韧性分析方法

㈠ 韧性剪切带的应变分析和测量

韧性剪切带内的各种变形构造和变形现象均是应力作用下各类应变的结果，变形构造和应变类型、应变大小之间存在着某种内在联系，因此，对韧性剪切带内变形构造和变形现象的观察和测量是应变分析的基础。

(一)应变分析和测量的依据和方法

应变分析和测量的基础是有关的应变理论，尤其是应变椭球的概念和理论。按照现代应变理论，在应力作用下，未变形的圆球体在经过均匀变形后变为三轴应变椭球，应变椭球中三个应变主轴λ₁、λ₂、λ₃的长度(或直径)和应变椭球的形态与应变大小和应变类型有关，同时应变椭球中不同方向物质的变形特征和应变大小也不相同，以此类推，变形地质体中不同切面的应变特征和构造现象也有明显的差异。因此，对变形构造的观察和应变分析需要通过对不同切面的观察和测量进行，而包含λ₁、λ₂、λ₃这三个应变主轴中任意两个应变主轴的三个应变主平面(λ₁λ₂、λ₁λ₃、λ₂λ₃)上应变特征和构造现象最典型，在进行应变分析和构造观测时通常选择这三个面进行。

所以，不论是在露头上还是手标本上，或者显微镜下，进行变形构造观察和应变测量时，首要的工作就是确定应变轴(或运动轴)和应变主平面，而这些工作也是运动学分析首先要做的内容。目前，普遍用X、Y、Z作为应变轴(或运动轴)，分别对应于应变椭球的λ₁、λ₂、λ₃，岩石中的叶理面代表XY面，X轴平行于叶理面上的拉伸线理，垂直叶理面的方向为Z轴(图10-34)。

图10-34 拉伸线理在不同切面的形态特征及应变轴(运动轴)的确定

(二)应变分析和测量的方法

应变分析和测量分相对应变的观察和应变大小的测量。相对应变分析是根据变形构造的特征确定剪切带不同部位应变的相对大小，许多构造现象都有助于相对应变分析，如糜棱岩的类型、叶理的密集程度、褶皱的紧闭程度和置换强度等，当然，这需要对韧性剪切带进行系统的横向观察。应变大小的测量也需要各个切面上变形构造和应变标志及应变与变形构造之间的内在联系来确定。Ramsay et al.(1970，1984)总结出各种应变测量方法。

1.均匀应变的Flinn图解

应变分析理论表明，应变椭球中三个应变主轴的长度(或直径)和应变椭球的形态与应变大小和应变类型有关。根据这一原理，在变形岩石中选择原始形态为近等轴状或不规则状，变形后形成类似应变椭球那样的标志物，如长英质岩石中的石英、砾岩中的砾石、侵入岩中的包体等，在XZ和YZ或XY和XZ切面上测量X、Y、Z三个应变主轴的长度x、y、z。并分别求出：

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

并以a、b为坐标作图，不同形态的应变椭球用K值来区别：

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

或用统计的方法(如Robin法)求出轴率K：

构造地质学(第二版)

式中：a_i、c_i为与应变轴平行的变形体的长短轴；n为测量数目。各种应变状态可以描述如下：

① 轴对称延长：K=∞；②收缩应变(长椭球)：1＜K＜∞；③平面应变(体积不变)：K=1；④压扁应变(扁椭球)：0＜K＜1；⑤轴对称压扁：K=0。

这种方式，只用参数K值就能描述应变椭球的形态，通过K值是大于1还是小于1，就能直接区分出是收缩应变还是压扁应变。

图10-35 A中是假定体积不变而编制的，由于体积变化Δ=0 时，K=1 的直线才唯一通过原点。当Δ≠0时，则有1+Δ=(1+e_x)(1+e_z)=a/b(因为K=1时应变椭球的(1+e_y)=1)，所以：a=b(1+Δ)。

图10-35 应变Flinn图解

(据Park，1983)

