변형 메커니즘

Deformation mechanism

지질 공학에서 변형 메커니즘은 물질의 내부 구조, 형태 및 부피 변화를 담당하는 미세한 스케일로 발생하는 공정이다.[1][2] 공정은 결정 격자 구조 내에서 원자의 원래 위치에서 평면적인 불연속성 및/또는 변위를 포함한다.[1][3] 이러한 작은 변화들은 암석, 금속, 플라스틱과 같은 물질의 다양한 미세구조물에 보존되어 있으며, 광학이나 디지털 현미경을 이용하여 심층적으로 연구할 수 있다.[1]

과정

부서지기 쉬운 연성 조건 내에서 발생하는 다양한 메커니즘 프로세스의 요약. 이러한 메커니즘은 부서지기 쉬운 유도 설정에서 중복될 수 있다.

변형 메커니즘은 일반적으로 부서지기 쉬운 연성 및 부서지기 쉬운 유도체로 특징지어진다. 운전 메커니즘은 내부(예: 구성, 입자 크기 및 격자 선호 방향)와 외부(예: 온도 및 유체 압력) 요인 사이의 상호 작용이다.[1][2] 이러한 메커니즘은 지각학, 역학, 지각학, 역학, 그리고 지각변동의 움직임을 구속하기 위해 암석에서 연구된 일련의 미세구조를 만들어낸다.[4] 주어진 조건 하에서 둘 이상의 메커니즘이 활성화될 수 있으며 일부 메커니즘은 독립적으로 발전할 수 있다. 세부적인 미세구조 분석을 사용하여 일부 재료의 개별 변형 메커니즘이 지배하는 조건과 타이밍을 정의할 수 있다. 일반적인 변형 메커니즘 프로세스에는 다음이 포함된다.

프랙처링

주요 기사: 프랙처링
캘리포니아 산 안드레아스 단층부의 그래니티 암석 내 가변 방향 관절이 고농축인 교차 편광 이미지. 골절상을 따라 뚜렷한 변위 없음.

파쇄(fracting)는 영구적인 선형 파손을 일으키는 부서지기 쉬운 변형 과정으로, 재료 내에서 변위를 동반하지 않는다.[1][3] 이러한 선형 파손 또는 개구부는 독립적이거나 상호 연결될 수 있다.[1][2] 파쇄가 일어나려면 재료의 궁극적인 강도를 재료가 파열되는 지점까지 초과해야 한다.[2] 파열은 높은 미분 응력(물체에 작용하는 최대 응력과 최소 응력 간의 차이)의 축적에 의해 도움을 받는다.[2][3] 대부분의 골절은 결함으로 성장한다.[2] 단, 단층이라는 용어는 파단면이 어느 정도의 움직임을 수용할 때에만 사용된다.[2] 파쇄는 미세골절에서부터 거시적인 골절과 암석의 관절에 이르기까지 모든 스케일에 걸쳐 일어날 수 있다.[1][2][3]

카타클라스틱 흐름

주요 기사: 감식
매우 미세한 갈림질 행렬 안에서 둥근 원형의 알갱이로 둥글게 처리한다. 파단 공정은 "그라인드"/"롤"/"슬라이드" 낟알을 서로 지나쳐 개별 낟알의 둥근 모양을 만든다.

강직증(cataclasis, communication)은 저온에서 중간 정도의 균질 온도, 낮은 구속 압력 및 상대적으로 높은 변형률에서 작동하는 비탄성 부서지기 메커니즘이다.[1][2][3] 유체 압력과[5] 온도에 따라 달라지는 일정한 미분응력 수준 이상에서만 발생한다.[6] 강직성은 곡물의 파단 및 파쇄를 수용하여 곡물 크기를 줄이고 곡물 경계의 마찰 슬라이딩 및 단단한 차체 곡물 회전을 유발한다.[2][5][7] 강도 높은 강직증은 극도의 곡물 크기 감소가 발생하는 슬립이나 단층 표면을 따라 얇은 구역에서 발생한다.[1] 암석에서는 쇄석암이라는 응집력이 있고 결이 고운 결점암을 형성한다. 쇄석 과정에서 작은 골절(마이크로크랙스)과 관련 암석 파편이 서로 스쳐 지나가는 미세골절과 마찰 슬라이딩에 의해 암석이 변형될 때 갑상선 흐름이 발생한다.[2][7] 카타클라스틱 흐름은 보통 저급 변태 상태로의 진단에서 발생한다. 그러나 이는 물질의 광물학 및 모공액압력의 정도에 따라 달라진다.[2] 캐타클라스틱 흐름은 일반적으로 불안정하며, 단층 평면의 슬립으로의 변형의 국소화에 의해 종료된다.[1][2]

