Пластичность (науки о Земле)

Рис. 1.0. Вертикальный вид обнажения горной породы, претерпевшего пластическую деформацию с образованием серии асимметричных складок.

В науках о Земле под пластичностью понимают способность породы деформироваться до больших деформаций без макроскопического разрушения. ^[1] Такое поведение может наблюдаться в нелитифицированных или плохо литифицированных отложениях , в слабых материалах, таких как галит, или на больших глубинах во всех типах горных пород, где более высокие температуры способствуют пластичности кристаллов , а более высокие всесторонние давления подавляют хрупкое разрушение. Кроме того, когда материал ведет себя пластично, он демонстрирует линейную зависимость напряжения от деформации , выходящую за предел упругости. ^[1]

Пластичная деформация обычно характеризуется диффузной деформацией (т.е. отсутствием дискретной плоскости разлома ) и на графике напряжения-деформации сопровождается установившимся скольжением при разрушении по сравнению с резким падением напряжения, наблюдаемым в экспериментах во время хрупкого разрушения . ^[1]

Хрупко-пластичная переходная зона

Переходная зона хрупкости и пластичности характеризуется изменением режима разрушения горных пород на средней глубине примерно 10–15 км (~ 6,2–9,3 миль) в континентальной коре , ниже которой вероятность разрушения горных пород становится менее вероятной и более вероятной – деформироваться. пластично. Зона существует потому, что с увеличением глубины ограничивающее давление увеличивается, а хрупкая прочность увеличивается с ростом ограничивающего давления, тогда как пластичная прочность снижается с увеличением температуры. Переходная зона возникает в точке, где хрупкая прочность равна пластической прочности. ^[1] В ледниковом льду эта зона находится на глубине примерно 30 м (100 футов).

Однако не все материалы выдерживают этот переход. Вполне возможно, что нередко материал над переходной зоной деформируется пластично, а материал ниже — хрупко. Глубина материала действительно оказывает влияние на характер деформации, но другие вещества, такие как рыхлые почвы в верхней коре, пластичные породы, биологические остатки и т. д., являются лишь несколькими примерами того, что не деформируется в соответствии с требованиями закона. переходная зона. ^{[1] [2]}

Рис. 1.1 – Обобщенная схема механизмов деформаций и структурных образований, доминирующих на определенных глубинах в пределах земной коры.

Большое влияние на типы горных пород и структур, встречающихся на определенных глубинах земной коры, оказывает также тип доминирующего деформационного процесса. Как видно из рис. 1.1, в соответствии с доминирующим деформационным процессом встречаются различные геологические образования и породы. Гуж и брекчия образуются в самом верхнем хрупком режиме, тогда как катаклазит и псевдотахилит образуются в нижних частях хрупкого режима, граничащих с переходной зоной. Милонит формируется в более пластичном режиме на больших глубинах, тогда как бластомилонит формируется далеко за пределами переходной зоны и в пластичном режиме, еще глубже в земной коре.

Количественная оценка

Пластичность – это свойство материала, которое можно выразить по-разному. Математически это обычно выражается как общая величина удлинения или общая величина изменения площади поперечного сечения конкретной породы до тех пор, пока не будет наблюдаться макроскопическое хрупкое поведение, такое как разрушение. Для точных измерений это должно выполняться при нескольких контролируемых условиях, включая, помимо прочего, давление , температуру , содержание влаги , размер образца и т. д., поскольку все они могут влиять на измеренную пластичность. Важно понимать, что даже один и тот же тип породы или минерала может проявлять различное поведение и степень пластичности из-за внутренних неоднородностей и небольших различий между каждым отдельным образцом. Эти две величины выражаются в форме отношения или процента. ^[3]

% удлинение камня = ^[3] ${\displaystyle \%\Delta l={\frac {l_{f}-l_{i}}{l_{i}}}\times 100}$

Где:

${\displaystyle l_{i}}$= Начальная длина камня

${\displaystyle l_{f}}$= Окончательная длина камня

% изменения площади камня = ^[3] ${\displaystyle \%\Delta A={\frac {A_{f}-A_{i}}{A_{i}}}\times 100}$

Где:

${\displaystyle A_{i}}$= Начальная площадь

${\displaystyle A_{f}}$= Конечная область

Для каждого из этих методов количественной оценки необходимо провести измерения как начальных, так и конечных размеров образца породы. Для удлинения измерением является одномерная начальная и конечная длина: первая измеряется до приложения какого-либо напряжения , а вторая измеряет длину образца после разрушения. Для определения площади крайне предпочтительно использовать горную породу, которой перед приложением напряжения была придана цилиндрическая форма, чтобы можно было определить площадь поперечного сечения образца.

Площадь поперечного сечения цилиндра = Площадь круга = ${\displaystyle A=\pi r^{2}}$

Используя это, начальную и конечную площади образца можно использовать для количественной оценки % изменения площади породы.

Рис. 1.2 – Кривая зависимости напряжения от деформации, показывающая поведение как пластичной, так и хрупкой деформации.

Деформация

Показано, что любой материал способен деформироваться пластично или хрупко, при этом вид деформации определяется как внешними условиями вокруг породы, так и внутренними условиями образца. К внешним условиям относятся температура, всестороннее давление, наличие флюидов и т. д., а к внутренним – расположение кристаллической решетки, химический состав образца породы, размер зерен материала и т. д. ^[1]

Пластично-деформационное поведение можно разделить на три категории: упругая, вязкая и кристаллопластическая деформация.

