位错理论与加工硬化研究大师Nabarro教授与Kuhlmann-Wilsdorf教授

位错研究大师Nabarro和Kuhlmann-Wilsdorf都来过北京科技大学进行学术交流。两人有着十分密切的关系,同时存在学术上不同的观点。他们的学术成就不同程度地在材料科学基础课程中出现过。本文首先简单介绍两人的科学贡献,然后从课程教学的角度讨论了两人与课程中一些知识点的联系,希望能帮助相关专业课程学习者和授课教师从更深层理解相关知识点及背后的历史背景,将人文历史与专业理论有机结合,促进课程学习、促进教学与科研。

基于弹性位错理论的2004年Mw6.0 Parkfield地震断层应力降分布

地震的发生伴随着区域应力状态调整,地震学上通常采用应力降表征震源区的应力释放水平。作为重要震源参数之一,应力降被广泛用于地震类型判断、震后应力状态分析及破裂扩展预测。目前,地震学家们常常根据拐角频率给出一个平均应力降结果,但是,一方面,发震区域和断层面岩石强度及应力状态存在不均匀性,单一的平均值难以呈现出空间变化,很难反映整个断层面上的应力调整情况;另一方面,由于观测台网限制、各个台站场地、射线路径等震源谱数据及相关计算参数获取方式和精确度不同而往往导致不同研究结果存在较大差异。为此,从力学角度出发,利用Okada静力学方法计算断层错动所引起的断层面上的剪应力变化,即基于位错滑动模型得到断层面上的地震应力降分布。数值计算结果表明,地震的发生虽然释放了断层面上的集中应力,但由于断层面上存在障碍体或者滑动量不均匀分布,断层面上位错量大的局部区域应力释放反而会使得其邻近区域应力集中,呈现出地震应力降非均匀分布现象,增大了断层面局部段落再次破裂的风险。应力降的非均匀性分布和断层几何形状的变化一定程度上也决定了断层的非均匀滑移行为。以2004年Mw6.0 Parkfield地震为例,计算其断层面上应力降分布:主震最大错动区域地震应力降约9.2 MPa,但是在发震断层上部分段落的应力反而增加,可达-3.5 MPa。相较于单一的平均地震应力降,基于位错模型获取应力降分布可更好地反映出震源破裂过程及对余震发展的分析预测。

利用震后黏弹性位错理论研究苏门答腊地震(M_w9.3)的震后重力变化

本文利用2003—2011年的GRACE RL05数据提取了苏门答腊地震(Mw9.3)引起的震后重力变化,发现断层两侧震后重力变化速率存在明显差异,断层下盘总体变化率为0.55μGal/yr,断层上盘为0.16μGal/yr.基于子断层叠加的编程思想,本文将Tanaka的黏弹球体位错理论配套计算程序(简称黏弹位错程序)加以改造,克服了其近场计算精度不足(甚至错误)的缺陷,可用来研究大地震引起的近场震后位移与重力变化.本文利用改造后的黏弹位错程序计算了2004年苏门答腊地震(Mw9.3)产生的同震重力变化,计算结果在空间分布和量级上均与利用弹性位错程序计算获得的结果一致,验证了我们对黏弹位错程序进行改造的正确性.最后,结合GRACE卫星观测数据,本文利用Tanaka的黏弹位错理论研究了苏门答腊地区的地幔黏性因子.结果表明,该地区地幔黏滞性具有显著的横向差异,当发震断层上下两盘的地幔黏滞性系数分别取8×1018 Pa·s和1×1018 Pa·s时,模拟的震后重力变化在总体空间分布和变化趋势上与GRACE卫星观测结果更接近.

位错理论模型在福建省沿海交通干线地面沉降模拟中的应用

为了研究活动断裂对福建省东南沿海交通干线基础稳定性的影响,采用位错理论模型,对福建省长乐-南澳断裂带三维活动性进行模拟计算,分析了交通网络覆盖区域的地壳形变场分布特征.结果表明:受长乐-南澳断裂带影响,研究区域整体表现为近北东向的缓慢抬升,平均速率为1 mm/a.在与北西走向的九龙江下游断裂的交汇部位,地壳差异性活动显著增强,呈现出下沉-抬升梯度带相互切割的形变趋势.同时,研究区域地应变分布也表现为扩张-压缩交替带,地壳引张最剧烈的区域位于同一断裂交汇处,应变率为2.90×10-8/a.由此可知,长乐-南澳断裂与九龙江下游断裂的交汇部位对研究区域地球动力学基础稳定性影响最为显著.