곡물경계 슬라이딩

곡물 경계 슬라이딩은 결정체가 마찰 없이 그리고 확산의 결과로 상당한 공극 없이 서로 미끄러질 수 있는 소성 변형 메커니즘이다.[2] 이 메커니즘과 관련된 변형 과정을 세분화된 흐름이라고 한다.[8] 공극의 부재는 고체 상태의 확산 질량 전달, 국소적으로 강화된 결정 플라스틱 변형, 또는 곡물 경계 유체의 용액과 침전으로부터 발생한다.[1] 이 메커니즘은 이웃 교환에 의해 발생하는 낮은 변형률로 작동한다. 곡물 경계 슬라이딩은 곡물의 크기와 온도에 따라 달라진다. 고온과 확산 경로가 상대적으로 짧은 매우 미세한 골재의 존재에 의해 선호된다. 이 메커니즘에서 작동되는 큰 변종은 곡물 슬라이딩을 수용하기 위한 곡물 경계를 제외하고 격자 선호 방향이나 눈에 띄는 곡물의 내부 변형을 초래하지 않는다. 이러한 과정을 초플라스틱 변형이라고 한다.

확산질량전달

이 메커니즘 그룹에서 변형률은 결정 격자의 빈 공간 이동에 의해 수용된다.[2] 이것은 확산에 의한 질량의 전달과 관련된 결정 모양의 변화를 초래한다. 이러한 이동은 최대 응력이 발생하는 지점을 지향하며 결정학적 형태 직물 또는 변형을 조건으로 하는 곡물 경계에 의해 제한된다. 그 결과는 더 완벽한 결정이다.[2] 이 공정은 곡물 크기에 민감하며 낮은 변형률 또는 매우 높은 온도에서 발생하며, 저압력 영역에서 높은 압축응력 영역으로 격자 결함의 이동에 의해 수용된다. 확산성 질량 전달의 주요 메커니즘은 나바로-헤링 크리프, 코블 크리프, 압력 용액이다.

나바로-허링 크리프(Nabarro-herring cref, 또는 볼륨 확산)는 높은 동음이의 온도에서 작용하며, 곡물 크기는 곡물 크기의 제곱에 반비례하는 변형률에 의존한다(곡물 크기가 증가함에 따라 크립 속도는 감소한다). 나바로-헤링 크리프 동안 결원의 확산은 결정 격자(마이크로텍토닉스)를 통해 일어나며, 이는 응력 축을 따라 곡물이 길어지는 원인이 된다. 나바로-헤링 크리프는 스트레스 의존성이 약하다.

코블 크리프(Coble creep, 또는 곡물 경계 확산)는 곡물 경계선을 따라 빈 자리가 분산되어 스트레스 축을 따라 곡물이 길어지는 것을 말한다. 코블 크리프는 나바로보다 곡물 크기의 의존도가 더 높다.청어는 온도에 따라 다르지만 낮은 온도에서 발생한다. 나바로보다 더 중요한 역할을 한다.청어는 소름끼치고 플라스틱 껍질의 변형에 더 중요하다.

이 메커니즘 그룹에서 변형률은 결정 격자의 빈 공간 이동에 의해 수용된다.[2] 이것은 확산에 의한 질량의 전달과 관련된 결정 모양의 변화를 초래한다. 이러한 이동은 최대 응력이 발생하는 지점을 지향하며 결정학적 형태 직물 또는 변형을 조건으로 하는 곡물 경계에 의해 제한된다. 그 결과는 더 완벽한 결정이다.[2]

