位错速率

A. 原子迁移速度加快,位错通道减小为什么

半原子面就是正常的原子面（晶面）由于受到切应力作用，上下部分发生分离，对于正刃位错，晶面失去了下半部，剩下半个原子面。

B. 构造应力大小

成岩成矿古构造应力值的研究测算方法主要有，岩石力学实验资料的推断法（Griggs et al.，1960；Clark，1966；Paterson，1976；Peterson，1978）、数学解析估算法（王维襄等，1977；Nicoals et al.，1977）、古应力岩石声发射测量法（北京国土资源遥感公司，2000）和显微构造估算法。显微构造估算法又包括矿物机械双晶测算法（Jamison et al.，1976）、重结晶颗粒大小计算法（Luton et al.，1969；Glover et al.，1973；Twiss，1977）、亚颗粒大小计算法（Ardell et al.，1973）和位错密度统计法（Geoetze et al.，1977；Takeuchi et al.，1976；Twiss，1977；万天丰，1988）。

位错密度统计法适用范围广泛，在构造活动强度中等以上的条件下和中深变质程度的岩类中均可使用，位错构造不仅可以出现在韧性变形中，也可出现在脆性变形中（吕古贤等，1999）。另外，岩石力学实验对超微构造的研究发现，晶体内的位错密度与古构造应力大小呈一种稳定的比例关系（Durham et al.，1977；Briegel et al.，1978），基本不受应力作用时的温度和应变速率的影响（万天丰，1988）。笔者对矿区成矿期构造应力（差应力）大小的估算即采用了位错密度统计方法。

在矿区选取脉状石英（黄铁矿-石英成矿阶段），先加工成普通薄片，再用离子轰击器来减薄其厚度，制作成超微薄片（厚十分之几至几微米），然后用透射电镜进行观察拍照（照片22～24），在照片上采用厚度-线条法（Murr，1970；万天丰，1988）统计其位错密度：

祁雨沟隐爆角砾岩型金矿床构造应力、成矿流体及元素地球化学

式中：ρ——位错密度；N——随机线与位错的交点数；t——超微薄片的厚度，平均为0.5 μm；L——随机线的总长度。

一般每个样品统计10～15张照片，求出其平均位错密度，然后采用 McCormick（1977）所得出的利用石英位错密度计算差应力（Δσ）大小的公式：

祁雨沟隐爆角砾岩型金矿床构造应力、成矿流体及元素地球化学

计算出差应力值的大小（表4-2）。

表4-2 矿区构造应力（差应力）测算结果

从测算结果看，在矿区不同部位由石英位错密度计算的差应力值变化较大，为47.9～108.8 MPa。总体而言，角砾岩体中石英的位错密度较小，由此计算出的差应力值也较小，最小者仅为47.9 MPa，平均67.8 MPa；石英脉中石英的位错密度较大，由此计算出的差应力值也较大，最大者达到108.8 MPa，平均93.2 MPa，这种变化可能与角砾岩体内部的冷凝收缩，从而导致差应力的降低有关。

差应力变化的另外一大特点是在矿体部位差应力值明显增大，在J4号角砾岩体内，赋存矿体部位的差应力值大于68 MPa，而弱矿化地段的差应力值仅为47.9～50.7 MPa。在公峪矿区F120石英脉内也是如此，在矿体部位差应力值大于90 MPa，而在弱矿化地段的差应力值均小于90 MPa。

与胶东地区石英黄铁矿脉（形成时间为100～120 Ma）的差应力值（77～95 MPa，万天丰，1995）相比较，祁雨沟矿区石英脉所测得的差应力值明显偏大。若不考虑两地当时的埋深等因素，则本区构造应力场表现得更为强烈。

C. 上地幔流变状态参数及其构造意义

板块构造的兴起和对岩石圈板块驱动力等地球动力学问题研究的深入，使地球科学家们致力于寻找获得地球内部力场信息的途径。上地幔来源的岩类，特别是由上地幔构造侵位来源的橄榄岩类岩石，其中的自由位错等显微和超显微构造记录的是岩石圈上地幔的流动应力状态和流变速率等上地幔动力学信息。松树沟超镁铁质杂岩，作为金伯利岩、碱性玄武岩内橄榄岩包体和蛇绿岩中的橄榄岩及阿尔卑斯橄榄岩这三种主要类型的地幔源岩石之一，其中自然包含有丰富的上地幔动力学信息。采自松树沟幔源超镁铁质杂岩体中方辉辉橄岩和辉橄岩等样品，采用高倍透射电子显微镜（TEM）检测、照相。8个样品，50多个视域，试样的显微和超显微构造主要表现为（100）位错倾斜壁（图6-1b）、（010）位错扭转壁（图6-1d）位错组织（图6-1c）、位错列等（图6-1a）。

