Механизм деформации - Deformation mechanism

  (Перенаправлено с карты механизма деформации )

Механизм Деформации относится к различным процессам , происходящих в микро-масштабе, которые отвечают за изменения в материале «S внутренняя структуру, форму и объем. Процесс включает в себя плоский разрыв и / или смещение атомов от их исходного положения в системе кристаллической решетки. Эти небольшие изменения сохраняются в различных микроструктурах материалов, таких как горные породы, металлы и пластмассы, и могут быть подробно изучены с помощью оптической или цифровой микроскопии .

Процессы

Краткое изложение различных механизмов процессов, происходящих в хрупких и пластичных условиях. Эти механизмы могут перекрываться в хрупко-пластичных условиях.

Механизмы деформации обычно характеризуются как хрупкие , пластичные и хрупко-пластичные. Ответственный приводной механизм является предметом взаимодействия между внутренними (например, состав, размер зерна и предпочтительная ориентация решетки) и внешними (например, температура и давление жидкости ) факторами. Эти механизмы создают ряд микроструктур, изучаемых в горных породах, чтобы ограничить условия, реологию , динамику и движения тектонических событий. При заданном наборе условий может действовать более одного механизма, и некоторые механизмы могут развиваться независимо. Детальный анализ микроструктуры может быть использован для определения условий и времени, при которых отдельные механизмы деформации доминируют для некоторых материалов . Распространенными подразделениями процессов механизмов деформации являются:

ГРП

Кросс-поляризованное изображение высокой концентрации разноориентированных трещин в гранитной породе разлома Сан-Андреас, Калифорния. Явного смещения по трещинам нет.

Разрушение - это процесс хрупкой деформации, который приводит к постоянным линейным разрывам, не сопровождающимся смещением материала . Эти линейные разрывы или отверстия могут быть независимыми или взаимосвязанными. Для возникновения трещин предел прочности материалов должен быть превышен до точки, при которой материал разрушается . Разрыву способствует накопление высокого дифференциального напряжения (разница между максимальным и минимальным напряжением, действующим на объект). Большинство трещин перерастают в разломы. Однако термин «разлом» используется только тогда, когда плоскость излома допускает некоторую степень перемещения. Трещины могут происходить во всех масштабах, от микротрещин до макроскопических трещин и трещин в породах.

Катаклазитовый поток

Зерна округлые или почти округлые с очень мелкозернистой матрицей. Процессы разрушения «измельчают» / «скатывают» / «скользят» зерна друг о друга, создавая округлый вид отдельных зерен.

Катаклаз - это неэластичный хрупкий механизм, который действует при низких и умеренных гомологических температурах , при низком ограничивающем давлении и относительно высоких скоростях деформации . Это происходит только выше определенного уровня дифференциального напряжения , который зависит от давления и температуры жидкости . Катаклазис приспосабливает к разрушению и дроблению зерен , вызывая уменьшение размера зерна, наряду с трением по границам зерен и вращением зерен твердого тела. Интенсивный катаклаз происходит в тонких зонах вдоль поверхностей скольжения или разломов, где происходит резкое уменьшение размера зерна. В породах катаклаз образует связную и мелкозернистую разломную породу, называемую катаклазитом . Катаклазитовый поток возникает во время сдвига, когда горная порода деформируется в результате микротрещин и фрикционного скольжения, когда крошечные трещины (микротрещины) и связанные с ними фрагменты горной породы движутся друг мимо друга. Катакластический поток обычно возникает при диагенетических и низкоуровневых метаморфических условиях. Однако это зависит от минералогии материала и степени давления порового флюида . Катакластический поток обычно нестабилен и заканчивается локализацией деформации в виде скольжения на плоскостях разломов .

Скольжение границ зерен

Скольжение по границам зерен - это механизм пластической деформации , при котором кристаллы могут скользить друг мимо друга без трения и без образования значительных пустот в результате диффузии . Процесс деформации, связанный с этим механизмом, называется сыпучим потоком . Отсутствие пустот является результатом диффузионного массопереноса в твердом состоянии, локально усиленной пластической деформации кристаллов или растворения и осаждения зернограничной жидкости. Этот механизм работает с низкой скоростью деформации, создаваемой переключением соседей. Скольжение по границам зерен зависит от размера зерен и температуры . Этому способствуют высокие температуры и наличие очень мелкозернистых агрегатов, пути диффузии которых относительно короткие. Большие деформации, действующие в этом механизме, не приводят к развитию предпочтительной ориентации решетки или какой-либо заметной внутренней деформации зерен, за исключением границ зерен, чтобы приспособиться к скольжению зерен; этот процесс называется сверхпластической деформацией.