Эластичная деформация

Упругая деформация — это деформация, которая демонстрирует линейную зависимость напряжения от деформации (определяемую модулем Юнга) и выводится из закона пружинных сил Гука (см. рис. 1.2). При упругой деформации объекты не проявляют остаточной деформации после того, как из системы снято напряжение и они возвращаются в исходное состояние. ^[1]

${\displaystyle \sigma =E\epsilon }$

Где:

${\displaystyle \sigma }$= Напряжение (в Паскалях)

${\displaystyle E}$= Модуль Юнга (в паскалях)

${\displaystyle \epsilon }$= Деформация (безразмерная)

Вязкая деформация

Вязкая деформация – это когда горные породы ведут себя и деформируются скорее как жидкость, чем как твердое тело. Это часто происходит под большим давлением и при очень высоких температурах. При вязкой деформации напряжение пропорционально скорости деформации, и каждый образец горной породы имеет собственное свойство материала, называемое вязкостью . В отличие от упругой деформации, вязкая деформация остается постоянной даже после снятия напряжения. ^[1]

${\displaystyle \sigma =\eta \xi }$

Где:

${\displaystyle \sigma }$= Напряжение (в Паскалях)

${\displaystyle \eta }$= Вязкость (в паскалях * секундах)

${\displaystyle \xi }$= Скорость деформации (в 1/секунду)

Кристаллопластическая деформация

Кристаллопластическая деформация происходит на атомном уровне и регулируется собственным набором конкретных механизмов, которые деформируют кристаллы за счет движения атомов и атомных плоскостей через кристаллическую решетку. Как и вязкая деформация, это также постоянная форма деформации. К механизмам кристаллопластической деформации относятся растворение под давлением , дислокационная ползучесть и диффузионная ползучесть . ^[1]

Биологические материалы

Помимо горных пород, биологические материалы, такие как древесина, пиломатериалы, кости и т. д., также могут быть оценены на предмет их пластичности, поскольку многие из них ведут себя таким же образом и обладают теми же характеристиками, что и абиотические земные материалы. Эта оценка была сделана в эксперименте Хироши Ёсихары «Анализ пластичности деформации в тангенциальном направлении массивной древесины, подвергнутой сжимающей нагрузке в продольном направлении». ^[2] Целью исследования было проанализировать поведенческую реологию двух образцов древесины: ситкинской ели и японской березы. Ранее было показано, что твердая древесина при воздействии сжимающих напряжений первоначально имеет линейную диаграмму растяжения (указывающую упругую деформацию), а позже, при большей нагрузке, демонстрирует нелинейную диаграмму, указывающую на пластичные объекты. ^[2] Для анализа реологии напряжение было ограничено одноосным сжатием в продольном направлении, а постлинейное поведение было проанализировано с использованием теории пластичности. ^[2] Контроль включал содержание влаги в пиломатериалах, отсутствие дефектов, таких как сучки или искажения волокон, температуру 20 C, относительную влажность 65 % и размер срезов образцов древесины. ^[2]

Результаты, полученные в результате эксперимента, показали линейную зависимость напряжения от деформации во время упругой деформации, а также неожиданную нелинейную связь между напряжением и деформацией пиломатериала после достижения предела упругости, что отклоняется от модели теории пластичности. Было предложено несколько причин, почему это произошло. Во-первых, поскольку древесина является биологическим материалом, было высказано предположение, что при сильном стрессе в эксперименте разрушение клеток внутри образца могло стать причиной отклонения от идеально пластического поведения. Предполагается, что при большем разрушении клеточного материала соотношение напряжение-деформация становится все более нелинейным и неидеальным при увеличении напряжения. Кроме того, поскольку образцы представляли собой неоднородные (неоднородные) материалы, предполагалось, что в образцах мог произойти некоторый изгиб или искажение, которые могли отклонить напряжение от идеально одноосного. Это также могло быть вызвано другими факторами, такими как неравномерность профиля плотности клеток и искаженная обрезка образцов. ^[2]

Выводы исследования точно показали, что, хотя биологические материалы могут вести себя как горные породы, подвергающиеся деформации, существует множество других факторов и переменных, которые необходимо учитывать, что затрудняет стандартизацию пластичности и свойств материала биологического вещества. ^[2]

Пиковая потребность в пластичности

Пиковая потребность в пластичности — это величина, используемая, в частности, в области архитектуры, геологической инженерии и машиностроения. Он определяется как величина пластической деформации, которую материал должен выдерживать (при воздействии напряжения) без хрупкого разрушения или разрушения. ^[4] Эта величина особенно полезна при анализе разрушения конструкций в результате землетрясений и сейсмических волн. ^[4]

Было показано, что афтершоки землетрясений могут увеличить пиковую потребность в пластичности по отношению к основным толчкам до 10%. ^[4]

Рекомендации

1. Фоссен, Х. (2010). Структурная геология. Издательство Кембриджского университета . ISBN 9780521516648. Проверено 27 января 2013 г.
2. Ёсихара, Хироши (6 января 2014 г.). «Анализ пластичности деформации в тангенциальном направлении массивной древесины, подвергнутой сжимающей нагрузке в продольном направлении». Биоресурсы . 9 (1): 1097–1110. дои : 10.15376/biores.9.1.1097-1110 . ISSN  1930-2126.
3. Каллистер, Уильям (2007). Материаловедение и инженерия . Соединенные Штаты Америки: John Wiley & Sons, Inc.
4. Чжай, Чан-Хай; Вэнь, Вэй-Пин; Чен, ЧжиЦян; Ли, Шуан; Се, Ли-Ли (01 февраля 2013 г.). «Спектры повреждений для последовательных движений грунта главного толчка – афтершока». Динамика грунтов и сейсмическая инженерия . 45 : 1–12. doi :10.1016/j.soildyn.2012.10.001.