁。 1點缺陷（Point defect）是指晶體中空間點陣各個方向有很小的缺陷，即空位和填隙原子。 空位（Vacancy）是晶體點陣失去一個原子或離子，因而形成晶格點陣中的空缺，叫Schottky缺陷。 填隙（interstitial）當原子從晶體正常點陣位置轉(zhuǎn)移到點陣間隙位置，叫Frenkle缺陷。空位和填隙原子的形成和運動會引起點陣畸變，造成原子遷移，促使金屬晶體自擴散和塑性變形。 2線缺陷（line d

9、efect）或位錯（dislocation） 位錯（dislocation）沿著晶體空間點陣某一維方向上產(chǎn)生線狀缺陷，稱為位錯，在所有晶體缺陷中位錯是最為重要的。晶體的缺陷第十二頁，共三十六頁。第十三頁，共三十六頁。刃位錯的形成第十四頁，共三十六頁。螺位錯的形成第十五頁，共三十六頁。第十六頁，共三十六頁。第十七頁，共三十六頁。 2位錯研究方法 位錯理論的確定和發(fā)展，是與位錯觀測技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)的。位錯觀測技術(shù)方法主要有： （1）光學觀察：早期通過光學顯微鏡觀察自由長大的螺形式晶體表面的方法，例如驗證了弗蘭克關(guān)于“位錯臺階式”晶體長大方式的設(shè)想。 （2）化學浸蝕法：利用化學浸蝕或腐蝕顯示晶體表

10、面的位錯“露頭方法”。由于位錯中心和附近的晶體點陣發(fā)生了畸變，因此雜質(zhì)等溶質(zhì)原子偏聚在這里，顯示位錯蝕抗。 第十八頁，共三十六頁。 2位錯研究方法 （3）綴飾法或氧化法：溶質(zhì)（或雜質(zhì)）原子趨向于偏聚在位錯線及其附近。綴飾法是選擇具有一定光學特性的沉淀粒子做溶質(zhì)，以它綴飾位錯，使位錯在光學顯微鏡被直接觀察。Si單晶中弗蘭克瑞德位錯源和橄欖石氧化法就是兩個典型例子。 （4）電子顯微鏡分析法（TEM）：利用位錯對電子入射波的衍射強度不同，直接觀測位錯幾何形態(tài)特征、位錯取向和伯格斯矢量（b）大小和方法，準確測定礦物塑性變形的滑移體系（即滑移面和滑移方向的指標化）。第十九頁，共三十六頁。第二十頁，共三十

11、六頁。第二十一頁，共三十六頁。Typical subgrain structure in olivine, Katin, Launing第二十二頁，共三十六頁。Multiple cross-slip screw and loops, Mingxi, Fujian, Eastern China.第二十三頁，共三十六頁。 3 巖石變形機制 脆性變形（Brittle deformation） 破裂作用（Fracturing） 碎裂流動（Cataclastic flow） 塑性變形（Plastic deformation） 晶內(nèi)滑移（Intracrystalline glide） 位錯蠕變（Dislo

12、cation Creep） 動態(tài)恢復和動態(tài)重結(jié)晶作用 擴散蠕變（Diffusion creep） 第二十四頁，共三十六頁。 3.2脆性變形（Brittle deformation） 破裂作用（Fracturing）是指巖石和礦物在應(yīng)力作用下失去本身完整連續(xù)性而產(chǎn)生裂開、擴展及有關(guān)破壞作用過程。破裂作用微觀機制是與位錯運動有關(guān)，當沿滑移面運動的位錯受到晶界、雜質(zhì)等界面的阻礙時，發(fā)生塞積、纏結(jié)，并局部產(chǎn)生應(yīng)變硬化，使巖石或礦物強度加大，隨著應(yīng)力作用的持續(xù)增加，最終發(fā)生破裂。 碎裂流動（Cataclastic flow）是指巖石和礦物被細微密集的裂隙所切割，而整體不失去連續(xù)性的變形。碎裂流動變形的巖

13、石在宏觀上保持連續(xù)性，顯示塑性變形特征；而在微觀上則表現(xiàn)為顯微破裂和粒間滑動，顯示脆性變形特征。第二十五頁，共三十六頁。3.2塑性變形（Plastic deformation） i、晶內(nèi)滑移（Intracrystalline glide） （a）平面滑移由于位錯在晶內(nèi)的滑動，引起晶內(nèi)沿滑移面發(fā)生位移。平面滑移不但可以使晶體改變形狀，也可以形成礦物集合體形態(tài)（SPO）或結(jié)晶學優(yōu)選方位（LPO）。 （b）雙晶滑移（twin glide）雙晶滑移是由于位錯在晶內(nèi)滑動使位移兩側(cè)相對滑移面（對稱面）成鏡象對稱，即產(chǎn)生機械雙晶，或稱變形雙晶或?qū)\晶。第二十六頁，共三十六頁。ii、位錯蠕變（Dislocati