Диффузионный массоперенос

В этой группе механизмов деформация компенсируется миграцией вакансий в кристаллографической решетке . Это приводит к изменению формы кристалла, включая перенос массы путем диффузии . Эти миграции ориентированы на места максимального напряжения и ограничены границами зерен; который обусловливает ткань или деформацию кристаллографической формы . В результате получается более совершенный кристалл. Этот процесс чувствителен к размеру зерна и происходит при низких скоростях деформации или очень высоких температурах , а также за счет миграции дефектов решетки из областей с низким напряжением сжатия в области с высоким напряжением сжатия . Основными механизмами диффузионного массопереноса являются ползучесть по Набарро-Херрингу, ползучесть по Коблу и раствор под давлением .

Набарро-селедочная ползучесть, или объемная диффузия , действует при высоких гомологических температурах и зависит от размера зерна, а скорость деформации обратно пропорциональна квадрату размера зерна (скорость ползучести уменьшается с увеличением размера зерна). Во время ползучести Набарро-Херринга диффузия вакансий происходит через кристаллическую решетку [микротектоника], что вызывает удлинение зерен вдоль оси напряжений. Ползучесть набарро-сельди имеет слабую зависимость от напряжений.

Ползучесть булыжника или диффузия по границам зерен - это диффузия вакансий, происходящая вдоль границ зерен, чтобы удлинить зерна вдоль оси напряжения [микротектоника]. Ползучесть щебня имеет более сильную зависимость от размера зерна, чем ползучесть по Набарро – Херрингу, и происходит при более низких температурах , оставаясь зависимой от температуры . Он играет более важную роль, чем ползучесть Набарро – Херринга, и более важен в деформации пластической корки .

В этой группе механизмов деформация компенсируется миграцией вакансий в кристаллографической решетке . Это приводит к изменению формы кристалла, включая перенос массы путем диффузии . Эти миграции ориентированы на места максимального напряжения и ограничены границами зерен ; который обусловливает ткань или деформацию кристаллографической формы. В результате получается более совершенный кристалл .

Ползучесть дислокации

Дислокационная ползучесть - это нелинейный ( пластический ) механизм деформации, при котором вакансии в кристалле скользят и преодолевают препятствия внутри кристаллической решетки . Эти миграции внутри кристаллической решетки могут происходить в одном или нескольких направлениях и запускаются эффектами повышенного дифференциального напряжения . Это происходит при более низких температурах по сравнению с диффузионной ползучестью . Механический процесс, проявляющийся в ползучести дислокаций, называется скольжением. Основное направление, в котором происходит дислокация, определяется комбинацией плоскостей скольжения и слабой кристаллографической ориентации, возникающей из-за вакансий и несовершенств атомной структуры. Каждая дислокация заставляет часть кристалла сдвигаться на одну точку решетки вдоль плоскости скольжения относительно остальной части кристалла . Каждый кристаллический материал имеет разные расстояния между атомами или ионами в кристаллической решетке, что приводит к разной длине смещения. Вектор , характеризующая длину и ориентацию смещения называется вектором Бюргерса . Развитие сильной предпочтительной ориентации решетки можно интерпретировать как свидетельство ползучести дислокаций, поскольку дислокации движутся только в определенных плоскостях решетки .

Скольжение дислокаций не может действовать само по себе, вызывая большие деформации из-за эффектов деформационного упрочнения, когда «клубок» дислокаций может препятствовать перемещению других дислокаций, которые затем накапливаются позади заблокированных дислокаций, что затрудняет деформацию кристалла. . Диффузионная и дислокационная ползучесть могут происходить одновременно. Эффективная вязкость напряженного материала при заданных условиях температуры , давления и скорости деформации будет определяться механизмом, обеспечивающим наименьшую вязкость . Также должна быть активна какая-то форма процесса восстановления, такая как подъем дислокаций или миграция границ зерен. Скольжение дислокации приводит к более стабильному состоянию кристалла, так как ранее существовавшие дефекты устраняются. Это требует гораздо меньшего дифференциального напряжения, чем требуется для хрупкого разрушения. Этот механизм не повреждает минерал и не снижает внутреннюю прочность кристаллов .

Динамическая переработка

Динамическая рекристаллизация - это процесс снятия внутренней деформации, которая остается в зернах во время деформации . Это происходит в результате реорганизации материала с изменением размера, формы и ориентации зерен внутри одного и того же минерала . Когда рекристаллизация происходит после завершения деформации, особенно при высоких температурах , этот процесс называется статической повторной установкой или отжигом . Динамическая повторная установка приводит к уменьшению размера зерна, а статическая повторная установка приводит к образованию более крупных равных зерен.

