流變學(xué)和變形機(jī)制演示文稿

流變學(xué)和變形機(jī)制演示文稿當(dāng)前1頁，總共36頁。優(yōu)選流變學(xué)和變形機(jī)制當(dāng)前2頁，總共36頁。

流變學(xué)形成于19世紀(jì)30年代。1929年，美國學(xué)者創(chuàng)建了美國流變學(xué)協(xié)會(huì)，并創(chuàng)立“流變學(xué)”雜志，從此流變學(xué)作為物理學(xué)的分支，出現(xiàn)于物理學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域之中。

流變學(xué)的發(fā)展與世界工業(yè)化進(jìn)程和經(jīng)濟(jì)發(fā)展密切相關(guān)。作為一門邊緣學(xué)科，它同物理學(xué)中物性學(xué)、力學(xué)，材料科學(xué)有密切聯(lián)系，也同膠體化學(xué)、高分子化學(xué)、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、耐高溫金屬、陶瓷、高強(qiáng)度高質(zhì)量材料研究也有密切關(guān)系。因此，流變學(xué)相繼派生出膠體流變學(xué)、固體材料流變學(xué)、醫(yī)學(xué)流變學(xué)、生物流變學(xué)、血液流變學(xué)、輻射流變學(xué)等新的領(lǐng)域。當(dāng)前3頁，總共36頁。

在地球科學(xué)中，人們很早認(rèn)識(shí)到變形與時(shí)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(dòng)、層狀巖石的褶皺、造山作用、地震成因、斷裂蠕動(dòng)摩擦等，無不與流變學(xué)相關(guān)。地球內(nèi)部介質(zhì)的物理力學(xué)過程，如巖漿流動(dòng)和噴發(fā)、地幔對(duì)流、板塊漂移都與巖石高溫高壓流變學(xué)有關(guān)，因此在地球科學(xué)中形成不同的分支學(xué)科：地球流變學(xué)，巖石圈流變學(xué)，巖石流變學(xué)和流變構(gòu)造學(xué)（Rheologicaltectonics）。

1．2巖石流變學(xué)當(dāng)前4頁，總共36頁。當(dāng)前5頁，總共36頁。地球科學(xué)領(lǐng)域中研究流變學(xué)有兩種途徑：（1）宏觀流變學(xué)：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(dòng)現(xiàn)象—連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法。（2）顯微流變學(xué)：從巖石礦物微觀尺度研究固體物質(zhì)流動(dòng)現(xiàn)象的物理機(jī)制—位錯(cuò)蠕變和擴(kuò)散蠕變。

1．2巖石流變學(xué)當(dāng)前6頁，總共36頁。1.3與流變學(xué)有關(guān)的幾個(gè)基本概念彈性（elasticity）：指物體在外力作用下變形，當(dāng)外力除去之后，物體能完全恢復(fù)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(huì)恢復(fù)原狀并且永遠(yuǎn)不會(huì)自行恢復(fù)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(xiàn)中塑性的另一名稱為“范性”或“柔性”。當(dāng)前7頁，總共36頁。1.3與流變學(xué)有關(guān)的幾個(gè)基本概念粘性（viscosity）：是指流體受外力作用運(yùn)動(dòng)時(shí)，分子間產(chǎn)生的內(nèi)磨擦力。牛頓（Newton）用公式表達(dá)了流體粘性（η）概念：流體剪應(yīng)力與剪應(yīng)變速率和粘性（η）成正比，而與應(yīng)力作用的時(shí)間成反比。

脆性（Brittlebehavior）：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（Ductilebehavior）：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(jì)脆性-韌性，應(yīng)變達(dá)5-8%被認(rèn)為中等韌性，超過10%就是韌性。當(dāng)前8頁，總共36頁。

