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The Influence of Ice-Crystal Size on Creep

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

Robert W. Baker*
Affiliation:
Department of Plant and Earth Sciences, University of Wisconsin—River Falls, River Falls, Wisconsin 54022, U.S.A.
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Abstract

Uniaxial compression tests were conducted on polycrystalline-ice samples with random c-axis orientation and steady-state creep rates were determined. Experiments were conducted on both inclusion-bearing and inclusion-free ice and were run at constant stress and constant temperature. During freezing, the presence of inclusions in low concentrations inhibits crystal growth; variations in the volume-fraction of inclusions thus result in variations in ice-crystal size. The creep rate of polycrystalline ice at high temperatures and moderate stresses is extremely sensitive to variations in ice-crystal size. Due to an apparent inversion between dislocation-controlled creep and diffusion-controlled creep, the optimum grain size for creep resistance is about 1.0 mm. Increasing or decreasing the average crystal size from this critical value results in an increase in secondary-creep rate.

Résumé

Résumé

Des tests de compression uniaxiale ont été entrepris sur des échantillons de glace polycristalline avec une orientation au hasard des axes-c et la vitesse de glissement en régime permanent a été déterminée. Les expériences ont été conduites sur des glaces chargées en inclusions et sur des glaces sans inclusions à contraintes et températures constantes. Au cours du gel, la présence de faibles concentrations d'inclusions empêche la croissance des cristaux; les variations dans le pourcentage en volume d'inclusions provoque donc des variations dans la dimension des cristaux de glace. La vitesse de glissement de la glace polycristalline à haute température et sous des contraintes modérées est extrêmement sensible aux variations des dimensions des cristaux. En raison d'une apparente inversion entre le glissement contrôlé par les dislocations et celui contrôlé par la diffusion, la dimension optimum des grains pour une meilleure résistance au glissement est d'environ 1,0 mm. L'augmentation ou la diminution de la dimension moyenne des cristaux à partir de cette valeur critique provoque un accroissement dans la vitesse du glissement secondaire.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Polykristalline Eisproben mit Zufalls-orientierung der c-Achsen wurden unter einachsigem Druck getestet, wobei die siationären Kriechge-schwindigkeil bestimmt wurden. Die Versuche erstreckten sich sowohl auf Eis mit Einschlüssen wie auf ein-sehlussfreies Eis unter konstanter Spannung und Temperatur. Während des Gefrierens behindert das Vorhandensein von Verunreinigungen in geringer Konzentration das Wachsen der Kristalle; Schwankungen im Volumenanteil der Verunreinigungen führen so zu Schwankungen in der Eiskristallgrösse. Die Kriech-geschwindigkeit polykristallinen Eises bei hohen Temperaturen und mässigen Spannungen ist äusserst empfindlich gegen Schwankungen in der Kristallgrösse. Infolge einer offensichtlichen Inversion zwischen versetzungsbestimmtem und diffusionsbestimmtem Kriechen liegt die günstigste Korngrösse der Wider-standsfähigkeit gegen Kriechen bei 1,0 mm. Weicht die mittlere Kristallgrösse von diesem kritischen Wert nach oben oder unten ab, so steigt die sckundäre Kriechgeschwindigkeit an.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1978
Figure 0

Fig. 1.Thin-section photograph of a typical compression sample. Diameter of sample is 1.90 cm.

Figure 1

Fig. 2.Normalized secondary-creep rate versus average grain diameter for both inclusion-free and inclusion-bearing samples. Lines with slopes N were fitted to the data using least-squares methods. Points located near the intersection of the turn lines (d = 1.15 mm) were included with both sets of data in the curve-fitting procedure because of the uncertainty in determining whether they should be included with the fine-grained data or the coarse-grained data. On all points, error bars representing 99% confidence limits on slope of secondary-creep curve (Krumbein and Graybill, 1965, p. 230) are smaller than dot. All creep data are plotted as uniaxial compressée strain-rates.

Figure 2

Fig. 3.Normalized secondary-creep rule versus average grain diameter for both inclusion-bearing and inclusion-free samples. All creep data are plotted as uniaxial compressive strain-rates.

Figure 3

Fig. 4.Relationship of volume-fraction inclusions to the ultimate grain size produced upon crystallization.