图6-1松树沟橄榄岩显微构造

A—位错列；B—（100）位错倾斜壁；C—位错组织；D—（010）位错扭转壁

松树沟阿尔卑斯型超镁铁岩中橄榄石较多的出现（100）位错倾斜壁、（010）扭转壁沿（100）壁间的螺位错等显微构造，反映变形是一种高温、低应变率环境中发生的，基本属稳态变形。稳态变形中的位错构造，其密度与流动差应力具有如下函数关系：

北秦岭中－新元古代构造地球化学研究

式中，μ为结晶物质的剪切模量，b为位错的柏格斯矢量，α是数量级为一位数的材料系数，ρ为位错密度（cm²）。对橄榄石而言，其流动差异应力与位错密度的关系为：

Δσ＝2·10^-3ρ^0.50

由位错密度的结果（表6-2）计算得到松树沟超镁铁岩源区地幔环境的流动应力为0.28-0.47×10⁸Pa。

表6-2

注：9102-1、2、3的σ、T、p均为二个样平均；9102-9、10、11的TpH为9102-1、2、3的平均。

温度和压力是反映上地幔流变学特征的重要的热力学参数。Mercier（1975）在确定了Sp相（尖晶石相）与Ga相（石榴石相）中Cpx与Opx组成上的相互依赖性后导出了以下用单种辉石计算温度－压力的方法，即Mercier的温度－压力公式：

北秦岭中－新元古代构造地球化学研究

式中

北秦岭中－新元古代构造地球化学研究

t₁、t₂、p₁、p₂、d₁、d₂见表6-4；ΔH_α、ΔH_w、V_w′、V_w＂、V′_α、ΔS_α、ΔS_w见表6-3 。

表6-3t、p、d、c常数

d₀=2.26;p₀=706×10⁸Pa（Mercier,1980）。

表6-4反应的热力学参数值

（Mercier,1980）

由电子探针分析的辉石化学成分（表6-5、6）计算松树沟方辉辉橄岩的温度、压力。计算结果见表6-7。由Ave’lallemant等（1980）提出的P-Z、ε－δ等公式可求出相应的深度、流动速率和等效粘度等参数（表6-2）：

北秦岭中－新元古代构造地球化学研究

式中：R——1.9874.1868J/mol,k气体常数；T开氏温度（K）；压力P和差应力σ，以10^-8Pa为单位。

表6-5

注：表中Ca、Mg等元素均表示以0₆为基础Py矿物中的原子（离子）数。

表6-6

表6-7

Mercier等（1980）和Ave’lallemant等（1980）计算了产出于不同大地构造环境幔源橄榄岩反映的上地幔流动速率和等效粒度等流变学参数，并作出深度－流动速率、深度－粘度关系图解。他们发现，洋脊－裂谷带、大陆拉张带和克拉通之下的幔源岩石在图解中占有不同位置，即不同构造环境的幔源岩石反映的上地幔流动速率和粘性系数各有特征：洋脊－裂谷带和大陆拉张带幔源岩石的源区深度一般小于100km，而克拉通幔源岩石源区深度要大得多，最深可达200km以上；洋脊－裂谷带、大陆拉张带、克拉通之下类似深度的上地幔流动速率依次递减，并且前二者流动速率明显比克拉通高2-3个数量级；洋脊－裂谷带、大陆拉张带、克拉通之下相似深度的等效粘度依次递增，克拉通的粘度明显比洋脊－裂谷带和大陆拉张带高2-3个数量级。将上述松树沟杂岩体的流变特征参数投入Mercier（1980）的流变速率剖面和等效粘度剖面（见图6-2A、B）。所有数据投点反映流动速率和等效粘度随深度变化具洋脊裂谷特征，表明松树沟幔源超镁铁岩体代表古洋壳上地幔。超显微构造的流动速率在1.4×10^-3-8.6×^-3（s-1）之间，表明超镁铁岩代表的那部分新元古代上地幔就以这样的速率作区域性流动。Coisy和Nicolas（1978）从法国中央地块包体中获得地幔的流动速率数据，并认为这种数据意味着地幔的垂直向上运动的速率。目前没有数据能够确定流动应力的方向矢量，因而还没有足够的证据说明松树沟超镁铁岩代表的上地幔就以这样的速率驮着消失了的古洋壳板块运动。

图6-2流动速率、等效粘滞度相对深度的关系曲线（A、B）

（Mercier,1980）

D. 常温、常压下岩石的力学性质

人们常用常温、常压下岩石单轴力学试验获得该条件下岩石力学特性。图3-24是常温、常压下花岗岩单轴压缩实验的应力-应变曲线。

图3-24 花岗岩应力-应变全过程曲线

(据陈子光，1986)

