韌性分析方法

㈠ 韌性剪切帶的應變分析和測量

韌性剪切帶內的各種變形構造和變形現象均是應力作用下各類應變的結果，變形構造和應變類型、應變大小之間存在著某種內在聯系，因此，對韌性剪切帶內變形構造和變形現象的觀察和測量是應變分析的基礎。

(一)應變分析和測量的依據和方法

應變分析和測量的基礎是有關的應變理論，尤其是應變橢球的概念和理論。按照現代應變理論，在應力作用下，未變形的圓球體在經過均勻變形後變為三軸應變橢球，應變橢球中三個應變主軸λ₁、λ₂、λ₃的長度(或直徑)和應變橢球的形態與應變大小和應變類型有關，同時應變橢球中不同方向物質的變形特徵和應變大小也不相同，以此類推，變形地質體中不同切面的應變特徵和構造現象也有明顯的差異。因此，對變形構造的觀察和應變分析需要通過對不同切面的觀察和測量進行，而包含λ₁、λ₂、λ₃這三個應變主軸中任意兩個應變主軸的三個應變主平面(λ₁λ₂、λ₁λ₃、λ₂λ₃)上應變特徵和構造現象最典型，在進行應變分析和構造觀測時通常選擇這三個面進行。

所以，不論是在露頭上還是手標本上，或者顯微鏡下，進行變形構造觀察和應變測量時，首要的工作就是確定應變軸(或運動軸)和應變主平面，而這些工作也是運動學分析首先要做的內容。目前，普遍用X、Y、Z作為應變軸(或運動軸)，分別對應於應變橢球的λ₁、λ₂、λ₃，岩石中的葉理面代表XY面，X軸平行於葉理面上的拉伸線理，垂直葉理面的方向為Z軸(圖10-34)。

圖10-34 拉伸線理在不同切面的形態特徵及應變軸(運動軸)的確定

(二)應變分析和測量的方法

應變分析和測量分相對應變的觀察和應變大小的測量。相對應變分析是根據變形構造的特徵確定剪切帶不同部位應變的相對大小，許多構造現象都有助於相對應變分析，如糜棱岩的類型、葉理的密集程度、褶皺的緊閉程度和置換強度等，當然，這需要對韌性剪切帶進行系統的橫向觀察。應變大小的測量也需要各個切面上變形構造和應變標志及應變與變形構造之間的內在聯系來確定。Ramsay et al.(1970，1984)總結出各種應變測量方法。

1.均勻應變的Flinn圖解

應變分析理論表明，應變橢球中三個應變主軸的長度(或直徑)和應變橢球的形態與應變大小和應變類型有關。根據這一原理，在變形岩石中選擇原始形態為近等軸狀或不規則狀，變形後形成類似應變橢球那樣的標志物，如長英質岩石中的石英、礫岩中的礫石、侵入岩中的包體等，在XZ和YZ或XY和XZ切面上測量X、Y、Z三個應變主軸的長度x、y、z。並分別求出：

a=x/y=(1+e_x)/(1+e_y)和b=y/z=(1+e_y)/(1+e_z)

並以a、b為坐標作圖，不同形態的應變橢球用K值來區別：

K=(a-1)/(b-1)

或用統計的方法(如Robin法)求出軸率K：

構造地質學(第二版)

式中：a_i、c_i為與應變軸平行的變形體的長短軸；n為測量數目。各種應變狀態可以描述如下：

① 軸對稱延長：K=∞；②收縮應變(長橢球)：1＜K＜∞；③平面應變(體積不變)：K=1；④壓扁應變(扁橢球)：0＜K＜1；⑤軸對稱壓扁：K=0。

這種方式，只用參數K值就能描述應變橢球的形態，通過K值是大於1還是小於1，就能直接區分出是收縮應變還是壓扁應變。

圖10-35 A中是假定體積不變而編制的，由於體積變化Δ=0 時，K=1 的直線才唯一通過原點。當Δ≠0時，則有1+Δ=(1+e_x)(1+e_z)=a/b(因為K=1時應變橢球的(1+e_y)=1)，所以：a=b(1+Δ)。

圖10-35 應變Flinn圖解

(據Park，1983)