Динамическая рекристаллизация может происходить в широком диапазоне метаморфических условий и может сильно влиять на механические свойства деформируемого материала. Динамическая рекристаллизация является результатом двух конечных процессов: (1) образование и вращение субзерен (вращательная рекристаллизация ) и (2) межзеренная миграция (миграционная рекристаллизация ).

  1. Ротационная рекристаллизация (вращение субзерен) - это прогрессирующая разориентация субзерен по мере того, как все больше дислокаций перемещается в дислокационную стенку (зона дислокаций, возникающих в результате переползания, поперечного скольжения и скольжения), что увеличивает кристаллографическое несоответствие на границе. В конце концов, разориентация на границе становится достаточно большой, чтобы распознавать отдельные зерна (обычно разориентация 10–15 °). Зерна имеют тенденцию быть удлиненными или ленточными, с большим количеством субзерен с характерным постепенным переходом от малоугловых субзерен к большеугловым границам.
  2. Миграционная рекристаллизация (миграция границ зерен) - это процессы, при которых зерно растет за счет соседних зерен. При низких температурах подвижность границы зерен может быть локальной, и граница зерен может выпирать в соседнее зерно с высокой плотностью дислокаций и образовывать новые, более мелкие, независимые кристаллы в результате процесса, называемого низкотемпературной миграцией границ зерен или выпуклостью. перекристаллизация . Образовавшиеся выпуклости могут отделяться от исходного зерна с образованием новых зерен за счет образования субзеренных (малоугловых) границ, которые могут развиваться в границы зерен , или за счет миграции границы зерен. Выпуклая рекристаллизация часто происходит по границам старых зерен в тройных стыках. При высоких температурах растущее зерно имеет более низкую плотность дислокаций, чем израсходованные зерна, и граница зерна проходит через соседние зерна, удаляя дислокации путем высокотемпературной миграционной кристаллизации по границам зерен. Границы зерен имеют лопастную форму с переменным размером зерна, при этом новые зерна обычно крупнее существующих субзерен. При очень высоких температурах зерна имеют сильно лопастную или амебовидную форму, но могут быть почти свободными от деформации.

карта

Карта механизм деформации представляет собой способ представления доминирующего механизма деформации в материале , загруженного при заданном наборе условий и тем самым его режим вероятного отказа. Карты механизма деформации обычно состоят из некоторого вида напряжения, нанесенного на какую-либо температурную ось, обычно напряжение нормализовано с использованием модуля сдвига в зависимости от гомологической температуры с контурами скорости деформации. Для данного набора рабочих условий проводятся расчеты и проводятся эксперименты для определения преобладающего механизма, действующего для данного материала. Для каждого механизма деформации были разработаны определяющие уравнения для типа механизма, которые используются при построении карт. Теоретическая прочность материала на сдвиг не зависит от температуры и расположена в верхней части карты, а режимы механизмов пластической деформации ниже. Изолинии постоянной скорости деформации могут быть построены на картах с использованием определяющих уравнений механизмов деформации, что делает карты чрезвычайно полезными.

Карты деформации также могут быть построены с использованием любых двух параметров: напряжения (нормализованное), температуры (нормализованное) и скорости деформации, с контурами третьей переменной. График зависимости напряжения от скорости деформации полезен, поскольку в этом случае степенные механизмы имеют прямые контуры температуры.

Карты механизма деформации не следует путать с аналогичными, но отчетливыми картами механизма разрушения, которые также были впервые разработаны Эшби.

строительство

Повторные эксперименты проводятся, чтобы охарактеризовать механизм деформации материала. Доминирующим механизмом является тот, который определяет скорость непрерывной деформации (скорость деформации), однако при любом заданном уровне напряжения и температуры может быть активным более одного из механизмов ползучести и пластичности . Границы между полями определяются из определяющих уравнений механизмов деформации путем решения для напряжения как функции температуры.

Чтение

Для данного профиля напряжения и температуры точка лежит в определенном «поле деформации». Если значения помещают точку около центра поля, вероятно, что основной механизм разрушения материала, то есть: тип и скорость ожидаемого разрушения, диффузия по границам зерен, пластичность, ползучесть по Набарро – Херрингу и т. Д. .. Если, однако, напряженные и температурные условия помещают точку около границы между двумя областями механизма деформации, то доминирующий механизм менее ясен. Вблизи границы режимов может происходить сочетание механизмов деформации, протекающих одновременно. Точность карт механизма деформации определяется количеством экспериментов и расчетов, проведенных при их создании.

Для заданного напряжения и температуры скорость деформации и механизм деформации материала указываются точкой на карте. Сравнивая карты различных материалов, кристаллических структур, связей, размеров зерен и т. Д., Можно проводить исследования свойств этих материалов на пластическое течение и получать более полное представление о деформации материалов.

