Tažnost (věda o Zemi) - Ductility (Earth science) - Wikipedia

Obr. 1.0 - Vertikální hledisko skalního výběžku, který prošel tvárnou deformací a vytvořil řadu asymetrických záhybů.

v Věda o Zemi, naproti tomu Věda o materiálech, Kujnost odkazuje na kapacitu a Skála deformovat na velké kmeny bez makroskopického štěpení.^[1] K takovému chování může dojít nelitifikovaným nebo špatně litifikovaný sedimenty, ve slabých materiálech, jako je halit nebo ve větších hloubkách u všech typů hornin, kde podporují vyšší teploty krystalická plasticita a vyšší omezující tlaky potlačit křehkou zlomeninu. Navíc, když se materiál chová tažně, vykazuje lineární stres vs. kmen vztah přes hranici pružnosti.^[1]

Tažná deformace je typicky charakterizována difúzní deformací (tj. Chybí diskrétní poruchová rovina ) a na a nervové vypětí graf je doprovázen ustáleným posunem při selhání ve srovnání s prudkým poklesem napětí pozorovaným v experimentech během křehká porucha.^[1]

Křehká-tvárná přechodová zóna

Křehko-tvárná přechodová zóna je charakterizována změnou režimu selhání horniny v přibližné průměrné hloubce 10–15 km (~ 6,2–9,3 mil) v Kontinentální kůra, pod kterým Skála se stává méně pravděpodobné, že se zlomí a pravděpodobněji se tvárně deformuje. Zóna existuje, protože s rostoucí hloubkou se zvyšuje omezující tlak a křehká pevnost se zvyšuje s omezujícím tlakem, zatímco tvárná pevnost klesá se zvyšující se teplotou. K přechodové zóně dochází v bodě, kde se křehká pevnost rovná tvárné pevnosti.^[1] v glaciální led tato zóna má hloubku přibližně 30 m (100 stop).

Ne všechny materiály však tento přechod dodržují. Je možné a není vzácné, aby se materiál nad přechodovou zónou tvárně deformoval a aby se materiál níže deformoval křehkým způsobem. Hloubka materiálu má vliv na způsob deformace, ale jiné látky, jako jsou uvolněné půdy v horní kůře, tvárné kameny, biologické úlomky a další, jsou jen několika příklady toho, co se nedeformuje podle přechodová zóna.^[1][2]

Obr. 1.1 - Zobecněný diagram deformačních mechanismů a strukturálních útvarů, které dominují v určitých hloubkách v zemské kůře.

Typ procesu dominující deformace má také velký dopad na typy hornin a struktur, které se nacházejí v určitých hloubkách v zemské kůře. Jak je patrné z obr. 1.1, v souladu s dominantním deformačním procesem se nacházejí různé geologické útvary a horniny. Gouge a Breccia tvoří v nejvyšším, křehkém režimu, zatímco Kataklasit a Pseudotachylit tvoří ve spodních částech křehkého režimu, lemující přechodovou zónu. Mylonit se tvoří v tvárnějším režimu ve větších hloubkách, zatímco blastomylonit se tvoří hluboko za přechodovou zónou a dobře do tvárného režimu, dokonce hlouběji do kůry.

Kvantifikace

Tažnost je hmotná vlastnost, kterou lze vyjádřit různými způsoby. Matematicky se běžně vyjadřuje jako celkové množství prodloužení nebo a celkové množství změny v průřezové ploše konkrétní horniny, dokud není pozorováno makroskopické křehké chování, jako je například štěpení. Pro přesné měření to musí být provedeno za několika kontrolovaných podmínek, mimo jiné včetně Tlak, Teplota, Obsah vlhkosti, Velikost vzorku atd., Pro všechny může ovlivnit měřenou tažnost. Je důležité si uvědomit, že i stejný typ horniny nebo minerálu může vykazovat odlišné chování a stupně tažnosti v důsledku vnitřních heterogenit malých rozdílů mezi jednotlivými vzorky. Dvě veličiny jsou vyjádřeny ve formě poměru nebo procenta.^[3]

% Prodloužení skály = ${ displaystyle \% Delta l = { frac {l_ {f} -l_ {i}} {l_ {i}}} krát 100}$ ^[3]

Kde:

${ displaystyle l_ {i}}$ = Počáteční délka horniny

${ displaystyle l_ {f}}$ = Konečná délka skály

% Změna v oblasti skály ${ displaystyle \% Delta A = { frac {A_ {f} -A_ {i}} {A_ {i}}} krát 100}$ ^[3]

Kde:

${ displaystyle A_ {i}}$ = Počáteční plocha

${ displaystyle A_ {f}}$ = Konečná plocha

U každé z těchto metod kvantifikace je třeba provést měření počátečního i konečného rozměru vzorku horniny. Pro prodloužení je měření jednodimenzionální počáteční a konečná délka, první měřená dříve Stres se použije a druhá měří délku vzorku po zlomenině. Pro oblast je silně výhodné použít horninu, která byla před aplikací napětí rozřezána na válcový tvar, aby bylo možné zachytit průřezovou plochu vzorku.

Průřezová plocha válce = Plocha kruhu = ${ displaystyle A = pi r ^ {2}}$

Tímto způsobem lze počáteční a konečnou plochu vzorku použít ke kvantifikaci% změny v oblasti horniny.

Obr. 1.2 - Křivka napětí vs. deformace zobrazující tvárné i křehké deformační chování.

