Пластичность (науки о Земле)

Рис. 1.0 – Вертикальная проекция скального обнажения, подвергшегося пластической деформации, в результате которой образовался ряд асимметричных складок.

В науке о Земле пластичность относится к способности породы деформироваться до больших деформаций без макроскопического разрушения. ^[1] Такое поведение может наблюдаться в нелитифицированных или слаболитифицированных отложениях , в слабых материалах, таких как галит , или на больших глубинах во всех типах пород, где более высокие температуры способствуют пластичности кристаллов , а более высокие ограничивающие давления подавляют хрупкое разрушение. Кроме того, когда материал ведет себя пластично, он демонстрирует линейную зависимость напряжения от деформации после предела упругости. ^[1]

Пластичная деформация обычно характеризуется диффузной деформацией (т.е. отсутствием дискретной плоскости разрушения ) и на графике зависимости деформации от напряжения сопровождается скольжением в устойчивом состоянии при разрушении, по сравнению с резким падением напряжения, наблюдаемым в экспериментах при хрупком разрушении . ^[1]

Зона перехода от хрупкого к пластичному состоянию

Зона хрупко-пластичного перехода характеризуется изменением режима разрушения горных пород на приблизительной средней глубине 10–15 км (~ 6,2–9,3 миль) в континентальной коре , ниже которой горные породы становятся менее склонными к трещинам и более склонными к пластичной деформации. Зона существует, потому что с увеличением глубины всеобъемлющее давление увеличивается, а хрупкая прочность увеличивается с всеобъемлющим давлением, в то время как пластичная прочность уменьшается с ростом температуры. Переходная зона возникает в точке, где хрупкая прочность равна пластичной прочности. ^[1] В ледниковом льду эта зона находится на глубине примерно 30 м (100 футов).

Однако не все материалы выдерживают этот переход. Возможно и не редко, что материал выше переходной зоны деформируется пластично, а материал ниже деформируется хрупко. Глубина материала действительно оказывает влияние на режим деформации, но другие вещества, такие как рыхлые почвы в верхней части земной коры, податливые породы, биологический мусор и многое другое, являются лишь несколькими примерами того, что не деформируется в соответствии с переходной зоной. ^{[1] [2]}

Рис. 1.1 – Обобщенная схема механизмов деформации и структурных образований, доминирующих на определенных глубинах в земной коре.

Тип доминирующего процесса деформации также оказывает большое влияние на типы пород и структур, обнаруженных на определенных глубинах в земной коре. Как видно из рис. 1.1, различные геологические формации и породы обнаружены в соответствии с доминирующим процессом деформации. Бородка и брекчия образуются в самом верхнем, хрупком режиме, в то время как катаклазит и псевдотахилит образуются в нижних частях хрупкого режима, окаймляя переходную зону. Милонит образуется в более пластичном режиме на больших глубинах, в то время как бластомилонит образуется далеко за пределами переходной зоны и в пластичном режиме, даже глубже в коре.

Количественная оценка

Пластичность — это свойство материала, которое может быть выражено различными способами. Математически оно обычно выражается как общая величина удлинения или общая величина изменения площади поперечного сечения определенной породы до тех пор, пока не будет наблюдаться макроскопическое хрупкое поведение, такое как трещинообразование. Для точного измерения это должно быть сделано в нескольких контролируемых условиях, включая, помимо прочего, давление , температуру , содержание влаги , размер образца и т. д., поскольку все это может повлиять на измеряемую пластичность. Важно понимать, что даже один и тот же тип породы или минерала может демонстрировать разное поведение и степень пластичности из-за внутренних неоднородностей — небольших различий в масштабе между каждым отдельным образцом. Эти две величины выражаются в виде отношения или процента. ^[3]

% Удлинение породы = ^[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 скалы

% Изменение 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 горной породы. Для удлинения измерение представляет собой одномерную начальную и конечную длину, первая измеряется до приложения какого-либо напряжения , а вторая измеряет длину образца после возникновения разрушения. Для площади настоятельно рекомендуется использовать горную породу, которая была разрезана на цилиндрическую форму до приложения напряжения, чтобы можно было измерить 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 процентного изменения площади породы.

