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Inelastic Behaviour of Ice Ih Single Crystals in the Low-Frequency Range Due to Dislocations

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

René Vassoille
Affiliation:
Groupe d’Études de Métallurgie Physique et de Physique des Matériaux, Institut National des Sciences Appliqués de Lyon, E.R.A. no. 463, Bâtiment 502, 20 avenue A. Einstein, F-69621 Villeurbanne-cede, France
Christian Maï
Affiliation:
Groupe d’Études de Métallurgie Physique et de Physique des Matériaux, Institut National des Sciences Appliqués de Lyon, E.R.A. no. 463, Bâtiment 502, 20 avenue A. Einstein, F-69621 Villeurbanne-cede, France
Joseph Perez
Affiliation:
Groupe d’Études de Métallurgie Physique et de Physique des Matériaux, Institut National des Sciences Appliqués de Lyon, E.R.A. no. 463, Bâtiment 502, 20 avenue A. Einstein, F-69621 Villeurbanne-cede, France
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Abstract

The inelastic behaviour of ice Ih single crystals has been investigated by an inverted torsional pendulum in the low-frequency range. Three features are distinguished:

(i) a relaxation peak previously observed by several authors in the higher-frequency range,

(ii) an internal friction increasing with temperature in the high-temperature range (230–273 K),

(iii) within this high-temperature range, internal friction becomes amplitude dependent, and this dependence becomes greater the greater the temperature.

In this case, the internal friction has been interpreted in terms of movements of dislocations. Hence, the experimental results are interpreted with a model of internal friction based on an empirical relation for the velocity of dislocations. This model of internal friction is in fair agreement with experimental data . It is possible then to get an estimate of dislocation density. Hence it is shown that internal friction experiments can be useful in the study of the plastic behaviour of ice single crystals.

Résumé

Résumé

Le comportement inélastique de la glace Ih monocristalline a été étudié à l’aide d’un pendule de torsion inversé fonctionnant dans le domaine des basses fréquences. Il apparait trois caractéristiques:

(i) un pic de relaxation observé précédemment par divers auteurs dans le domaine des hautes fréquences,

(ii) un frottement intérieur croissant rapidement avec la température dans le domaine 230–273 K ,

(iii) dans ce domaine de températures, le frottement intérieur dépend de l’amplitude de déformation et cette dépendance est d‘autant plus forte que la température est plus élevée.

Nous nous sommes plus particulièrement intéressés dans ce travail au comportement de la glace monocristalline dans le domaine des hautes températures en mettant en évidence le rôle des dislocations. La comparaison de nos résultats avec ceux obtenus par topographie de rayons X nous permet d‘interpréter l’ensemble des données apportées par le frottement intérieur. Il est alors possible d’obtenir une estimation de la densité de dislocation. II apparaît ainsi que les mesures de frottement intérieur peuvent être utiles pour l’étude de la déformation plastique de la glace.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Das anelastische Verhalten von Eis-Ih-Einkristallen wurde mit einem umgekehrten Torsionspendel im Niederfrequenzbereich untersucht. Drei Merkmale werden herausgeslellt:

(i) Ein Relaxationsdämpfungsmaximum, das bereits früher von verschiedenen Verfassern im höheren Frequenzbereich beobachtet wurde.

(ii) Ein Anstieg der inneren Reibung mit der Temperatur im Hochtemperaturbereich (230–273 K) .

(iii) Innerhalb dieses Hochtemperaturbereiches wird die innere Reibung amplitudenabhängig, und diese Abhängigkeit wird grösser je höher die Temperatur.

Die innere Reibung wurde in diesem Fall mit Hilfe von Versetzungsbewegungen gedeutet. Die experimentellen Befunde werden daher mit einem Modell der inneren Reibung erklärt, das auf einer empirischen Beziehung für die Versetzungsgeschwindigkeit beruht. Dieses Modell der inneren Reibung stimmt mit den experimentellen Werten gut überein. Es ist damit möglich eine Abschätzung der Versetzungsdichte zu erhalten. Daraus lässt sich folgern, dass Experimente der inneren Reibung bei der Untersuchung des plastischen Verhaltens von Eis-Einkristallen nützlich sein können.

Information

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

Fig. 1.Internal friction as a function of temperature.

Figure 1

Fig. 2.Internal friction as a function of maximal strain amplitude at several temperatures. The shaded band contains all the results obtained between 260 and 272 K with a single crystal for which θ = 45°, φ = 87°.The other curves are obtained with a single crystal for which θ = 24°, φ = 16°: • 272.5 K, ? 269.5 K, ? 267.5 K, ○ 264.5 K, ? 261 K.

Figure 2

Fig. 3.Influence of plastic deformation; A. undeformed ice, B. after 0.5% straining, C. after 2.5% straining.

Figure 3

Fig. 4.Internal friction as a function of temperature for a single crystal of ice Ih: A. pure ice, B. HF-doped ice.

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Fig. 5.Influence of HF doping on the amplitude-dependent internal friction. A. pure ice: • 272.5 K, ? 271 K, ○ 269 K, ? 267 K, Δ 264 K. B. HF-doped ice: ? 272 K, Δ 269.5 K, ○ 267 K, ? 264 K, • 260 K.

Figure 5

Fig. 6.Variations of plotted against sinh () for pure ice: A. 264 K, B. 267 K, C. 269 K, D. 271 K, E. 272.5 K.

Figure 6

Fig. 7.Variation of α with temperature. (a) All results for six specimens, (b) comparison between pure ice (A) and HF-doped ice (B).

Figure 7

Fig. 8.High temperature internat friction; the full line is the experimental curve, the points plotted are theoretical values: A. pure ice, B. HF-doped ice.

Figure 8

Table 1.Dislocation Densities ρd in cm/cm3