(1)用K=(a-1)/(b-1)值描述不同的应变椭球体；

(2)如果体积不是衡量，则以线a=b(1+Δ)划分收缩应变区与压扁应变区，图1035 B中实线表示体积缩小20%的效应。

2.利用Sm与Sc的锐角关系求剪应变

Sm与Sc之间的锐角关系，即剪切带内糜棱叶理与剪切叶理或剪切带边界面之间的锐角(θ)关系。通常情况下，糜棱叶理(Sm)在剪切带中呈“S”分布，而剪切叶理与剪切带边界平行，二者之间的夹角在剪切带边界处一般为45°，向剪切带中心应变增强，夹角变小(图10-23)，因此，根据横过剪切带的不同部位测得的夹角θ，通过公式：γ=2/tan2θ，可以求得剪切带不同部位的剪应变。需要注意的是，θ是在XZ切面测量的。

3.以先期标志面的产状求剪应变

先期构造面(包括层面、片麻理、岩墙和岩脉等)在剪切变形过程中，一般表现为被动旋转，随着递进变形的持续发生，在XZ面上其迹线与剪切方向之间的夹角发生递进变化。

如果原始状态的先期构造面与剪切方向垂直，则可利用角剪切求剪切应变γ。先将剪切带以间隔a划分许多段，在每个间隔中作变形标志面切线，切线与原始状态的先存标志面之间的夹角就是角剪切(φ)，然后利用公式：γ=tanφ，求出各个间隔的剪切应变值(图10-36)。

如果原始状态的先期构造面与剪切方向不垂直，与剪切方向的原始夹角为a，变形后的夹角变为a′，则可利用它们之间的几何关系，可以求得剪应变γ(图10-37)，其中：

cota′=cota+γ

图10-36 角剪切求剪应变

(据Hudlesfon，1983)

图10-37 剪切变形过程中先存构造面的旋转

(据Hudlesfon，1983)

图10-38说明这种函数曲线关系，图中包括了各种原始夹角a的先存标志面在剪切过程中随着剪切应变的增加a′逐渐变化的曲线，只要测得最终a′的大小，就可依据这些曲线求得剪切应变量γ。

用脆-韧性条件下张裂隙的演化求剪切应变则是其中的一例。

在此情况下，初始剪切变形在脆-韧性剪切带中形成一组雁行状排列的张裂隙，这些张裂隙与剪切(位移)方向之间的初始夹角呈a角(初始阶段为135°)(图10-39A)，随着递进变形的发生，这些张裂隙被剪切位移改造而发生旋转，导致与剪切(位移)方向之间的夹角a′变小，同时，脆-韧性剪切带向两侧扩展、变宽，这些张裂隙也沿其尖端向两侧扩展，扩展部分的裂隙与剪切(位移)方向之间的夹角a仍为135°，从而导致旋转地张裂隙和扩展的尖端部分构成“S”，在这一过程中，将有新的张裂隙形成(图10-39 B)。而递进变形的进一步发生，又会重复上述过程(图10-39 C)。因此，如果测得初始张裂隙与剪切(位移)方向之间的夹角a′，则可以利用cota′=cota+γ的函数关系或图10-38中的a=135°曲线求得初始裂隙形成后的剪切应变量γ。

图10-38 简单剪切中先存构造面原始夹角a和变形后夹角a′与剪切应变γ之间的关系

(据J.G.Ramsay，1983)

图10-39 脆-韧性条件下张裂隙的递进演化

(据J.G.Ramsay，1984)

4.据主应变求剪应变

在韧性剪切带内各点上的变形岩石中，选择原始形态为近等轴状或不规则状，变形后形成类似应变椭球那样的标志物，如长英质岩石中的石英、砾岩中的砾石、侵入岩中的包体等，在XZ切面上测量X、Z应变主轴的长度x、z。然后利用下列公式求得剪应变γ：

构造地质学(第二版)

另外，据图10-40，其中实线代表Sm与Sc之间的夹角θ，虚线代表XZ应变椭圆轴比(长轴和短轴)。在简单剪切中θ从45°开始(边界)，随着剪应变 γ 增大，则θ变小，长轴朝剪切方向转动，如当γ=10 时，θ=5.6°，而轴比等于102：1。根据图中曲线的对应关系，在测得θ或轴率后，都可通过图中的曲线求得剪应变γ。

图10-40 剪应变与轴率关系曲线

(据J.G.Ramsay，1984)