탈구 크리프

탈구 크리프는 결정의 빈 공간이 미끄러져 결정 격자 내 장애물 현장을 지나 올라가는 비선형(플라스틱) 변형 메커니즘이다.[1] 결정 격자 내의 이러한 이동은 하나 이상의 방향으로 발생할 수 있으며, 증가된 차동 응력의 영향에 의해 유발된다.[1][2] 확산 크리프에 비해 낮은 온도에서 발생한다.[2] 탈구 크리프에서 제시된 기계적 과정을 슬립이라고 한다. 탈구가 일어나는 주된 방향은 원자 구조의 결함과 결함으로 인한 슬립 평면과 약한 결정학적 방향의 조합으로 정의된다.[2] 각 탈구는 결정의 일부가 나머지 부분에 비해 슬립면을 따라 격자점 하나를 이동하게 한다. 각 결정 물질은 결정 격자 안의 원자나 이온 사이의 거리가 달라 변위 길이가 달라진다. 변위의 길이와 방향을 특징짓는 벡터를 버거 벡터라고 한다. 강한 격자 선호 방향의 발달은 탈구가 특정 격자 평면에서만 이동하기 때문에 탈구 크리프에 대한 증거로 해석할 수 있다.[1][2]

탈구 글라이드는 변형강화 효과로 인해 스스로 큰 변종을 만들어낼 수 없으며, 탈구 '탱글'은 다른 탈구의 움직임을 억제할 수 있고, 이 경우 막힌 탈구 뒤에 쌓여 결정의 변형이 어렵게 된다. 확산과 탈구 크리프는 동시에 발생할 수 있다. 온도, 압력 및 변형률의 주어진 조건에서 응력 소재의 유효 점도는 가장 작은 점도를 전달하는 메커니즘에 의해 결정된다.[9] 탈구 상승이나 곡물 경계 이동과 같은 어떤 형태의 회복 과정도 활발해야 한다. 탈구가 미끄러지면 기존의 불완전함이 제거되면서 수정의 안정 상태가 된다. 그것은 부서지기 쉬운 파쇄에 필요한 것보다 훨씬 낮은 차분 스트레스를 요구한다. 이 메커니즘은 광물을 손상시키거나 결정체의 내부 강도를 감소시키지 않는다.[2]

동적 재분배

주요 기사: 동적 재분배

동적 재분할은 변형 시 곡물에 남아 있는 내부 변형률을 제거하는 과정이다.[2] 이것은 같은 광물 내에서 곡물의 크기, 모양, 방향의 변화를 가진 물질의 재구성에 의해 일어난다. 변형이 종료된 후 특히 고온에서 재분산이 발생할 때, 그 과정을 정적 재분배(static recrystalization) 또는 어닐링(annealing)이라고 한다.[2] 동적 재분배는 곡물 크기를 감소시키고 정적 재분배는 더 큰 등가 곡물을 형성하게 된다.[2]

동적 재분석은 광범위한 변성 조건에서 발생할 수 있으며 변형 물질의 기계적 특성에 강한 영향을 미칠 수 있다. 동적 재분배는 두 가지 최종 멤버 프로세스의 결과물이다. (1) 하위 그리드의 형성 및 회전(회전 재분배)과 (2) 곡물 경계 마이그레이션(이동 재분배)

  1. 회전 재분배(하위 회전)는 탈구벽(등반, 교차 미끄럼, 활공 등으로 인한 탈구 영역)으로 더 많은 탈구가 이동함에 따라 경계에 걸친 결정학적 불일치가 증가함에 따라 서브그레이드가 점진적으로 방향을 잘못 잡는 것이다. 결국, 경계를 가로지르는 오방향은 개별 곡물(보통 10~15° 오방향)을 인식할 만큼 충분히 크다. 곡물은 긴 편이나 리본 모양으로 되어 있는 경향이 있으며, 하위 결이 많은 편이며, 저각 하위 결선에서 고각 경계로 점차적으로 변화되는 특징이 있다.
  2. 이주 재분배(grain-boundary migration)는 곡물이 이웃 곡물을 희생하여 자라는 과정이다. 저온에서는 곡물 경계의 이동성이 국소적일 수 있으며, 곡물 경계가 높은 탈구 밀도를 가진 이웃 곡물로 불어나 저온 곡물 경계 이동 또는 불룩하게 재분할이라는 과정에 의해 새롭고 작은 독립 결정체를 형성할 수 있다. 생산되는 불룩은 원래 곡물과 분리되어 곡물 경계로 진화할 수 있는 하위곡물(저각도) 경계의 형성이나 곡물 경계의 이동에 의해 새로운 곡물을 형성할 수 있다. 불룩한 재분산은 종종 3중접합에서 오래된 곡물의 경계를 따라 발생한다. 고온에서 자라는 곡물은 소비되는 곡물보다 탈구 밀도가 낮고, 곡물 경계가 인접 곡물을 휩쓸어 고온의 곡물 경계 이동 결정화에 의한 탈구를 제거한다. 곡물 경계는 곡물 크기가 가변적인 로브(robate)로 되어 있으며, 일반적으로 새로운 곡물은 기존 하위곡물보다 크다. 매우 높은 온도에서 곡물은 로브나 아메보이드 성분이 높지만 거의 무리가 없을 수 있다.

