[논문 리뷰] Complex dislocation dynamics in ice: experiments

Weiss, Jerome, Jean‐Robert Grasso외 3명|arXiv (Cornell University)|2001. 05. 04.

Landslides and related hazards참고 문헌 13인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 -10 °C에서의 압축 및 비틀림 피로 시험 중 빙석 단일결정에서의 불순물 운동을 초음파 방출(AE)을 이용해 분석하여 불순물 붕괴의 역학을 조사한다. 그 결과, 점성플라스틱 변형은 척도 불변성과 비율 분포를 가지며, 에너지와 크기의 거듭제곱 법칙에 따라 분포하는 불순물 붕괴로 나타나며, 이는 정상 상태의 제2차 피로 단계에서도 비평형 임계 현상이 존재함을 시사한다.

ABSTRACT

We present a statistical analysis of the acoustic emissions induced by dislocation motion during the creep of ice single crystals. The recorded acoustic waves provide an indirect measure of the inelastic energy dissipated during dislocation motion. Compression and torsion creep experiments indicate that viscoplastic deformation, even in the steady-state (secondary creep), is a complex and inhomogeneous process characterized by avalanches in the motion of dislocations. The distribution of avalanche sizes, identified with the acoustic wave amplitude (or the acoustic wave energy), is found to follow a power law with a cutoff at large amplitudes which depends on the creep stage (primary, secondary, tertiary). These results suggest that viscoplastic deformation in ice and possibly in other materials could be described in the framework of non-equilibrium critical phenomena.

연구 동기 및 목표

• 순수한 빙석 단일결정에서의 피로 변형 중 불순물 운동의 통계역학적 동역학을 이해하기 위해.
• 점성플라스틱 변형이 미세 구조 수준에서 균일한지 또는 비균일한지 조사하기 위해.
• 불순물 붕괴가 보편적인 척도 법칙을 따르는지 확인하여 임계 행동을 규명하기 위해.
• 불순물 간 탄성 상호작용이 간헐적인 플라스틱 유동을 어떻게 이끄는지 탐구하기 위해.
• 초음파 방출이 결정성 물질 내 불순물 운동을 신뢰할 수 있는 탐사 수 Mittel로 기능할 수 있는지 확인하기 위해.

제안 방법

• 빙석 단일결정에서 -10 °C에서의 축방향 압축 및 비틀림 피로 시험 중에 피에조전기 변환기를 사용하여 초음파 방출(AE)을 기록하였다.
• 불순물 붕괴의 크기와 에너지를 나타내는 지표로 AE의 진폭과 에너지를 사용하였으며, 이는 에슐리의 모델에서 유도된 척도 관계 E ∝ A²에 기반한다.
• AE 진폭과 에너지의 분포를 분석하여, 상한 절단값이 있는 거듭제곱 법칙 스케일링이 존재하는지 확인하였으며, 이는 임계 행동을 나타낸다.
• AE 이벤트의 시간적 군집성을 평가하기 위해 상관 적분 C(t)를 계산하였으며, 이는 주진동-후진동 시퀀스를 드러냈다.
• 불순물 붕괴 통계의 변화를 평가하기 위해 피로 단계(제1차, 제2차, 제3차) 전반에 걸쳐 분석을 수행하였다.
• 관측된 척도 행동의 타당성을 검증하기 위해 동반 논문의 수치 시뮬레이션 결과와 실험 결과를 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정상 상태 피로에서 빙석 단일결정의 불순물 붕괴는 거듭제곱 법칙에 따라 크기가 분포하는가?
• RQ2 불순물 붕괴 크기 분포의 상한 절단값은 제1차, 제2차, 제3차 피로 단계에서 어떻게 변화하는가?
• RQ3 초음파 방출 이벤트에 시간적 군집성이 존재하는가? 이는 불순물 운동에서 주진동-후진동 역학을 시사하는가?
• RQ4 초음파 방출의 통계적 특성은 불순물 시스템에서 비평형 임계 현상과 연결될 수 있는가?
• RQ5 압축과 비틀림의 하중 방식이 불순물 붕괴 크기 분포의 척도 지수에 영향을 미치는가?

주요 결과

• 빙석 단일결정의 점성플라스틱 변형은 제2차 피로 단계에서도 간헐적인 불순물 붕괴로 발생하며, 이는 복잡하고 비균일한 과정임을 시사한다.
• 초음파 방출 진폭(붕괴 크기의 대체 지표)의 분포는 상한 절단값이 있는 거듭제곱 법칙을 따르며, 이 절단값은 피로 단계에 따라 달라진다.
• 제2차 피로에서 불순물 붕괴 크기 분포의 거듭제곱 법칙 지수는 τ = 1.8 ± 0.1이며, 이는 유한 체적 효과가 아님을 시사한다.
• 제1차 및 제3차 피로에서는 약간 더 큰 지수 τ ≈ 2.15 ± 0.05를 관측하였으며, 이는 불순물 운동의 성질에 변화가 있었음을 시사한다.
• 비틀림 피로 조건에서는 τ = 1.7인 거듭제곱 법칙이 관측되었으며, 상한 절단값이 감지되지 않아, 축방향 압축 조건과는 다른 척도 행동을 나타낸다.
• 시간적 상관 분석을 통해 특성 시간 스케일 tc 이하에서 AE 이벤트의 군집성이 나타났으며, 이는 주진동-후진동 시퀀스와 일치하며, tc는 평균 이벤트 간격과 척도가 맞는다.