Примеры

Выше теоретической прочности материала на сдвиг, тип бездефектного течения все еще может возникать, вызывая сдвиг материала. Движение дислокации через скольжение (при любой температуре) или ползучесть дислокации (при высоких температурах) - типичный механизм, обнаруживаемый при высоких напряжениях на картах деформации. Диффузионное течение - это режим, обычно ниже ползучести дислокаций, и возникает при высоких температурах из-за диффузии точечных дефектов в материале. Диффузионный поток может быть далее разбит на более конкретные механизмы: ползучесть Набарро – Херринга, ползучесть Кобла и ползучесть Харпера – Дорна.

Ползучесть при деформации , режим разрушения материала, который часто требует экспериментальных данных для построения эмпирических моделей его поведения, часто представляется в виде карты механизма деформации. Наносятся данные измерений при различных уровнях напряжения и температуры, часто с контурами постоянной скорости деформации . Затем карта может быть полезна для прогнозирования одного из значений температуры, напряжения и скорости деформации ползучести с учетом двух других.

Ссылки

  1. ^ Б с д е е г ч я J к л м н Passchier, CW (1996). Микротектоника . Trouw, RAJ (Рудольф AJ), 1944–. Берлин: Нью-Йорк. ISBN 3540587136. OCLC  34128501 .
  2. ^ Б с д е е г ч я J к л м п о р Q R сек т у V ш х у г Fossen, Хокон (2016-03-03). Структурная геология (Второе изд.). Кембридж, Соединенное Королевство. ISBN 9781107057647. OCLC  946008550 .
  3. ^ а б в г д Карато, Шунитиро (2011). Деформация земных материалов: введение в реологию твердой земли . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-1107406056. OCLC  1101360962 .
  4. ^ Книпе, RJ (январь 1989). «Механизмы деформации - распознавание по естественным тектонитам». Журнал структурной геологии . 11 (1–2): 127–146. Bibcode : 1989JSG .... 11..127K . DOI : 10.1016 / 0191-8141 (89) 90039-4 .
  5. ^ a b SIBSON, RH (март 1977 г.). «Разломные породы и механизмы разломов». Журнал геологического общества . 133 (3): 191–213. Bibcode : 1977JGSoc.133..191S . DOI : 10.1144 / gsjgs.133.3.0191 . ISSN  0016-7649 .
  6. ^ ГРИГГС, ДЭВИД; ХАНДИН, ДЖОН (март 1960 г.), «Глава 13: Наблюдения за разломом и гипотеза землетрясений», Деформация горных пород (симпозиум) , Мемуары Геологического общества Америки, 79 , Геологическое общество Америки, стр. 347–364, doi : 10.1130 / mem79-p347
  7. ^ a b ИНЖЕЛДЕР, ДЖЕЙМС Т. (1974). «Катаклаз и порождение разломов». Бюллетень Геологического общества Америки . 85 (10): 1515. Bibcode : 1974GSAB ... 85.1515E . DOI : 10.1130 / 0016-7606 (1974) 85 <1515: catgof> 2.0.co; 2 . ISSN  0016-7606 .
  8. ^ Булье, AM; Геген, Ю. (1975). «SP-Милониты: Происхождение некоторых милонитов сверхпластическим течением». Вклад в минералогию и петрологию . 50 (2): 93–104. Bibcode : 1975CoMP ... 50 ... 93В . DOI : 10.1007 / bf00373329 . ISSN  0010-7999 .
  9. ^ Сибсон, Richard H. (2002), "29 Геология корового очага землетрясения", Международный справочник землетрясений и инженерной сейсмологии , Международного геофизического, 81 , Elsevier, стр 455-473,. DOI : 10.1016 / s0074-6142 (02 ) 80232-7 , ISBN 9780124406520
  10. ^ Эшби, MF; Фрост, HJ (1982). Карты механизма деформации: пластичность и ползучесть металлов и керамики . Оксфорд: Pergamon Press.
  11. Перейти ↑ Ashby, MA (1983). «Механизмы деформации и разрушения» . В Хатчинсоне, JW &; Wu, TY (ред.). Успехи прикладной механики, Том 23 . Академическая пресса. С. 118–179. ISBN 0-12-002023-8. Проверено 3 ноября 2009 .
  12. ^ a b c Эшби, М. Ф (1972-07-01). «Первый отчет о картах механизма деформации». Acta Metallurgica . 20 (7): 887–897. DOI : 10.1016 / 0001-6160 (72) 90082-X .
  13. ^ Основы материаловедения и инженерии, Уильям Д. Каллистер, Джон Вили и сыновья, 2-е международное издание (3 сентября 2004 г.), ISBN  0-471-66081-7 , ISBN  978-0-471-66081-1 , стр. 334