2．1位錯(cuò)概念的由來位錯(cuò)（Dislocation）是晶體缺陷（defect），最初是人們根據(jù)塑性變形理論推斷出來的。20世紀(jì)三十年代，材料科學(xué)家就對(duì)晶體的塑性變形進(jìn)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(jì)算出金屬晶體的理論強(qiáng)度（σc）：

σc—晶體臨界剪切應(yīng)力，G—晶體剪切模量。這個(gè)表達(dá)式說明：金屬晶體臨界剪切應(yīng)力（理論強(qiáng)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(jì)算的金屬晶體理論強(qiáng)度值與實(shí)驗(yàn)測定值相差很大，相差可達(dá)到102~104數(shù)量級(jí)。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(cuò)是造成材料強(qiáng)度弱化、變形和流動(dòng)的根源，并開始把位錯(cuò)模型引入金屬變形及力學(xué)性質(zhì)來，初步形成了位錯(cuò)理論。直到五十年代初，英國科學(xué)家Hirch用透射電子顯微鏡（TEM）直接觀察到位錯(cuò)形態(tài)和運(yùn)動(dòng)后，有關(guān)位錯(cuò)的理論才為實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，位錯(cuò)理論才被廣泛接受和應(yīng)用?！?位錯(cuò)理論基本知識(shí)當(dāng)前9頁，總共36頁。金屬臨界剪切強(qiáng)度理論值與實(shí)驗(yàn)值比較（引用Mott）

位錯(cuò)理論目前已成為金屬晶體、陶瓷、巖石、礦物力學(xué)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(xué)、地球物質(zhì)科學(xué)中一系列重要問題。材料名稱剪切模量（G）Pa/cm2實(shí)驗(yàn)彈性極限值(σc)Pa/cm2G/σcSn單晶1.9×10111.3×10715000Ag單晶2.8×10116×10645000Al單晶2.5×10114×10660000Al單晶2.5×10112.6×108900Al拉絲2.5×10119.9×108250軟Fe，多晶7.7×10111.5×109500碳鋼8×10116.5×109120Ni-鋁鋼8×10111.2×101065當(dāng)前10頁，總共36頁。

2．2什么是位錯(cuò)（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(duì)另一部分，沿原子面從一個(gè)平衡位置平移到另一個(gè)平衡位置，這個(gè)過程叫滑移。

2．雙晶（twinning）在外力作用下，晶體的一部分相對(duì)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(duì)稱關(guān)系，這種變形方式叫雙晶化（或?qū)\晶）。

晶體的缺陷（crystaldefect）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(duì)晶體結(jié)構(gòu)性能（強(qiáng)度、塑性、相變、擴(kuò)散、重結(jié)晶、氧化還原）產(chǎn)生重大影響。當(dāng)前11頁，總共36頁。

1．點(diǎn)缺陷（Pointdefect）—是指晶體中空間點(diǎn)陣各個(gè)方向有很小的缺陷，即空位和填隙原子。

空位（Vacancy）—是晶體點(diǎn)陣失去一個(gè)原子或離子，因而形成晶格點(diǎn)陣中的空缺，叫Schottky缺陷。

填隙（interstitial）—當(dāng)原子從晶體正常點(diǎn)陣位置轉(zhuǎn)移到點(diǎn)陣間隙位置，叫Frenkle缺陷?？瘴缓吞钕对拥男纬珊瓦\(yùn)動(dòng)會(huì)引起點(diǎn)陣畸變，造成原子遷移，促使金屬晶體自擴(kuò)散和塑性變形。

2．線缺陷（linedefect）或位錯(cuò)（dislocation）

位錯(cuò)（dislocation）—沿著晶體空間點(diǎn)陣某一維方向上產(chǎn)生線狀缺陷，稱為位錯(cuò)，在所有晶體缺陷中位錯(cuò)是最為重要的。晶體的缺陷當(dāng)前12頁，總共36頁。當(dāng)前13頁，總共36頁。刃位錯(cuò)的形成當(dāng)前14頁，總共36頁。螺位錯(cuò)的形成當(dāng)前15頁，總共36頁。當(dāng)前16頁，總共36頁。當(dāng)前17頁，總共36頁。