㈡ 如何用冲击曲线分析试样的韧性，抗断裂能力等性能

冲击韧性：当试验机的重摆从一定高度自由落下时，在试样中间开V型缺口，试样吸收的能量等于重摆所作的功W。

冲击韧性是一个对材料组织结构相当敏感的量，所以提高材料的冲击韧性的途径有:改变材料的成分，如加入钒，钛，铝，氮等元素，通过细化晶粒来提高其韧性，尤其是低温韧性，提高材料的冶金质量，减少偏析，夹渣等。

(2)韧性分析方法扩展阅读：

注意事项：

由于荷重位移曲线机的荷重感应器（Load Cell）在轴向的力量（含推、拉两个方向），超过载大荷重120%时会损坏，操作时请特别小心。另外，横向荷重及冲击荷重亦需避免。

荷重位移曲线机对于荷重感应器有完整的保护机制，但是先决条件是荷重感应器连接线必须确实连接。另外请于正常程序下使用本机台，则即使发生高速移动而造成硬碰硬的情况，荷重感应器亦能受到完全的保护。

由于荷重位移曲线机是使用Windows系统控制，为了避免多任务操作导致CPU资源被暂时占用而造成试验结果的不准确或误动作，建议于使用荷重位移曲线机做试验时请结束其它的软件程序。而屏幕保护程序及电源管理部分亦请一并移除。

㈢ 韧性模量怎么求

采用数值积分计算来求韧性模量。
1、数值分析应用案例：采用龙贝格积分计算轴韧裂猛性模量。
2、某杆在轴向负载的作用下会发生变形，其应力一应变曲线如图所示。
3、曲线下方从应力为0的点到破裂点的面积称为材料的韧性模数。
4、它提供了一种方法，可以测量出要给定单位体积的材料施加多大的能量才能导致材料破裂链陪。
5、它代表着材料承肆唤桥受冲击负载的能力。

㈣ 如何测量金属材料的韧性和疲劳性能

工程上最常使用的检测方法是，在冲击试验机上检测材料的冲击（断裂）韧性；在疲劳试验机上模拟工作载荷检测疲劳（断裂）强度。
韧性和疲劳强度是材料的诸多力学性能指标（参数）中的比较经常检测的项目。韧性好的材料（例如高强度合金钢）就不容易在服役过程中发生脆断破坏。特别是在低温条件下，材料的韧性是很重要的；例如，严寒地区的桥梁钢结构，工程机械等。疲劳强度指标的检验对在交变应力条件下工作的工件是很重要的；例如，车辆的承载弹簧，如果疲劳强度低，就会容易出现疲劳断裂，达不到设计的使用寿命；更危险的是还会发生灾难性事故！

㈤ 断裂韧性的测试方法

测试试样表面先抛光成镜面，在显微硬度仪上，以10Kg负载在抛光表面用硬度计的锥形金刚石压头产生一压痕，这样在压痕的四个顶点就产生了预制裂纹。根据压痕载荷P和压痕裂纹扩展长度C计算出断裂韧性数值（KIC）。 计算公式为：
E为杨氏模量，例如对于Si3N4系统一般取300GPa。公式中载荷P单位为N, 裂纹长度C单位为mm, 显微硬度HV单位为GPa。
目前国内常用的断裂韧性试样有两种：
1）三点弯曲试样SE（B）
2）紧凑拉伸试样C（T） 在试样中间开一裂纹，通过三点或四点抗弯断裂测试，计算材料的断裂韧性。
·IM法比SENB法简便经济，但测得的数据不如SENB法可靠；
·SENB法是普遍公认的标准测试方法；
·为了实际方便，要对IM法测试公式修正，使结果更接近SENB法。

㈥ 学习任务韧性变形带的识别与分析

一、韧性变形带的识别

（一）概述

岩石中呈连续过渡的递进变形高应变带，称为韧性剪切带；在变质层状岩石中，当剪应变量达到一定值时，岩石变形出现宏观上的不连续状况时，称为韧性断裂，后者往往有明显强弱变形分界面（图9-20），二者合称韧性变形带（也属狭义韧性剪切带）。它们是岩石受力产生递进变形演化阶段的不同产物（图9-21）。