(1)用K=(a-1)/(b-1)值描述不同的應變橢球體；

(2)如果體積不是衡量，則以線a=b(1+Δ)劃分收縮應變區與壓扁應變區，圖1035 B中實線表示體積縮小20%的效應。

2.利用Sm與Sc的銳角關系求剪應變

Sm與Sc之間的銳角關系，即剪切帶內糜棱葉理與剪切葉理或剪切帶邊界面之間的銳角(θ)關系。通常情況下，糜棱葉理(Sm)在剪切帶中呈「S」分布，而剪切葉理與剪切帶邊界平行，二者之間的夾角在剪切帶邊界處一般為45°，向剪切帶中心應變增強，夾角變小(圖10-23)，因此，根據橫過剪切帶的不同部位測得的夾角θ，通過公式：γ=2/tan2θ，可以求得剪切帶不同部位的剪應變。需要注意的是，θ是在XZ切面測量的。

3.以先期標志面的產狀求剪應變

先期構造面(包括層面、片麻理、岩牆和岩脈等)在剪切變形過程中，一般表現為被動旋轉，隨著遞進變形的持續發生，在XZ面上其跡線與剪切方向之間的夾角發生遞進變化。

如果原始狀態的先期構造面與剪切方向垂直，則可利用角剪切求剪切應變γ。先將剪切帶以間隔a劃分許多段，在每個間隔中作變形標志面切線，切線與原始狀態的先存標志面之間的夾角就是角剪切(φ)，然後利用公式：γ=tanφ，求出各個間隔的剪切應變值(圖10-36)。

如果原始狀態的先期構造面與剪切方向不垂直，與剪切方向的原始夾角為a，變形後的夾角變為a′，則可利用它們之間的幾何關系，可以求得剪應變γ(圖10-37)，其中：

cota′=cota+γ

圖10-36 角剪切求剪應變

(據Hudlesfon，1983)

圖10-37 剪切變形過程中先存構造面的旋轉

(據Hudlesfon，1983)

圖10-38說明這種函數曲線關系，圖中包括了各種原始夾角a的先存標志面在剪切過程中隨著剪切應變的增加a′逐漸變化的曲線，只要測得最終a′的大小，就可依據這些曲線求得剪切應變數γ。

用脆-韌性條件下張裂隙的演化求剪切應變則是其中的一例。

在此情況下，初始剪切變形在脆-韌性剪切帶中形成一組雁行狀排列的張裂隙，這些張裂隙與剪切(位移)方向之間的初始夾角呈a角(初始階段為135°)(圖10-39A)，隨著遞進變形的發生，這些張裂隙被剪切位移改造而發生旋轉，導致與剪切(位移)方向之間的夾角a′變小，同時，脆-韌性剪切帶向兩側擴展、變寬，這些張裂隙也沿其尖端向兩側擴展，擴展部分的裂隙與剪切(位移)方向之間的夾角a仍為135°，從而導致旋轉地張裂隙和擴展的尖端部分構成「S」，在這一過程中，將有新的張裂隙形成(圖10-39 B)。而遞進變形的進一步發生，又會重復上述過程(圖10-39 C)。因此，如果測得初始張裂隙與剪切(位移)方向之間的夾角a′，則可以利用cota′=cota+γ的函數關系或圖10-38中的a=135°曲線求得初始裂隙形成後的剪切應變數γ。

圖10-38 簡單剪切中先存構造面原始夾角a和變形後夾角a′與剪切應變γ之間的關系

(據J.G.Ramsay，1983)

圖10-39 脆-韌性條件下張裂隙的遞進演化

(據J.G.Ramsay，1984)

4.據主應變求剪應變

在韌性剪切帶內各點上的變形岩石中，選擇原始形態為近等軸狀或不規則狀，變形後形成類似應變橢球那樣的標志物，如長英質岩石中的石英、礫岩中的礫石、侵入岩中的包體等，在XZ切面上測量X、Z應變主軸的長度x、z。然後利用下列公式求得剪應變γ：

構造地質學(第二版)

另外，據圖10-40，其中實線代表Sm與Sc之間的夾角θ，虛線代表XZ應變橢圓軸比(長軸和短軸)。在簡單剪切中θ從45°開始(邊界)，隨著剪應變 γ 增大，則θ變小，長軸朝剪切方向轉動，如當γ=10 時，θ=5.6°，而軸比等於102：1。根據圖中曲線的對應關系，在測得θ或軸率後，都可通過圖中的曲線求得剪應變γ。

圖10-40 剪應變與軸率關系曲線

(據J.G.Ramsay，1984)