2．位錯(cuò)研究方法

位錯(cuò)理論的確定和發(fā)展，是與位錯(cuò)觀測技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)的。位錯(cuò)觀測技術(shù)方法主要有：（1）光學(xué)觀察：早期通過光學(xué)顯微鏡觀察自由長大的螺形式晶體表面的方法，例如驗(yàn)證了弗蘭克關(guān)于“位錯(cuò)臺(tái)階式”晶體長大方式的設(shè)想。（2）化學(xué)浸蝕法：利用化學(xué)浸蝕或腐蝕顯示晶體表面的位錯(cuò)“露頭方法”。由于位錯(cuò)中心和附近的晶體點(diǎn)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(cuò)蝕抗。

當(dāng)前18頁，總共36頁。

2．位錯(cuò)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(cuò)線及其附近。綴飾法是選擇具有一定光學(xué)特性的沉淀粒子做溶質(zhì)，以它綴飾位錯(cuò)，使位錯(cuò)在光學(xué)顯微鏡被直接觀察。Si單晶中弗蘭克—瑞德位錯(cuò)源和橄欖石氧化法就是兩個(gè)典型例子。（4）電子顯微鏡分析法（TEM）：利用位錯(cuò)對(duì)電子入射波的衍射強(qiáng)度不同，直接觀測位錯(cuò)幾何形態(tài)特征、位錯(cuò)取向和伯格斯矢量（b）大小和方法，準(zhǔn)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(biāo)化）。當(dāng)前19頁，總共36頁。當(dāng)前20頁，總共36頁。當(dāng)前21頁，總共36頁。Typicalsubgrainstructureinolivine,Katin,Launing當(dāng)前22頁，總共36頁。Multiplecross-slipscrewandloops,Mingxi,Fujian,EasternChina.當(dāng)前23頁，總共36頁。§3巖石變形機(jī)制

■脆性變形（Brittledeformation）破裂作用（Fracturing）碎裂流動(dòng)（Cataclasticflow）

■塑性變形（Plasticdeformation）

晶內(nèi)滑移（Intracrystallineglide）位錯(cuò)蠕變（DislocationCreep）動(dòng)態(tài)恢復(fù)和動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用

■擴(kuò)散蠕變（Diffusioncreep）

當(dāng)前24頁，總共36頁。

3.2．脆性變形（Brittledeformation）

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(kuò)展及有關(guān)破壞作用過程。破裂作用微觀機(jī)制是與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有關(guān)，當(dāng)沿滑移面運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)受到晶界、雜質(zhì)等界面的阻礙時(shí)，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(qiáng)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(dòng)（Cataclasticflow）—是指巖石和礦物被細(xì)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(dòng)變形的巖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(dòng)，顯示脆性變形特征。當(dāng)前25頁，總共36頁。3.2．塑性變形（Plasticdeformation）

i、晶內(nèi)滑移（Intracrystallineglide）（a）平面滑移—由于位錯(cuò)在晶內(nèi)的滑動(dòng)，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(xué)優(yōu)選方位（LPO）。（b）雙晶滑移（twinglide）—雙晶滑移是由于位錯(cuò)在晶內(nèi)滑動(dòng)使位移兩側(cè)相對(duì)滑移面（對(duì)稱面）成鏡象對(duì)稱，即產(chǎn)生機(jī)械雙晶，或稱變形雙晶或?qū)\晶。當(dāng)前26頁，總共36頁。ii、位錯(cuò)蠕變（DislocationCreep）

位錯(cuò)蠕變是指在低應(yīng)變速率（?）和低應(yīng)力（σ）作用下巖石隨時(shí)間而發(fā)生的明顯穩(wěn)態(tài)流動(dòng)變形。塑性變形的本質(zhì)是位錯(cuò)在熱動(dòng)力作用下的運(yùn)動(dòng)。高溫高壓變形實(shí)驗(yàn)已證實(shí)，高溫蠕變是與應(yīng)力（σ）、溫度（T）、壓力（P）、應(yīng)變速率（?

