第7章流变学和变形机制.pptVIP

流变学是物理学的分支，它是以研究物质在外力场或其它物理场作用下变形和流动的学科，是以现代材料科学、物理冶金学、物理学、连续介质力学等学科的知识为基础发展起来的一门交叉学科。具体地讲，流变学是研究材料变形的力学性质和状况的新的力学分支，主要是探讨材料在应力、应变、温度、压力、流体等条件下与时间有关的变形、流动和破坏的规律，即时间效应。 §1 概述（Introduction） 1．1? 流变的定义（Definition of rheology） 第一页，共三十七页。 流变学形成于19世纪30年代。1929年，美国学者E.C.Binghan创建了美国流变学协会，并创立“流变学”杂志，从此流变学作为物理学的分支，出现于物理学和材料科学领域之中。 流变学的发展与世界工业化进程和经济发展密切相关。作为一门边缘学科，它同物理学中物性学、力学，材料科学有密切联系，也同胶体化学、高分子化学、生命科学、医学、耐高温金属、陶瓷、高强度高质量材料研究也有密切关系。因此，流变学相继派生出胶体流变学、固体材料流变学、医学流变学、生物流变学、血液流变学、辐射流变学等新的领域。 第二页，共三十七页。 在地球科学中，人们很早认识到变形与时间效应具有密切的关系。地壳表面丰富多彩地质景观现象和地球物理现象：如冰川期之后的上升、冰川流动、层状岩石的褶皱、造山作用、地震成因、断裂蠕动摩擦等，无不与流变学相关。地球内部介质的物理力学过程，如岩浆流动和喷发、地幔对流、板块漂移都与岩石高温高压流变学有关，因此在地球科学中形成不同的分支学科：地球流变学，岩石圈流变学，岩石流变学和流变构造学（Rheological tectonics）。 1．2 岩石流变学 第三页，共三十七页。 第四页，共三十七页。 地球科学领域中研究流变学有两种途径： （1）宏观流变学：从地球、岩石圈、造山带尺度范围研究岩石和地块的宏观流动现象—连续介质力学方法。 （2）显微流变学：从岩石矿物微观尺度研究固体物质流动现象的物理机制—位错蠕变和扩散蠕变。 1．2 岩石流变学 第五页，共三十七页。 1.3 与流变学有关的几个基本概念 弹性（elasticity）：指物体在外力作用下变形，当外力除去之后，物体能完全恢复原状这种性能，通常所说的可逆变形。 塑性（Plasticity）：是指物体在外力作用下立即产生变形，但在外力消除之后，变形不会恢复原状并且永远不会自行恢复的这种性质，即通常所说的不可逆变形； 后者称为“永久变形”、“残余变形”。早期文献中塑性的另一名称为“范性”或“柔性”。 第六页，共三十七页。 1.3 与流变学有关的几个基本概念 粘性（viscosity）：是指流体受外力作用运动时，分子间产生的内磨擦力。牛顿（Newton）用公式表达了流体粘性（η）概念：流体剪应力与剪应变速率和粘性（η）成正比，而与应力作用的时间成反比。 脆性（Brittle behavior）：材料在应力-应变曲线早期产生破裂的性质（即破裂之前总应变少于5%）。 韧性（Ductile behavior）：指材料破裂之前塑性变形过程很长的材料。汉丁（Handin, 1966）用断裂之前的总应变来估计脆性-韧性，应变达5-8%被认为中等韧性，超过10%就是韧性。 第七页，共三十七页。 2．1 位错概念的由来 位错（Dislocation）是晶体缺陷（defect），最初是人们根据塑性变形理论推断出来的。20世纪三十年代，材料科学家就对晶体的塑性变形进行了大量研究工作，建立了完整晶体塑性变形的滑移模型，并根据这种模型计算出金属晶体的理论强度（σc）： σc—晶体临界剪切应力，G—晶体剪切模量。 这个表达式说明：金属晶体临界剪切应力（理论强度值）约为该晶体剪切模量G的1/6左右。但是人们很快就发现，这种模型计算的金属晶体理论强度值与实验测定值相差很大，相差可达到102~104数量级。 这种巨大差异，使人们提出了关于晶体存在缺陷的设想（Talar, 1931年）。于是有人提出位错是造成材料强度弱化、变形和流动的根源，并开始把位错模型引入金属变形及力学性质来，初步形成了位错理论。直到五十年代初，英国科学家Hirch用透射电子显微镜（TEM）直接观察到位错形态和运动后，有关位错的理论才为实验所证实，位错理论才被广泛接受和应用。 §2 位错理论基本知识 第八页，共三十七页。 金属临界剪切强度理论值与实验值比较（引用Mott） 位错理论目前已成为金属晶体、陶瓷、岩石、矿物力学性质和塑性变形研究的理论基础，比较成功地解释了材料科学、地球物质科学中一系列