Рис. 1.2 – Кривая зависимости напряжения от деформации, демонстрирующая как пластичное, так и хрупкое деформационное поведение.

Деформация

Показано, что любой материал может деформироваться пластично или хрупко, при этом тип деформации определяется как внешними условиями вокруг породы, так и внутренними условиями образца. Внешние условия включают температуру, всестороннее давление, наличие жидкостей и т. д., а внутренние условия включают расположение кристаллической решетки, химический состав образца породы, размер зерна материала и т. д. ^[1]

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

Упругая деформация

Упругая деформация — это деформация, которая демонстрирует линейную зависимость напряжения от деформации (количественно определяемую модулем Юнга) и выводится из закона Гука о силе упругости (см. рис. 1.2). При упругой деформации объекты не проявляют постоянной деформации после того, как напряжение снимается с системы, и возвращаются в исходное состояние. ^[1]

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

Где:

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

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

${\displaystyle \epsilon }$= Штамм (безразмерный)

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 постоянна даже после снятия напряжения. ^[1]

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

Где:

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

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

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

Кристалло-пластическая деформация

Кристаллопластическая деформация происходит на атомном уровне и регулируется собственным набором специфических механизмов, которые деформируют кристаллы посредством движения атомов и атомных плоскостей через кристаллическую решетку. Как и вязкая деформация, это также постоянная форма деформации. Механизмы кристаллопластической деформации включают растворение под давлением , ползучесть дислокаций и ползучесть диффузии . ^[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 цельной древесины, подвергнутой сжимающей нагрузке в продольном направлении». ^[2] Исследование было направлено на анализ поведенческой реологии двух образцов древесины, ели ситхинской и японской березы. Ранее было показано, что цельная древесина, подвергаемая сжимающим напряжениям, изначально имеет линейную диаграмму напряжения-деформации (указывающую на упругую деформацию), а затем, 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] Контролировались содержание влаги в пиломатериалах, отсутствие дефектов, таких как сучки или искажения волокон, температура 20 °C, относительная влажность 65 % и размер срезов образцов древесины. ^[2]

Результаты, полученные в ходе эксперимента, продемонстрировали линейную зависимость напряжения от деформации во время упругой деформации, но также и неожиданную нелинейную зависимость между напряжением и деформацией для пиломатериала после достижения предела упругости, что отклоняется от модели теории пластичности. Было предложено несколько причин, по которым это произошло. Во-первых, поскольку древесина является биологическим материалом, было высказано предположение, что при большом напряжении в эксперименте дробление клеток внутри образца могло стать причиной отклонения от идеально пластичного поведения. При большем разрушении клеточного материала предполагается, что зависимость напряжения от деформации становится все более и более нелинейной и неидеальной при большем напряжении. Кроме того, поскольку образцы были неоднородными (неоднородными) материалами, предполагалось, что в образцах могли произойти некоторые изгибы или искажения, которые могли отклонить напряжение от идеально одноосного. Это также могло быть вызвано другими факторами, такими как неровности в профиле плотности клеток и искаженная резка образца. ^[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 материальных свойств биологического вещества. ^[2]

Пиковая потребность в пластичности

Пиковая потребность в пластичности — это величина, используемая, в частности, в областях архитектуры, геологической инженерии и машиностроения. Она 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 ответ на землетрясения и сейсмические волны. ^[4]

Было показано, что повторные толчки землетрясений могут увеличить пиковую потребность в пластичности по сравнению с основными толчками до 10% ^{[4] .}

Ссылки

1. Fossen, H. (2010). Структурная геология. Cambridge University Press . ISBN 9780521516648. Получено 27 января 2013 г.
2. Ёсихара, Хироши (2014-01-06). «Анализ пластичности деформации в тангенциальном направлении массива древесины, подвергнутого сжимающей нагрузке в продольном направлении». BioResources . 9 (1): 1097–1110. doi : 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; Чэнь, Чжицян; Ли, Шуан; Сье, Ли-Ли (2013-02-01). "Спектры повреждений при колебаниях грунта типа последовательности главного толчка–афтершока". Динамика грунтов и сейсмостойкость . 45 : 1–12. doi :10.1016/j.soildyn.2012.10.001.