）、氧逸度（fo2）、化學(xué)組分（μ）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(xué)中金屬和陶瓷硅酸鹽材料中所獲得的蠕變實(shí)驗(yàn)資料是吻合的，其函數(shù)關(guān)系可以表達(dá)為：?=f(σ,T,P,fo2,μ)。巖石流變學(xué)方程的通式可寫為：

?=A·σn·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，R—?dú)怏w常數(shù)。當(dāng)前27頁，總共36頁。位錯(cuò)蠕變類型

根據(jù)T/Tm同調(diào)溫度（homologoustemperature，Tm為熔融溫度）不同，位錯(cuò)蠕變可分為兩類：

（1）位錯(cuò)滑移蠕變（T/Tm

≤0.3）這種蠕變主要是在相對(duì)較低溫度條件下，位錯(cuò)沿滑移面運(yùn)動(dòng)與障礙物質(zhì)點(diǎn)反應(yīng)而成的（例如：軋釘位錯(cuò)，出溶物，纏結(jié)），它的流動(dòng)應(yīng)力指數(shù)n=2.5。

當(dāng)前28頁，總共36頁。

（2）高溫位錯(cuò)蠕變（highTdislocationcreep）

位錯(cuò)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(hào)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，不僅是高溫穩(wěn)態(tài)流動(dòng)顯微構(gòu)造的最重要標(biāo)志，而且還可以作為流動(dòng)古應(yīng)力值計(jì)算的顯微構(gòu)造定量參數(shù)，它的流動(dòng)應(yīng)力指數(shù)。當(dāng)前29頁，總共36頁?；謴?fù)作用與重結(jié)晶作用

高溫低應(yīng)力變形時(shí)，礦物內(nèi)部會(huì)不斷地產(chǎn)生位錯(cuò)，而位錯(cuò)在熱動(dòng)力平衡過程中是不穩(wěn)定的，總是趨向于被消除。位錯(cuò)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(cuò)發(fā)生重新排列、抵消和湮滅的恢復(fù)作用，也可以是不連續(xù)的方式，即無位錯(cuò)顆粒的生長所引發(fā)的重結(jié)晶作用。

當(dāng)前30頁，總共36頁。（1）動(dòng)態(tài)恢復(fù)作用（DynamicRecovery）在較高溫度（T/Tm

>0.5）變形或蠕變過程中出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)恢復(fù)作用，有利于塑性變形繼續(xù)進(jìn)行。動(dòng)態(tài)恢復(fù)時(shí)具有特定的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征，通常顯示三個(gè)不同的變形階段：微應(yīng)變階段（ε<1%）→流動(dòng)變形階段→穩(wěn)態(tài)流動(dòng)階段，在穩(wěn)態(tài)流動(dòng)階段晶體開始發(fā)生持續(xù)應(yīng)變。而與動(dòng)態(tài)恢復(fù)作用相反的過程通常稱之為加工硬化（Workinghardening），簡言之，即由于晶體塑性變形越大，內(nèi)應(yīng)力逐漸增大，晶體的進(jìn)一步變形愈來愈困難。當(dāng)前31頁，總共36頁。

（2）動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用(DynamicalRecrystallization)

是指礦物在較高溫度（T/Tm

>0.5）變形時(shí)，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(SyntectonicRecrystallization)。通常在變形時(shí)位錯(cuò)聚集的速率越快，顆粒邊界遷移能力越強(qiáng)，動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用越明顯。動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用主要有兩種方式：亞顆粒旋轉(zhuǎn)（SubgrainRotation,SGR）和顆粒邊界遷移（GrainboundaryMigration,GBM）。