图9-20 韧性变形带的两种构造样式

图9-21 韧性剪切带递进变形模式

（据张家声，1988，修改）

韧性变形带发育在块状岩石中，通常形成由弱至强连续过渡的应变糜棱岩带，并常具有递进变形的一系列特征，它无明确的变形边界，这在变质侵入岩中或厚层的块状岩石内（如石英岩、厚层大理岩等）常有发现。韧性变形带在层状岩石中，通常是与褶皱作用的面状构造置换以及顺层滑脱作用等密切伴生，变质岩层状岩石中出现十分特殊的变质构造岩带。

韧性变形带的规模大相径庭：规模宏大的韧性变形带延伸可达数千米，宽数百米；规模可小至手标本的毫米级。从形态而言，古老的韧性变形可以被后期构造变形影响而发生褶皱，造成多变的形态，而较新的韧性剪切带常常是呈线形展布（见图6-1）。

韧性变形带是地壳中，深层次变形的产物。它是深部地壳中一个构造薄弱带，通常构成地壳内一个线形的热液蚀变带、退变质带、线形构造岩浆侵入带和成矿带，经风化剥蚀而表露于地表。因此，研究它们是窥视地壳深部构造变形作用的一个重要窗口。

（二）韧性变形带类型

按现代对断裂构造层次的概念，Sibson（1977）提出断层双层模式图是大家所熟知的。随着研究工作的不断深入，使得韧性变形带的构造层次概念不断发展和深化。我国地质工作者在研究变质岩区构造时，按构造相的基本观点，将韧性变形带分为三种主要类型：

（1）浅部构造相韧性变形带：与绿片岩相的形成空间大体相同。

（2）中部构造相韧性变形带：与角闪岩相的形成空间大体相同。

（3）深部构造相韧性变形带：与麻粒岩相的形成空间大体相同。

不同构造相中的韧性变形带有其各自特征性的矿物组成和变质构造岩特征（表9-1，表9-2）。

表9 -1 不同的脆韧性剪切带特征简表（以长英质岩石中发育的剪切带为例）

（引自房立民等，1991）

表9 -2 深构造相、中构造相韧性变形带中岩石变形特征一览表

（引自房立民等，1991）

二、糜棱岩的识别

糜棱岩呈狭长带状分布，致密坚硬，矿物多呈显微细晶，少量呈碎斑。基质细密具有面理构造，面理围绕碎斑分布，形成似流动构造——糜棱面理。

糜棱岩系列岩石的重要特征是：矿物在较高温度和压力作用下，晶体经塑性变形和明显的重结晶而形成的具有强烈优选方位，流动构造发育，岩性为条纹状细粒岩石。通常具有以下特点：①发育在强应变带内；②表现出强化的面理和线理；③与原岩相比，粒径更细。

随着糜棱岩化程度（糜棱岩中细粒化基质性质和含量、主要颗粒粒径大小以及重结晶作用的程度）的增高，可将糜棱岩进一步划分为糜棱岩化××岩、初糜棱岩、糜棱岩、超糜棱岩。随着变形后重结晶的增高，糜棱岩中的细小颗粒因重结晶而增大，并有一些新生矿物出现，使糜棱岩转变形成各种结晶片岩。基质以重结晶作用为主的糜棱岩，可根据结晶程度和结晶颗粒的大小，分为千糜岩、变余糜棱岩、构造片岩和构造片麻岩。

三、韧性剪切带标志及剪切运动方向的分析

（一）韧性剪切带宏观标志及剪切运动方向的分析

（1）S型面理：S型面理的发育程度和岩石的变质变形程度从剪切带的边部向中心逐渐增强（图9-21）。在各向同性的均质岩石中，韧性剪切带内部的新生面理与韧性剪切带的边界成45°夹角，夹角指向对盘运动方向。自边缘向中心，这个夹角越来越小，在中心部位，面理与剪切带的边界近于平行。宏观上呈S形（图9-22）或反S形。这种剪切带内部面理称糜棱面理，常用S表示，面理相当于应变椭球体的AB面。其空间展布形式反映了剪切带内部的应力、应变状态。