㈡ 如何用沖擊曲線分析試樣的韌性，抗斷裂能力等性能

沖擊韌性：當試驗機的重擺從一定高度自由落下時，在試樣中間開V型缺口，試樣吸收的能量等於重擺所作的功W。

沖擊韌性是一個對材料組織結構相當敏感的量，所以提高材料的沖擊韌性的途徑有:改變材料的成分，如加入釩，鈦，鋁，氮等元素，通過細化晶粒來提高其韌性，尤其是低溫韌性，提高材料的冶金質量，減少偏析，夾渣等。

(2)韌性分析方法擴展閱讀：

注意事項：

由於荷重位移曲線機的荷重感應器（Load Cell）在軸向的力量（含推、拉兩個方向），超過載大荷重120%時會損壞，操作時請特別小心。另外，橫向荷重及沖擊荷重亦需避免。

荷重位移曲線機對於荷重感應器有完整的保護機制，但是先決條件是荷重感應器連接線必須確實連接。另外請於正常程序下使用本機台，則即使發生高速移動而造成硬碰硬的情況，荷重感應器亦能受到完全的保護。

由於荷重位移曲線機是使用Windows系統控制，為了避免多任務操作導致CPU資源被暫時佔用而造成試驗結果的不準確或誤動作，建議於使用荷重位移曲線機做試驗時請結束其它的軟體程序。而屏幕保護程序及電源管理部分亦請一並移除。

㈢ 韌性模量怎麼求

採用數值積分計算來求韌性模量。
1、數值分析應用案例：採用龍貝格積分計算軸韌裂猛性模量。
2、某桿在軸向負載的作用下會發生變形，其應力一應變曲線如圖所示。
3、曲線下方從應力為0的點到破裂點的面積稱為材料的韌性模數。
4、它提供了一種方法，可以測量出要給定單位體積的材料施加多大的能量才能導致材料破裂鏈陪。
5、它代表著材料承肆喚橋受沖擊負載的能力。

㈣ 如何測量金屬材料的韌性和疲勞性能

工程上最常使用的檢測方法是，在沖擊試驗機上檢測材料的沖擊（斷裂）韌性；在疲勞試驗機上模擬工作載荷檢測疲勞（斷裂）強度。
韌性和疲勞強度是材料的諸多力學性能指標（參數）中的比較經常檢測的項目。韌性好的材料（例如高強度合金鋼）就不容易在服役過程中發生脆斷破壞。特別是在低溫條件下，材料的韌性是很重要的；例如，嚴寒地區的橋梁鋼結構，工程機械等。疲勞強度指標的檢驗對在交變應力條件下工作的工件是很重要的；例如，車輛的承載彈簧，如果疲勞強度低，就會容易出現疲勞斷裂，達不到設計的使用壽命；更危險的是還會發生災難性事故！

㈤ 斷裂韌性的測試方法

測試試樣表面先拋光成鏡面，在顯微硬度儀上，以10Kg負載在拋光表面用硬度計的錐形金剛石壓頭產生一壓痕，這樣在壓痕的四個頂點就產生了預制裂紋。根據壓痕載荷P和壓痕裂紋擴展長度C計算出斷裂韌性數值（KIC）。 計算公式為：
E為楊氏模量，例如對於Si3N4系統一般取300GPa。公式中載荷P單位為N, 裂紋長度C單位為mm, 顯微硬度HV單位為GPa。
目前國內常用的斷裂韌性試樣有兩種：
1）三點彎曲試樣SE（B）
2）緊湊拉伸試樣C（T） 在試樣中間開一裂紋，通過三點或四點抗彎斷裂測試，計算材料的斷裂韌性。
·IM法比SENB法簡便經濟，但測得的數據不如SENB法可靠；
·SENB法是普遍公認的標准測試方法；
·為了實際方便，要對IM法測試公式修正，使結果更接近SENB法。

㈥ 學習任務韌性變形帶的識別與分析

一、韌性變形帶的識別

（一）概述

岩石中呈連續過渡的遞進變形高應變帶，稱為韌性剪切帶；在變質層狀岩石中，當剪應變數達到一定值時，岩石變形出現宏觀上的不連續狀況時，稱為韌性斷裂，後者往往有明顯強弱變形分界面（圖9-20），二者合稱韌性變形帶（也屬狹義韌性剪切帶）。它們是岩石受力產生遞進變形演化階段的不同產物（圖9-21）。