변형 메커니즘 맵

변형 메커니즘 맵은 주어진 조건 하에서 적재된 재료에서 지배적인 변형 메커니즘을 나타내는 방법이다. 이 기술은 지질학뿐만 아니라 모든 결정 물질, 야금학에도 적용할 수 있다. 변형 메커니즘 맵은 일반적으로 어떤 종류의 온도 축에 대해 표시된 응력으로 구성되며, 전형적으로 변형률의 윤곽이 있는 전단 계량 대 동음이의 온도를 사용하여 정규화된 응력으로 구성된다. [10] [11]

주어진 작동 조건 집합에 대해 계산이 수행되고 실험이 수행되어 주어진 재료에 대해 작용하는 지배적 메커니즘을 결정한다. 메커니즘 유형에 대한 구성 방정식은 각 변형 메커니즘에 대해 개발되었으며 지도 제작에 사용된다. 재료의 이론적 전단 강도는 온도와 무관하며 지도 상단을 따라 위치하며 그 아래에 소성 변형 메커니즘의 방법이 있다. 일정한 변형률 등고선은 지도를 매우 유용하게 만드는 변형 메커니즘의 구성 방정식을 사용하여 지도에 구성할 수 있다.[12]

변형 맵은 세 번째 변수의 등고선과 함께 응력(정규화), 온도(정규화), 변형률의 두 가지를 사용하여 구성할 수도 있다. 스트레스/변형률 그림은 힘-법률 메커니즘이 직선인 온도의 등고선을 가지기 때문에 유용하다.

변형 메커니즘 맵은 유사하지만 뚜렷한 고장 메커니즘 맵과 혼동해서는 안 되며, 이 맵 역시 애쉬비가 처음 개발한 것이다.

프로세스 맵

소결, 확산 본딩, 고온 이등분압, 삽입을 위한 프로세스 맵을 구성하는 데 동일한 기술이 사용되어 왔다.[13]

건설

재료가 변형되는 메커니즘을 특성화하기 위해 반복실험을 수행한다. 지배적 메커니즘은 연속 변형률(변형률)을 지배하는 메커니즘이지만, 주어진 스트레스와 온도 수준에서는 크리프와 가소성 메커니즘 중 하나 이상이 활성화될 수 있다. 장 사이의 경계는 온도의 함수로서 응력을 풀어서 변형 메커니즘의 구성 방정식으로 결정된다.[12]

출판된 지도들 중 많은 것에 사용되는 프로그래밍 코드는 오픈 소스고[14] 그것의 개발의 아카이브는 온라인이다.[13] 많은 연구자들이 이 지도를 만들기 위해 그들만의 코드를 작성하기도 했다.

독서

주어진 스트레스 프로필과 온도의 경우, 포인트는 특정 "변형 필드"에 있다. 만약 값이 한 영역의 중심에 가까운 점을 배치한다면, 재료가 고장나는 일차 메커니즘, 즉 예상 고장 유형과 비율, 곡물 경계 확산, 가소성, 나바로–청어 크리프 등 그러나 응력과 온도 조건이 두 변형 메커니즘 영역 사이의 경계 부근에 지점을 배치하면 지배적 메커니즘이 덜 명확하다. 제도들의 경계 근처에는 동시에 일어나는 변형의 메커니즘의 조합이 있을 수 있다. 변형 메커니즘 맵은 생성에서 수행되는 실험과 계산의 수만큼 정확하다.

주어진 응력과 온도의 경우 재료의 변형률과 변형 메커니즘은 지도상의 한 지점에서 주어진다. 다양한 재료의 지도, 결정구조, 결합, 곡물크기 등을 비교함으로써 플라스틱 흐름에 대한 이러한 재료 특성에 대한 연구를 수행할 수 있고 재료의 변형에 대한 보다 완전한 이해를 얻을 수 있다.