图9-22 韧性剪切带内部的 “S” 型面理及其反映的应变变化

（2）S-C组构：除了剪切带内部的S型或反S型面理外，还常发育有平行剪切带边界的面理，称剪切面理，用C或Sc表示，它是由更细的颗粒或云母等矿物组成的。在剪切带内糜棱面理S与剪切面理C相交，构成S-C组构（图9-23）。S-C组构也可以指示剪切带内部的应力、应变状态。

图9-23 S-C 组构

（3）a型褶皱和鞘褶皱：①褶皱轴与剪切带内拉伸线理平行的褶皱，称为a型褶皱，一般发育在剪切带内强烈剪切部位（图9-24B、D、E）。而地壳浅层次形成的褶皱，轴垂直于拉伸线理，称为b型褶皱（图9-24C）。a型褶皱可以由剪切作用直接导致层状岩石形成，或是由开阔的b型褶皱随着剪切变形的加剧改造而成。②鞘褶皱是a型褶皱发育完好时的一种特殊类型，其褶皱轴与拉伸线理平行，形似刀鞘，常呈扁圆状或舌状，甚至圆筒状，多为不对称褶皱，沿剪切方向拉得很长（图9-24E，图9-25）。鞘褶皱常成群出现，大小不一，以中小型为主。

图9-24 韧性剪切带中的褶皱

（据Mattauer，1980，略修改）

A—韧性剪切带中的拉伸线理，M为剪切运动方向，L为拉伸线理；C—褶轴垂直拉伸线理的b型褶皱；

B、D、E—褶皱轴平行拉伸线理的a型褶皱；E—已进一步发育成鞘褶皱

（4）拉伸线理：在剪切带内的面理上矿物沿最大拉伸方向定向排列，构成平行剪切滑动方向的拉伸线理，用L表示。由于剪切带内发育良好的S型面理及剪切面上的拉伸线理L，使剪切带具有良好的面状构造和线状构造，有时称这种构造岩为S-L构造岩。

图9-25 韧性剪切带中的鞘褶皱及拉伸线理

（据Gidon）

拉伸线理平行于应变椭球体A轴（即X轴），即平行于剪切运动方向。如糜棱岩中常见的角闪石等矿物定向及生长，以及构造片麻岩中辉石链状分布，它们都产生于韧性剪切作用中。因此，在野外可以根据糜棱岩带、新生面理带或退化变质带、鞘褶皱及其伴生的拉伸线理等构造确定韧性剪切带的存在，进而判定其剪切方向。其中，拉伸线理平行于其变形时的运动方向。

（5）压力影：它是在构造应力作用下，矿物在压力大的方向上发生溶解；而在压力小的方向上发生沉淀形成的。它广泛发育在变质岩地区和糜棱岩中，压力影尾端呈“S”形弯曲，其延伸方向指示剪切运动方向（图9-26）。

图9-26 压力影宏观示意图

（二）韧性剪切带微观标志及其剪切运动方向的分析

显微镜下观察糜棱岩具有多种韧性变形现象，如旋转碎斑系、压力影、显微S-C组构、云母鱼、晶体剪破与书斜式构造等，可作为剪切运动的指示标志。

（1）旋转碎斑系：糜棱岩中相对较硬的矿物或集合体（长石、石榴子石等）构成旋转碎斑系。其尾端由变形的基质或动态重结晶物质组成，它们多呈单斜对称形式，从而构成σ型与δ型（图9-27A）。σ型或δ型旋转碎斑系，其结晶尾延伸方向指示剪切运动方向。

（2）显微S-C组构及云母鱼：显微S-C组构与宏观S-C组构具有相似的含义。“云母鱼”构造是另一种S-C组构，大多发育在石英云母片岩中，不对称的“云母鱼”尾可指示剪切方向（图9-27B、C）。

（3）晶体剪破与书斜式构造：受剪切作用改造沿Sc面剪破晶体或沿次级剪切破裂剪破晶体并发生平移产生书斜式构造（又称“多米诺骨牌”构造）。其裂面与剪切带的锐夹角示剪切方向（图9-27D）。

图9-27 韧性剪切带剪切运动微观标志

A—旋转残斑系；B—显微S-C组构；C—云母鱼；D—书斜式构造