圖9-20 韌性變形帶的兩種構造樣式

圖9-21 韌性剪切帶遞進變形模式

（據張家聲，1988，修改）

韌性變形帶發育在塊狀岩石中，通常形成由弱至強連續過渡的應變糜棱岩帶，並常具有遞進變形的一系列特徵，它無明確的變形邊界，這在變質侵入岩中或厚層的塊狀岩石內（如石英岩、厚層大理岩等）常有發現。韌性變形帶在層狀岩石中，通常是與褶皺作用的面狀構造置換以及順層滑脫作用等密切伴生，變質岩層狀岩石中出現十分特殊的變質構造岩帶。

韌性變形帶的規模大相徑庭：規模宏大的韌性變形帶延伸可達數千米，寬數百米；規模可小至手標本的毫米級。從形態而言，古老的韌性變形可以被後期構造變形影響而發生褶皺，造成多變的形態，而較新的韌性剪切帶常常是呈線形展布（見圖6-1）。

韌性變形帶是地殼中，深層次變形的產物。它是深部地殼中一個構造薄弱帶，通常構成地殼內一個線形的熱液蝕變帶、退變質帶、線形構造岩漿侵入帶和成礦帶，經風化剝蝕而表露於地表。因此，研究它們是窺視地殼深部構造變形作用的一個重要窗口。

（二）韌性變形帶類型

按現代對斷裂構造層次的概念，Sibson（1977）提出斷層雙層模式圖是大家所熟知的。隨著研究工作的不斷深入，使得韌性變形帶的構造層次概念不斷發展和深化。我國地質工作者在研究變質岩區構造時，按構造相的基本觀點，將韌性變形帶分為三種主要類型：

（1）淺部構造相韌性變形帶：與綠片岩相的形成空間大體相同。

（2）中部構造相韌性變形帶：與角閃岩相的形成空間大體相同。

（3）深部構造相韌性變形帶：與麻粒岩相的形成空間大體相同。

不同構造相中的韌性變形帶有其各自特徵性的礦物組成和變質構造岩特徵（表9-1，表9-2）。

表9 -1 不同的脆韌性剪切帶特徵簡表（以長英質岩石中發育的剪切帶為例）

（引自房立民等，1991）

表9 -2 深構造相、中構造相韌性變形帶中岩石變形特徵一覽表

（引自房立民等，1991）

二、糜棱岩的識別

糜棱岩呈狹長帶狀分布，緻密堅硬，礦物多呈顯微細晶，少量呈碎斑。基質細密具有面理構造，面理圍繞碎斑分布，形成似流動構造——糜棱面理。

糜棱岩系列岩石的重要特徵是：礦物在較高溫度和壓力作用下，晶體經塑性變形和明顯的重結晶而形成的具有強烈優選方位，流動構造發育，岩性為條紋狀細粒岩石。通常具有以下特點：①發育在強應變帶內；②表現出強化的面理和線理；③與原岩相比，粒徑更細。

隨著糜棱岩化程度（糜棱岩中細粒化基質性質和含量、主要顆粒粒徑大小以及重結晶作用的程度）的增高，可將糜棱岩進一步劃分為糜棱岩化××岩、初糜棱岩、糜棱岩、超糜棱岩。隨著變形後重結晶的增高，糜棱岩中的細小顆粒因重結晶而增大，並有一些新生礦物出現，使糜棱岩轉變形成各種結晶片岩。基質以重結晶作用為主的糜棱岩，可根據結晶程度和結晶顆粒的大小，分為千糜岩、變余糜棱岩、構造片岩和構造片麻岩。

三、韌性剪切帶標志及剪切運動方向的分析

（一）韌性剪切帶宏觀標志及剪切運動方向的分析

（1）S型面理：S型面理的發育程度和岩石的變質變形程度從剪切帶的邊部向中心逐漸增強（圖9-21）。在各向同性的均質岩石中，韌性剪切帶內部的新生面理與韌性剪切帶的邊界成45°夾角，夾角指向對盤運動方向。自邊緣向中心，這個夾角越來越小，在中心部位，面理與剪切帶的邊界近於平行。宏觀上呈S形（圖9-22）或反S形。這種剪切帶內部面理稱糜棱面理，常用S表示，面理相當於應變橢球體的AB面。其空間展布形式反映了剪切帶內部的應力、應變狀態。