예

재료의 이론적 전단 강도 위에서는 결점 없는 흐름의 유형이 여전히 발생하여 재료를 깎을 수 있다. 글라이드(모든 온도) 또는 탈구 크리프(고온에서)를 통한 탈구 운동은 변형 지도에서 높은 응력에서 발견되는 대표적인 메커니즘이다. 디퓨젼 흐름은 전형적으로 탈구 크리프 이하에서 발생하는 것으로, 소재의 포인트 결함의 확산으로 고온에서 발생한다. 확산 흐름은 보다 구체적인 메커니즘으로 더 세분화될 수 있다: 나바로-헤링 크리프, 코블 크리프, 하퍼-도른 크리프.[12]

참조

  1. ^ a b c d e f g h i j k l m n Passchier, C. W. (1996). Microtectonics. Trouw, R. A. J. (Rudolph A. J.), 1944–. Berlin: New York. ISBN 3540587136. OCLC 34128501.
  2. ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z Fossen, Haakon (2016-03-03). Structural geology (Second ed.). Cambridge, United Kingdom. ISBN 9781107057647. OCLC 946008550.
  3. ^ a b c d e Karato, Shun'ichirō (2011). Deformation of earth materials: an introduction to the rheology of solid earth. Cambridge University Press. ISBN 978-1107406056. OCLC 1101360962.
  4. ^ Knipe, R.J (January 1989). "Deformation mechanisms — recognition from natural tectonites". Journal of Structural Geology. 11 (1–2): 127–146. Bibcode:1989JSG....11..127K. doi:10.1016/0191-8141(89)90039-4.
  5. ^ a b SIBSON, R. H. (March 1977). "Fault rocks and fault mechanisms". Journal of the Geological Society. 133 (3): 191–213. Bibcode:1977JGSoc.133..191S. doi:10.1144/gsjgs.133.3.0191. ISSN 0016-7649. S2CID 131446805.
  6. ^ GRIGGS, DAVID; HANDIN, JOHN (March 1960), "Chapter 13: Observations on Fracture and a Hypothesis of Earthquakes", Rock Deformation (A Symposium), Geological Society of America Memoirs, 79, Geological Society of America, pp. 347–364, doi:10.1130/mem79-p347
  7. ^ a b ENGELDER, JAMES T. (1974). "Cataclasis and the Generation of Fault Gouge". Geological Society of America Bulletin. 85 (10): 1515. Bibcode:1974GSAB...85.1515E. doi:10.1130/0016-7606(1974)85<1515:catgof>2.0.co;2. ISSN 0016-7606.
  8. ^ Boullier, A. M.; Gueguen, Y. (1975). "SP-Mylonites: Origin of some mylonites by superplastic flow". Contributions to Mineralogy and Petrology. 50 (2): 93–104. Bibcode:1975CoMP...50...93B. doi:10.1007/bf00373329. ISSN 0010-7999. S2CID 129388677.
  9. ^ Sibson, Richard H. (2002), "29 Geology of the crustal earthquake source", International Handbook of Earthquake and Engineering Seismology, International Geophysics, 81, Elsevier, pp. 455–473, doi:10.1016/s0074-6142(02)80232-7, ISBN 9780124406520
  10. ^ Ashby, M.F.; Frost, H.J. (1982). Deformation-Mechanism Maps: The Plasticity and Creep of Metals and Ceramics. Oxford: Pergamon Press.
  11. ^ Ashby, M.A. (1983). "Mechanisms of Deformation and Fracture". In Hutchinson, J.W. &; Wu, T.Y. (eds.). Advances in applied mechanics, Volume 23. Academic Press. pp. 118–179. ISBN 0-12-002023-8. Retrieved 2009-11-03.
  12. ^ a b c Ashby, M. F (1972-07-01). "A first report on deformation-mechanism maps". Acta Metallurgica. 20 (7): 887–897. doi:10.1016/0001-6160(72)90082-X.
  13. ^ a b Sargent, P.M. (2020). "Deformation Mechanism Maps -Programming". Retrieved 2020-11-23.
  14. ^ "defm-maps". Retrieved 2020-11-23.