位错理论在西安地面沉降模拟中的应用

介绍了用位错理论研究地面变形的基本理论和方法。根据西安地面变形的地质模型,利用位错理论对西安市11条地裂缝活动与地面垂直变形的综合影响进行了数值模拟计算,并将计算结果与精密水准实测结果进行了对比分析。结果表明:位错理论模型数值模拟结果与实测的水准结果在空间分布具有很好的一致性。从理论上分析了西安地区的地面地面沉降除与抽取地下水,地面负荷等有关外,还与西安地区的地质构造特征有密切的关系。

基于位错理论的饱和土渗流特性CPTU评价研究

孔压静力触探(CPTU)测试数据通常用于土层划分和岩土工程设计参数评价。国际上CPTU测试技术的最新进展之一在于采用测得的锥尖阻力、侧壁摩阻力和孔隙水压力快速、连续地获得饱和土的渗透系数,以避免孔压消散试验费时的缺点。首先简要回顾了基于CPTU测试资料确定饱和土渗透系数的的研究成果,并进行了分析与改进,提出了基于位错理论和圆柱面径向流模型的水平向渗透系数预测新方法。选取典型场地进行了CPTU测试,并在黏性土场地采用薄壁取土器获得无扰动的原状试样,进行室内水平向渗透试验,在无黏性土场地进行现场钻孔抽水试验。以室内渗透试验和现场抽水试验的结果为参考,对3种基于CPTU连续评价饱和土渗透系数的方法进行了对比分析。研究表明,位错理论适用于评价饱和土的原位渗透系数,然而准确性与所采用的渗流模型有关。对国际标准CPTU探头,孔压过滤环位于锥肩(u2)位置时,采用圆柱面的径向流模型能够获得最为准确的水平向渗透系数预测结果,采用球面流或半球面流模型时趋于低估土层的渗透性。

球体位错理论计算程序的总体设计与具体实现

本文详细介绍了球体位错理论计算程序的总体设计思想、各类配套文件的具体内涵以及各类输出文件的物理含义,同时介绍了程序的使用方法和注意事项,为读者独立使用该程序提供参考。球体位错理论计算程序主要由三部分组成:①位错格林函数计算程序,基于具体的球对称地球模型提供离散的二维格林函数数值框架;②积分计算程序,对离散的格林函数数值框架进行双二次样条插值运算,并对四类独立位错源对应的格林函数进行适当组合,从而计算出任意位置任意类型震源在地表产生的同震变形(含位移、应变、重力变化和大地水准面变化);③辅助文件,用于提供发震断层模型和计算点位信息。一般情况下,读者不需要理解位错格林函数计算程序和积分计算程序,只需要对辅助文件提供的信息进行针对性改动,就可以计算目标地震在目标观测站引起的同震变形。

利用粘弹性球体位错理论研究2011年日本M_W9.0地震引起的震后位移时空变化

基于2011年3月~2015年9月的GPS观测数据,研究了2011年日本M_W9.0地震引起的震后位移时空变化,分析震后4.5a内震后断层余滑和粘滞性松弛对震后位移场的贡献。基于子断层叠加的思想,对Tanaka的粘弹性球体位错理论配套计算程序(环型解部分)加以改进,克服其近场计算精度不足(甚至错误)的缺陷,提高了近场震后位移的计算精度。利用弹性球体位错理论配套计算程序和改进后的粘弹性球体位错理论配套计算程序,分别计算2011年日本M_W9.0地震产生的同震位移,两组结果的差异仅占信号的1%左右,验证了对粘弹性球体位错理论配套计算程序改造的正确性。最后,结合震后3~4.5aGPS观测数据,利用Tanaka的粘弹性球体位错理论确定了2011年日本M_W9.0地震震中周边区域地幔粘滞性系数,其最佳拟合值为6×10^(18)Pa·s。

