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綦超等-JGR:晶粒尺寸对冰的“位错蠕变”的影响的实验研究
2021-10-12 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  冰川与冰盖中冰的流动被广泛认为是由位错蠕变这一变形机制所控制的。位错蠕变是一种应变率与应力的n次方成正比,与晶粒尺寸无关的变形机制。过去,研究者广泛认为n的经验值为3。然而,更多的实验室数据发现n的值应为4。这种n值上的差异很可能是不同研究者实验方式或数据采集方式的不同所导致的。如图1,在peak stress(小形变量)采集的力学数据反映了材料在均匀、各向同性的显微结构下的流变学性质;而在flow stress(大形变量)采集的力学数据则反映了材料在各向异性的显微结构下的流变学性质。 

1 不同形变量下获得的peak stressflow stress数据的示意图。(a)恒定应变率下的典型应力-应变图。(b)应力-应变率的双对数坐标图。图中显示了当peak stressflow stress下获得的n值不同的情况

  由于n值上的差异将会导致冰川流动的模拟和预测结果的巨大差异,为了理解并弥合这一差异,中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理院重点实验室綦超副研究员,联合宾夕法尼亚大学Goldsby教授,对一系列冰样品进行了低温有围压的轴向压缩变形实验,并分析了实验的力学数据,旨在不同数据采集方式下,计算冰的位错蠕变的应力指数n    

  研究发现,在peak stress下获得的n值为3.6,这与前人小形变量实验发现的n=3.5非常接近。在flow stress下获得的n值为3.9,这与前人在形变量实验发现的n=4.0非常接近。同时,实验数据还揭示了(1)不同初始晶粒尺寸的样品(0.23 mm0.63 mm),在peak stress的数据上有差异(图2绿色与粉色实线);(2peak stressflow stress两种形变量下获得的n值不同。这两个结果说明,在实验的温压条件下,晶粒尺寸对冰样品的流变性质是有影响的,通过计算可得晶粒尺寸指数为0.35。然而,位错蠕变的定义是与晶粒尺寸无关的变形机制。这一发现指示,学界过去认为的冰的位错蠕变域可能并非位错蠕变,而是一种晶界滑移蠕变。本研究将改变学界对冰的变形机制的认识。 

2 实验结果的力学数据,在应变率-应力双对数坐标上的图。绿色方框和蓝色圆圈代表初始晶粒尺寸为0.23 mm的冰样品分别在1020 MPa的围压下变形的数据;粉色三角代表初始晶粒尺寸为0.63 mm的冰样品在10 MPa的围压下变形的数据;空心标记代表数据取自peak stress,实心标记则为flow stress;粗实线和虚线是数据的拟合;细虚线和点划线是Goldsby-Kohlstedt流变率公式的计算值

  研究成果发表于国际权威学术期刊JGR: Solid Earth 綦超, Goldsby D L. An experimental investigation of the effect of grain size on “dislocation creep” of ice[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2021, 126: e2021JB021824. DOI: 10.1029/2021JB021824)。研究受中国自然科学基金面上项目、美国航空航天局基金等资助。 

 
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