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Results of Preliminary Experiments on the Plasticity of Ice Crystals

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

Samuel Steinemann*
Affiliation:
Eidgenössisches Institut für Schnee- und Lawinenforschung, Weissfluhjoch, Davos *
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

The growth of single crystals of ice for the study of plasticity has to be done with care, since a disturbing lineage structure is easily generated. The orientation of specimens can be found from growth figures (dendrites) and Tyndall’s “flowers”; these give the a-axis, as the branches in both cases point in the [1120] direction. Slip occurs on the basal plane without following a definite glide direction. In pure shear two stages of creep exist, the first for a glide of 10–20 per cent in an undeformed crystal, the second for greater shears having a higher creep velocity. Both stages obey the law , n being 2.3–4 in the first case and 1.3–1.8 in the second. The deformed state above the transition remains stable and no recrystallization takes place in pure shear. Restoration of the undeformed state by recrystallization occurs only in inhomogeneously deformed parts. This observation may have an influence in interpreting measurements of glacier movements and tests on polycrystalline specimens in the laboratory.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Der Züchtung von Einkristallen zu Kristallplastizitätsuntersuchungen ist Sorgfalt zuzuwenden, da sehr leicht eine Verzweigungsstruktur erzeugt werden kann, die stören muss. Die Orientierungsbestimmung in bezug auf die a-Richtung ist mittels Wachstumsfiguren (Dendriten) und der „Tyndall-Blumen” möglich, in beiden Fällen weisen die Aeste in die [1120]-Richtung. Gleiten erfolgt in der Basis als Translationsebene ohne Einhaltung einer bestimmten Gleitrichtung. Bei Dauerbeanspruchung durch reine Scherung bestehen zwei Verformungsstadien, ein ersteres gültig für unverformte Kristalle bis zu einer Gesamtabgleitung von 50–20%, ein zweites bei Abgleitungen über 10–20%, bei gleichbleibender Spannung durch eine höhere Abgleitungsgeschwindigkeit gekennzeichnet. Beide Verformungen lassen sich durch ein Gesetz darstellen, wobei n für das erste Gesetz 2.3–4 für das zweite 1.3–1.8 beträgt. Der deformierte Zustand überhalb des Ueberganges bleibt stabil und keine Rekristallisation tritt auf in reiner Scherung. Die Wiederherstellung des unverformten Zustandes geschieht einzig an inhomogen verformten Teilen des Kristalls. Diese Beobachtungen können die Messungen am Gletscher und Versuche an polykristallinen Eiskörpern im Laboratorium in ihrer Interpretation beeinflussen.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1954
Figure 0

Fig. 1 X-ray’ Lane-diagrams of single crystals with growth faults. The X-ray’ beam is nearly parallel to c-axis. Fig. 1 (a) (top): Jumps of orientation. Fig. 1 (b) (middle): A spirally distorted crystal, the change of orientation in the crystal being about 8°

Figure 1

Fig. 2 Tyndall’s flowers. The [1120] direction is the direction of the spikes, [0001] is perpendicular to their plane. ×2.5

Figure 2

Fig. 3 The top two diagrams show the effect of a bending test on a free ice crystal in which deformation is possible on the basal plane. The bottom diagram shows that when the basal plane is clamped glide is impossible

Figure 3

Fig. 4 Arrangement in Bausch’s apparatu for direct shear to be applied to ice crystals

Figure 4

Fig. 5 Sheared single crystals. In the upper view (a) the glide is about 50 per cent. In the laser view (b) glide lines are clearly visible

Figure 5

Fig. 6. Shear versus time for different shear stresses on a singlec crystal of ice for a temperature of −2.3°C × Fresh crystal ● Soft crystal

Figure 6

Fig. 7 Shear velocity versus shear stress on a single crystal of ice in direct shear for a temperature of −2.3° C○ Extremely low glide (<1 per cent)

Figure 7

Fig. 8 Shear velocity plotted as radius vector for a fixed strain and various positions of the glide direction in the basal plane

Figure 8

Fig. 9 Thin section of a sheared crystal in which recrystallization took place viewed in polarized light. The recrystallized parts are completely in the interior of the crystal. Inhomogeneously deformed parts of the single crystal are recognizable as striations in the polarized light. × 3