曲线中A点以下的OA段呈微向下弯曲状。这是由于岩石中往往存在天然孔隙和裂隙，当初加载荷时孔隙和微裂隙被压紧，应变较大，但压紧后，岩石抵抗外力的能力有所增强的缘故。有围压条件下的岩石力学实验没有出现OA段，致密岩石的力学试验出现的OA段很小或没有。

(一)弹性变形阶段

AB段曲线几乎呈直线状，说明应力与应变之间呈线性关系。直线的斜率为岩石的弹性模量(E)。在B点以前任何一点卸载，变形将消失。因此B点以前是弹性变形阶段。而B点的应力值称为岩石的弹性极限(σ_s)。

弹性变形阶段的应力与应变之间为线性关系，即符合胡克定律：

σ=E·ε (3-33)

式中：σ是应力；ε是应变；E是弹性系数或弹性模量。

岩石是矿物的集合体。矿物是晶体，其内部质点规律排列构成空间格子构造。未受应变的晶体中，相邻质点间的相互作用力(键力)使其处于平衡位置。当施加应力后，质点将会移动一定距离，从而造成晶体体积或(和)形状的改变。弹性变形阶段的应力值小于晶体质点间的结合力。因此，当应力去掉(卸载)后，质点将返回原来的平衡位置(图3-25)。

图3-25 晶体的体积变形(A)和弹性剪切变形(B)

在弹性变形阶段，晶格的大小或形状是发生变化的，但是这种变化是可恢复的。

(二)塑性变形阶段

超过B点以后，曲线呈向下弯曲状，说明应力增加不大的情况下即能产生较大的变形。在BC段内任意一点卸载，当应力为0 时，应变不能完全恢复，即产生了永久变形，称保留部分的应变为塑性应变。因此，BC段代表岩石的塑性变形阶段。

塑性变形是一种不可恢复的变形。对于单一晶体来说，塑性变形已经使晶体的质点移动到一个新的平衡位置(图3-26)。如前所述，晶体的弹性变形包含了晶格的大小或形状的改变。但是，在晶体的塑性变形中，晶格参数不发生任何改变，这是塑性变形机制所决定的。对于单一晶体来说，塑性变形以晶内滑移为主。

图3-26 晶体的塑性变形

晶内滑移：是指晶体沿着某一滑移面的某一方向(总称为滑移系)两侧相互滑动。可以分为平移和双晶滑移：①平移或平移滑动是滑移面两侧的晶体相对滑动距离是晶格距离的整数倍(图3-27B)；②双晶滑移是滑移面两侧的晶体相对滑动距离是晶格距离的非整数倍，造成滑移面两侧的晶体以滑移面为对称面呈镜向对称，形成机械双晶(图3-27C)。机械双晶亦称变形双晶或滑移双晶，是晶体塑性变形的典型特征之一。

图3-27 晶体的平移滑动和双晶滑移

位错：在晶内滑移过程中，位错起到了关键性作用。位错是指晶格内质点排列的周期性破坏成为一条线的情况。位错的基本类型是刃型位错(棱位错)和螺型位错。①刃型位错是在晶体的两层面网之间多一层半原子面，位错出现在半原子面的边缘(图3-28A)；②螺型位错是沿着晶体的某一层结晶面网被撕开，位错出现在撕裂的尖端附近(图3-28B)。

图3-28 位错的基本类型

(据刘瑞珣，1988)

事实上，晶体的滑移是通过位错沿着滑移面的扩展完成的，或者说晶内滑移是由滑移面上的已经滑动区的边界向外扩展而传播的。A.Nicolas和J.P.Poirier(1976)将位错的扩展过程形象地比喻成毛毛虫的爬行。正是这一过程，使晶体的实验弹性极限较理论弹性极限小几个数量级(图3-29)。

图3-29 刃型位错的迁移

(据Nicolas＆Poirier，1976)

在只有一个滑移系的矿物中(如云母)，解理面经常就是唯一的滑移面。当沿着解理面的滑移受到阻碍时，解理面会形成尖棱状弯曲——扭折。与宏观尺度的膝折一样，扭折也经常由长翼和短翼组成。短翼叫做扭折带。扭折带相当于一个新的滑移系，是只有一个滑移系统的矿物和滑移系统较少的矿物产生塑性变形的重要机制。

对于作为矿物集合体的岩石来说，在塑性变形中，除了晶体的晶内滑移外，晶粒边界滑移也具有重要意义。

晶粒边界滑移：是通过相邻颗粒边界之间的调整达到岩石塑性变形的机制。朱志澄(1999)将这一过程形象地比喻为受力砂袋中砂粒之间的调整过程(图3-30)。但是岩石中的矿物颗粒是不能自由转动的，因此晶粒边界滑移也很难发生。晶粒边界滑移经常出现在超塑性变形中。