基于连续介质位错理论的位错原子分布构造方法

基于连续介质位错理论提出一种新的位错原子分布构造方式,理论上可以构造出任意形状和任意Burgers矢量的位错结构.利用该方法,选用FCC单晶铜为模拟介质,构造Burgers矢量为b=[110]/2的刃型全位错和Burgers矢量为b=[112]/6圆环形不完全位错环,并使用分子动力学方法模拟全位错的扩展分解过程和不全位错环在自应力作用下的收缩过程,模拟结果与理论分析一致.该方法的优点在于可以方便地构造出其他传统方法难以构造的位错闭合结构——位错环,从而使位错环的细致研究成为可能.

位错理论在金属切削中的应用

位错理论已用于新型材料的研究,近年来开始用于金属加工包括铸锻加工和切削加工机理的研究.本文用位错理论来阐明材料在切削过程中的塑性变形、硬化和断裂的机理,以期在原子级的水平上揭示金属切削过程的物理本质,建立更准确更符合实际情况的切削过程的物理模型;优化切削过程以及提高加工效率和加工质量.本文还用位错理论指出研制新型刀具材料的途径.

球体位错理论在2011年日本强震中的应用研究

利用球体位错理论计算了2011年日本强震产生的远场同震位移与应变,并利用GPS远场数据修正了该强震的总地震矩。结果表明:1)利用球体位错理论计算得到的理论水平位移场显示,垂直于发震断层的广大区域同震位移较大,位移矢量总体都指向震中地区,震中距约5 000千米的地方亦产生了3 mm以上的同震水平位移。理论位移与远场GPS观测结果具有良好的一致性;2)比较两个独立断层模型对应的理论同震位移场发现,震源西部地区远场位移总体上只有1%～4%的微小差异,而东部广大海域的差异则达到同震信号的6%～15%,震中周围差异更大。该差异表明,相对于震源仅局域覆盖的日本本土GPS观测数据对2011年日本强震的断层滑动分布模型的约束能力有限;3)依据中国及邻区的远场GPS同震观测数据修正2011年日本强震的总地震矩,把该地震释放的总能量约束在(3.24～4.96)×1022Nm,相应的矩震级为Mw8.97～9.10;4)2011年日本强震在华北地区产生的同震应变与该区的长期应力变化背景场大体相反,表明该强震使华北地区的地壳产生了松弛效应。

基于位错理论的超声波消除焊接残余应力的研究

介绍了位错晶格理论的产生与发展,对点阵模型中的P-N模型进行分析,并把位错运动所需的临界剪切应力与超声波振动仪产生的冲击力进行比较,利用透射电子显微镜观察冲击前后焊缝材料内部位错密度的变化,验证了应用位错理论研究超声波消除焊接残余应力的准确性。

位错理论在大地形变测量资料解释中的应用研究

本文首先针对目前位错理论应用中所出现的一些实际问题,着重讨论了非均匀分布的位错函数对地表位移场的影响,导出了直立、矩形平面断层之位错函数呈线性分布时的严格解析表达式,并给出了任意形式的位错函数对地表位移场影响的一般结论。然后,简要地讨论了断层面为曲面时的影响。最后,运用位错理论,对新丰江水库1964年5.3级地震的震源参数重新作了反演,并对该次地震的全过程作了一些分析。

基于位错理论的振动消应力的机理研究

采用位错理论解释振动消应力法降低和调整残余应力的机理,揭示振动消应力的效果与金属材料中的位错密度和位错组态的内在联系。详细分析位错的萌生、运动、增殖对滑移和塑性变形的贡献,从数学上阐述振动时效的内在本质。

地震位错理论在地震学研究中的作用与存在的问题

现代大地测量技术（VLBI，GPS，InSAR，海洋测高，以及重力卫星等）的发展使得全球范围内可以监测到同震变形，例如，位移、重力、大地水准面和应变等。这些大地测量及地球物理信息可用来研究震源机制、地球内部构造、断层反演、大地测量结果解释以及确定震源参数等。而这些研究需要建立在精细完善的位错理论之上。因此，位错理论的重要性不言而喻。

