1、第八章 流变学和变形机制Rheology and deformation mechanisms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）流变学形成于 19世纪 30年代 。 1929年，美国学者
2、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。 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、
3、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1.3 与流变学有关的几个基本概念n 弹性（ e
4、lasticity）： 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。n 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 ”。1.3 与流变学有关的几个基本概念n 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（ ）概念：流体剪应力与剪应变速率和粘性（ ）成正比，而与应力作用
5、的时间成反比。 n 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%）。n 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。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
6、金属晶体的理论强度（ c）：c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 102104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
7、接受和应用。2 位错理论基本知识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重要问题。材料名称 剪切模量（ G） Pa/cm2 实验弹性极限值 (c) Pa/cm2 G/cSn单晶 1.91011 1.3107 15 000Ag单晶 2.81011 6106 45 000Al单晶 2.51011 4106 60 000Al单晶 2.51011 2.6108 900Al拉丝 2.51011 9.9108 250软 Fe， 多晶 7.71011 1.5109 500碳钢 81011 6.5109 120Ni-铝钢 81011 1.21010 65