超塑性变形：也叫超塑性流动，最初是指多相细粒合金在一定温度和应变速率条件下拉伸变形的应变量可达1000%以上而不出现缩颈和断裂的现象。超塑性变形出现在高温(T≥0.5T_m，T_m是熔融温度)，细粒(几微米或几十微米)和低应变速率速率条件下。

图3-30 晶粒边界滑动过程示意图

(三)破裂变形阶段

在塑性变形时，岩石试件内已产生一些微破裂。当曲线非常接近C点时(图3-24)，试件表面开始出现宏观破裂。C点是曲线的最高点，代表岩石所能承受的最大应力值。如果保持试件上的C点应力值不变，试件将突然破坏。因此C点应力值称为破坏强度。

到C点时，岩石已不能承受再大的压力。如果从C点开始逐步卸载，则应力-应变曲线上将出现如图3-24中的CD段。在CD段，岩石强度逐渐下降，当岩石试件中某些破裂面上的内聚力完全丧失时，试件将破裂成几块，岩石发生破坏。

因此，岩石的变形可归结为三个阶段：弹性变形阶段、塑性变形阶段和破裂变形阶段。这三个变形阶段依次发生。但对于不同岩石，这三个阶段发育的程度很不同。有些岩石在破坏前能产生较大的塑性应变(ε＞5%)，称为延性；有些岩石在破坏前只能产生很小的塑性应变(ε＜3%)，称为脆性。但当温度、围压等条件发生变化时，岩石的力学性质将会发生较大变化。

E. 如何根据蚀坑排列方向来判断位错性质如何用蚀坑法来测定位错的运动速度

金属材料的强度与位错在材料受到外力的情况下如何运动有很大的关系。如果位错运动受到的阻碍较小，则材料强度就会较高。实际材料在发生塑性变形时，位错的运动是比较复杂的，位错之间相互反应、位错受到阻碍不断塞积、材料中的溶质原子、第二相等都会阻碍位错运动，从而使材料出现加工硬化。

因此要想增加材料的强度就要通过诸如细化晶粒（晶粒越细小晶界就越多，晶界对位错的运动具有很强的阻碍作用）、有序化合金、第二相强化、固溶强化等手段使金属的强度增加。以上增加金属强度的根本原理就是想办法阻碍位错的运动。

(5)位错速率扩展阅读：

注意事项：

当以适当的化学浸蚀法、电解浸蚀法进行浸蚀，以及在真空或其他气氛中进行加热时，位错线在晶体表面的露头处会由于位错应力场而发生腐蚀或由于晶体表面张力与位错线张力趋于平衡状态的作用而使金属被扩散掉，在位错的位置形成蚀坑，借助一般金相显微镜或扫描电镜观察蚀坑便能判断位错的存在。

为了证明蚀坑与位错的一致对应关系，可将晶体制成薄片，若在两个相对的表面上形成几乎一致的蚀坑，便说明蚀坑即位错。此外在台阶、夹杂物等缺陷处形成的是平底蚀坑，很容易地区别于位错露头处的尖底蚀坑。

F. 屈服现象与位错运动有什么关系

我先po两个公式，有个东西在word上我实在不知道怎么打出来，所以就手写了：

通过内公式可知，要容提高位错运动速度，就需要较高的应力，塑性变形一旦开始，位错就大量增殖，使可移动位错密度增加，从而使位错运动速率下降，相应的应力也突然降低，从而产生了明显的屈服现象。这就是屈服现象和位错运动的关系

G. 如何简单的确定可移动位错和固定位错在变形合金中的比例

对层抄错能高的金属而言，在变袭形过程中，全位错不易分解，在遇到阻碍时，可以通过交滑移继续运动，直到与其他位错相遇形成缠结；而层错能低的金属，由于其全位错易于分解为两个不全位错加层错的组态，难以交滑移，位错组态的运动性差。
对于螺型位错，通过交滑移，当同一滑移面上的两个异号(左、右)螺型位错相遇时，可以相互抵消，从而降低位错增殖速率。对于层错能低的金属，位错难以发生交滑移，因此变形过程中位错增殖速率大，加工硬化速率增大。

H. 请简单说明层错能高低对螺型位错交滑移的影响及其对金属加工硬化速率的影响。

层错能高，位错容易滑移，塑性更强，同时更容易产生加工硬化，既加工硬化速率上升

I. 位错胞是什么

位错胞是在材料变形状态下（微观结构）形成的胞状组织，尤其是在金属内或其合容金的变形下产生错位胞，由于材料中存在缺陷（错位），由于塑性变形，错位移动而形成错位胞。在不同的应变速率下错位胞的大小不同，应变速率越大，错位胞越小，因而错位密度越大，材料的强度越大。

J. 【材料科学】铁中的C原子沿刃位错扩散和沿螺位错扩散那种速度更快为什么

感觉应该是位错的空隙较大