圖9-22 韌性剪切帶內部的 「S」 型面理及其反映的應變變化

（2）S-C組構：除了剪切帶內部的S型或反S型面理外，還常發育有平行剪切帶邊界的面理，稱剪切面理，用C或Sc表示，它是由更細的顆粒或雲母等礦物組成的。在剪切帶內糜棱面理S與剪切面理C相交，構成S-C組構（圖9-23）。S-C組構也可以指示剪切帶內部的應力、應變狀態。

圖9-23 S-C 組構

（3）a型褶皺和鞘褶皺：①褶皺軸與剪切帶內拉伸線理平行的褶皺，稱為a型褶皺，一般發育在剪切帶內強烈剪切部位（圖9-24B、D、E）。而地殼淺層次形成的褶皺，軸垂直於拉伸線理，稱為b型褶皺（圖9-24C）。a型褶皺可以由剪切作用直接導致層狀岩石形成，或是由開闊的b型褶皺隨著剪切變形的加劇改造而成。②鞘褶皺是a型褶皺發育完好時的一種特殊類型，其褶皺軸與拉伸線理平行，形似刀鞘，常呈扁圓狀或舌狀，甚至圓筒狀，多為不對稱褶皺，沿剪切方向拉得很長（圖9-24E，圖9-25）。鞘褶皺常成群出現，大小不一，以中小型為主。

圖9-24 韌性剪切帶中的褶皺

（據Mattauer，1980，略修改）

A—韌性剪切帶中的拉伸線理，M為剪切運動方向，L為拉伸線理；C—褶軸垂直拉伸線理的b型褶皺；

B、D、E—褶皺軸平行拉伸線理的a型褶皺；E—已進一步發育成鞘褶皺

（4）拉伸線理：在剪切帶內的面理上礦物沿最大拉伸方向定向排列，構成平行剪切滑動方向的拉伸線理，用L表示。由於剪切帶內發育良好的S型面理及剪切面上的拉伸線理L，使剪切帶具有良好的面狀構造和線狀構造，有時稱這種構造岩為S-L構造岩。

圖9-25 韌性剪切帶中的鞘褶皺及拉伸線理

（據Gidon）

拉伸線理平行於應變橢球體A軸（即X軸），即平行於剪切運動方向。如糜棱岩中常見的角閃石等礦物定向及生長，以及構造片麻岩中輝石鏈狀分布，它們都產生於韌性剪切作用中。因此，在野外可以根據糜棱岩帶、新生面理帶或退化變質帶、鞘褶皺及其伴生的拉伸線理等構造確定韌性剪切帶的存在，進而判定其剪切方向。其中，拉伸線理平行於其變形時的運動方向。

（5）壓力影：它是在構造應力作用下，礦物在壓力大的方向上發生溶解；而在壓力小的方向上發生沉澱形成的。它廣泛發育在變質岩地區和糜棱岩中，壓力影尾端呈「S」形彎曲，其延伸方向指示剪切運動方向（圖9-26）。

圖9-26 壓力影宏觀示意圖

（二）韌性剪切帶微觀標志及其剪切運動方向的分析

顯微鏡下觀察糜棱岩具有多種韌性變形現象，如旋轉碎斑系、壓力影、顯微S-C組構、雲母魚、晶體剪破與書斜式構造等，可作為剪切運動的指示標志。

（1）旋轉碎斑系：糜棱岩中相對較硬的礦物或集合體（長石、石榴子石等）構成旋轉碎斑系。其尾端由變形的基質或動態重結晶物質組成，它們多呈單斜對稱形式，從而構成σ型與δ型（圖9-27A）。σ型或δ型旋轉碎斑系，其結晶尾延伸方向指示剪切運動方向。

（2）顯微S-C組構及雲母魚：顯微S-C組構與宏觀S-C組構具有相似的含義。「雲母魚」構造是另一種S-C組構，大多發育在石英雲母片岩中，不對稱的「雲母魚」尾可指示剪切方向（圖9-27B、C）。

（3）晶體剪破與書斜式構造：受剪切作用改造沿Sc面剪破晶體或沿次級剪切破裂剪破晶體並發生平移產生書斜式構造（又稱「多米諾骨牌」構造）。其裂面與剪切帶的銳夾角示剪切方向（圖9-27D）。

圖9-27 韌性剪切帶剪切運動微觀標志

A—旋轉殘斑系；B—顯微S-C組構；C—雲母魚；D—書斜式構造