14、on Creep） 位錯蠕變是指在低應(yīng)變速率（）和低應(yīng)力（ ）作用下巖石隨時間而發(fā)生的明顯穩(wěn)態(tài)流動變形。塑性變形的本質(zhì)是位錯在熱動力作用下的運動。高溫高壓變形實驗已證實，高溫蠕變是與應(yīng)力（ ）、溫度（T）、壓力（P）、應(yīng)變速率（ ）、氧逸度（fo2）、化學組分（）具有一定函數(shù)關(guān)系的狀態(tài)方程（即冪律方程）。這一成果與冶金物理學中金屬和陶瓷硅酸鹽材料中所獲得的蠕變實驗資料是吻合的，其函數(shù)關(guān)系可以表達為：=f(, T, P, fo2, ) 。巖石流變學方程的通式可寫為： =A n exp-(Q+V*P)/(R*T) n應(yīng)力指數(shù)，A物質(zhì)結(jié)構(gòu)常數(shù)，Q與溫度有關(guān)的蠕變活化能，V 與壓力有關(guān)的蠕變活化體積，

15、R氣體常數(shù)。第二十七頁，共三十六頁。位錯蠕變類型 根據(jù)T/Tm同調(diào)溫度（homologous temperature，Tm為熔融溫度）不同，位錯蠕變可分為兩類： （1）位錯滑移蠕變（ T/Tm 0.3） 這種蠕變主要是在相對較低溫度條件下，位錯沿滑移面運動與障礙物質(zhì)點反應(yīng)而成的（例如：軋釘位錯，出溶物，纏結(jié)），它的流動應(yīng)力指數(shù)n=2.5。 第二十八頁，共三十六頁。 （2）高溫位錯蠕變（high T dislocation creep） 位錯在高溫（ T/Tm 0.3）在低應(yīng)力條件下通過自身的增殖和柏氏向量相同符號相反而湮滅作用，重新排列形成低能的穩(wěn)態(tài)亞顆粒（亞晶粒）構(gòu)造。這種亞晶粒構(gòu)造，不僅是

16、高溫穩(wěn)態(tài)流動顯微構(gòu)造的最重要標志，而且還可以作為流動古應(yīng)力值計算的顯微構(gòu)造定量參數(shù)，它的流動應(yīng)力指數(shù)。第二十九頁，共三十六頁?；謴妥饔门c重結(jié)晶作用 高溫低應(yīng)力變形時，礦物內(nèi)部會不斷地產(chǎn)生位錯，而位錯在熱動力平衡過程中是不穩(wěn)定的，總是趨向于被消除。位錯消除的方式可以是連續(xù)的方式，即在晶體結(jié)構(gòu)不變的情況下位錯發(fā)生重新排列、抵消和湮滅的恢復作用，也可以是不連續(xù)的方式，即無位錯顆粒的生長所引發(fā)的重結(jié)晶作用。 第三十頁，共三十六頁。（1）動態(tài)恢復作用（Dynamic Recovery） 在較高溫度（ T/Tm 0.5）變形或蠕變過程中出現(xiàn)的動態(tài)恢復作用，有利于塑性變形繼續(xù)進行。動態(tài)恢復時具有特定的應(yīng)力-

17、應(yīng)變曲線特征，通常顯示三個不同的變形階段：微應(yīng)變階段（0.5）變形時，或在一定臨界應(yīng)力和較慢應(yīng)變速率蠕變產(chǎn)生的重結(jié)晶作用又稱同構(gòu)造重結(jié)晶作用(Syntectonic Recrystallization)。通常在變形時位錯聚集的速率越快，顆粒邊界遷移能力越強，動態(tài)重結(jié)晶作用越明顯。動態(tài)重結(jié)晶作用主要有兩種方式：亞顆粒旋轉(zhuǎn)（Subgrain Rotation, SGR）和顆粒邊界遷移（Grain boundary Migration, GBM）。 第三十二頁，共三十六頁。 動態(tài)重結(jié)晶作用的兩種主要方式： （a）亞顆粒旋轉(zhuǎn)（Subgrain Rotation, SGR）：在變形過程中，動態(tài)恢復作用形成的亞顆粒（Subgrain）隨著應(yīng)變的增大逐漸旋轉(zhuǎn)，使相鄰亞顆粒邊界位向差超過10-15，形成大角度邊界，產(chǎn)生無位錯或位錯極少的新晶粒。 （b）顆粒邊界遷移（Grain boundary Migration, GBM）：在礦物顆粒的高位錯密度域，當位錯密度超過一定臨界值時，以晶體應(yīng)變能為驅(qū)動力，顆粒以突出成核的方式遷移，形成鋸齒狀、撕裂狀不規(guī)則界面的無位錯或位錯極少的新晶粒。第三十三頁，共三十六頁。第三十四頁，共三十六頁。第三十五頁，共三十六頁。塑性變形過程中的競爭作用（Competing Proce