Deformace

Je prokázáno, že jakýkoli materiál je schopen deformovat se tažně nebo křehce, přičemž typ deformace je řízen jak vnějšími podmínkami kolem horniny, tak vzorkem vnitřních podmínek. Mezi vnější podmínky patří teplota, omezující tlak, přítomnost tekutin atd., Zatímco vnitřní podmínky zahrnují uspořádání krystalové mřížky, chemické složení vzorku horniny, velikost zrna materiálu atd.^[1]

Tažně deformační chování lze rozdělit do tří kategorií: pružná, viskózní a křišťálově-plastická deformace.

Elastická deformace

Elastická deformace je deformace, která vykazuje lineární vztah napětí-deformace (kvantifikovaný Youngovým modulem) a je odvozena z Hookeův zákon sil pružiny (viz obr. 1.2). Při elastické deformaci objekty nevykazují žádné trvalé deformace po odstranění napětí ze systému a návratu do původního stavu.^[1]

${ displaystyle sigma = E epsilon}$

Kde:

${ displaystyle sigma}$ = Stres (v pascalech)

${ displaystyle E}$ = Youngův modul (v pascalech)

${ displaystyle epsilon}$ = Kmen (bez jednotky)

Viskózní deformace

Viskózní deformace je situace, kdy se horniny chovají a deformují spíše jako tekutina než pevná látka. K tomu často dochází při velkém tlaku a při velmi vysokých teplotách. Při viskózní deformaci je napětí úměrné rychlosti deformace a každý vzorek horniny má svou vlastní materiálovou vlastnost, která se nazývá jeho Viskozita. Na rozdíl od elastické deformace je viskózní deformace trvalá i po odstranění napětí.^[1]

${ displaystyle sigma = eta xi}$

Kde:

${ displaystyle sigma}$ = Stres (v pascalech)

${ displaystyle eta}$ = Viskozita (v pascalech * sekundy)

${ displaystyle xi}$ = Rychlost namáhání (za 1 / sekundu)

Křišťálově-plastická deformace

Krystalová-plastická deformace nastává v atomovém měřítku a je řízena vlastní sadou specifických mechanismů, které deformují krystaly pohybem atomů a atomových rovin skrz krystalovou mřížku. Stejně jako viskózní deformace je také trvalou formou deformace. Mezi mechanismy krystalicko-plastické deformace patří Tlakové řešení, Dislokační plazivost, a Difúzní tečení.^[1]

Biologické materiály

Kromě hornin lze biologické materiály, jako je dřevo, řezivo, kosti atd., Hodnotit také z hlediska jejich tažnosti, protože mnoho z nich se chová stejným způsobem a má stejné vlastnosti jako abiotické materiály Země. Toto hodnocení bylo provedeno v experimentu Hiroshi Yoshihary „Analýza plasticity deformace v tangenciálním směru masivního dřeva vystaveného tlakovému zatížení v podélném směru.“ ^[2] Cílem studie bylo analyzovat chování reologie ze 2 vzorků dřeva, smrku Sitka a břízy japonské. V minulosti se ukázalo, že masivní dřevo, když je vystaveno tlakovým napětím, má zpočátku lineární diagram napětí-deformace (indikující elastickou deformaci) a později, při větším zatížení, demonstruje nelineární diagram indikující tvárné předměty.^[2] Pro analýzu reologie bylo napětí omezeno na jednoosou kompresi v podélném směru a postlineární chování bylo analyzováno pomocí teorie plasticity.^[2] Kontroly zahrnovaly obsah vlhkosti v řezivu, nedostatek defektů, jako jsou suky nebo deformace zrna, teplota při 20 ° C, relativní vlhkost při 65% a velikost řezaných tvarů vzorků dřeva.^[2]

Výsledky získané z experimentu vykazovaly lineární vztah napětí-deformace během elastické deformace, ale také neočekávaný nelineární vztah mezi napětím a deformací pro dřevo po dosažení meze pružnosti, odchylující se od modelu teorie plasticity. Bylo navrženo několik důvodů, proč k tomu došlo. Za prvé, protože dřevo je biologický materiál, bylo navrženo, že při velkém stresu v experimentu mohlo být drcení buněk ve vzorku příčinou odchylky od dokonale plastického chování. S větší destrukcí buněčného materiálu se předpokládá, že vztah napětí-napětí bude stále více nelineární a neideální s větším stresem. Navíc, protože vzorky byly nehomogenní (nejednotné) materiály, předpokládalo se, že ve vzorcích mohlo dojít k určitému ohybu nebo zkreslení, které by mohlo odchýlit napětí od toho, že bude dokonale jednoosý. To mohlo být také vyvoláno dalšími faktory, jako jsou nepravidelnosti v profilu buněčné hustoty a zkreslené řezání vzorku.^[2]

Závěry výzkumu přesně ukázaly, že ačkoli se biologické materiály mohou chovat jako deformované horniny, je třeba vzít v úvahu mnoho dalších faktorů a proměnných, což ztěžuje standardizaci tažnosti a materiálových vlastností biologické látky.^[2]

Špičková poptávka po tažnosti

Peak Ductility Demand je veličina používaná zejména v oblasti architektury, geologického inženýrství a strojírenství. Je definována jako množství tvárné deformace, které musí materiál odolat (je-li vystaven namáhání) bez křehkého lomu nebo porušení.^[4] Tato veličina je zvláště užitečná při analýze poruch struktur v reakci na zemětřesení a seismické vlny.^[4]

Ukázalo se, že otřesy způsobené zemětřesením mohou zvýšit maximální poptávku v tažnosti ve vztahu k hlavním šokům až o 10%.^[4]

Reference