利用球形地球位错理论研究日本M_(W)9.0地震引起的稳态变形与库仑应力变化

稳态地震变形是指由地震引起的、超长时间尺度内震后黏弹性松弛效应的累加,通过对稳态地震变形的研究,可以研究大地震导致的地球总体震后形变场,有利于分析周边地区对该地震的极限响应.本文首先利用球形地球地震位错理论,计算了日本M_(W)9.0地震在日本列岛和中国东部地区产生的稳态水平位移.结果表明,日本M_(W)9.0地震在日本本岛引起的稳态水平位移最大可达到8 m,大体上是同震水平位移的两倍;在中国东北地区产生的稳态水平位移最大值超过0.8 m,在华北地区产生的稳态水平位移最大值为0.5 m左右,是同震水平位移的30~40倍.接着,本文根据前人研究成果,结合地质资料,建立了中国东北和华北地区15条主要断裂带的几何与滑动构造模型,然后利用球形地球位错理论计算了日本M_(W)9.0地震在上述断裂带上引起的同震与稳态库仑应力变化.结果表明,该强震在中国东北和华北地区主要断裂带上引起的同震库仑应力变化均不超过1 kPa;稳态库仑应力变化显著超过同震结果,但除了依兰—伊通断裂带北段和嫩江断裂带南段的一部分以外,其他断裂带上的稳态库仑应力变化均未超过10 kPa这个地震触发阈值.因此日本M_(W)9.0地震对中国东北和华北地区地震危险性影响有限,不会显著改变区内主要断裂带的应力状态和地震活动性.

球形地球模型的地震位错理论及其应用

地震位错理论是研究地震断层滑动与地球物理场变化之间关系的理论,是震源机制、地球内部构造、地震预测等基本地球物理问题与大地测量、地球物理观测数据之间的联系纽带。被广泛使用的半无限空间介质模型的位错理论,由于其几何模型的限制,在地震变形和地球动力学等应用研究中会导致一定程度的误差。此外,现代大地测量技术可以在全球和区域尺度上精确地观测地震变形,亟需一个适用于全球地震变形研究的地震位错理论。为此,本团队基于球形地球模型,经过多年系统性研究,建立了地震位错理论新体系。所构建的球形地球模型的地震位错理论,促进了全球地震变形和地球动力学变化的研究,是近年来地球物理学领域取得的重要理论进展之一。本文简要地介绍了国内球形地球模型地震位错理论的发展及其应用研究。首先,介绍了弹性球形地球模型、三维不均匀地球模型和黏弹地球模型的位错理论;其次,介绍球形地球模型的位错理论在地球动力学变化研究、断层与地下介质结构反演和地震大地测量学研究方面的相关应用;最后,对球形地球模型的位错理论的发展方向作出展望。

球体位错理论的基本解

位错理论是现代地震学中计算地球内部位错源引起的地表变形的重要理论模型。诸多学者对准静态位错理论模型进行了研究,其中大量工作是在前人给出的基本解的基础上进行的。回顾了位错理论模型的基本物理方程,包括平衡方程、本构关系和泊松方程,并分别推导了无自重、不可压缩、自重可压缩的地球模型下的通解。给出的基本解可以用于进一步理解和计算一维径向分层的地震变形问题。

位错理论在切削机理中的应用

位错理论是近年来引入金属切削领域的一种新的理论,本文应用位错理论对金属切削中出现的一些宏观现象进行研究和解释。

Al，Cu，Ta高压熔化曲线的位错理论计算

Burakovsky等提出了位错熔化理论解析模型： Tm（p）=Tm（0）（1＋B0/B0p）^-1/B0[1＋G0/G0p（1＋B0/B0p）^-1/3B0 式中，Tm（p），Tin（0）为熔化温度，P为压力，B0，B0′分别为体积模量及其对压力的一阶偏导数，G0，G0’分别为剪切模量及其对压力的一阶偏导数，下标0是指常态（T≈300K，p=0）。选择Al，Cu，Ta为研究对象，通过对初始输入参数体积模量（B0，B0′）和剪切模量（G0，G0′）的优化，以确定在宽广压力范围适合描述Al，Cu，Ta熔化特性的位错熔化模型。