Диффузия ползучесть относится к деформации в кристаллических твердых телах с помощью диффузии из вакансий через их кристаллическую решетку . [1] Диффузионная ползучесть приводит к пластической деформации, а не к хрупкому разрушению материала.
Диффузионная ползучесть более чувствительна к температуре, чем другие механизмы деформации . Обычно это происходит при высоких гомологических температурах (то есть в пределах примерно одной десятой его абсолютной температуры плавления ). Диффузионная ползучесть вызывается миграцией кристаллических дефектов через решетку кристалла, так что, когда кристалл подвергается большей степени сжатия в одном направлении относительно другого, дефекты мигрируют к граням кристалла вдоль направления сжатия, вызывая чистый массообмен, который укорачивает кристалл в направлении максимального сжатия. Миграция дефектов частично происходит из-за вакансий, миграция которых равна чистому переносу массы в противоположном направлении.
Принцип
Кристаллические материалы никогда не идеальны в микромасштабе. Некоторые узлы атомов в кристаллической решетке могут быть заняты точечными дефектами , например «чужеродными» частицами или вакансиями. Фактически вакансии можно рассматривать как сами химические вещества (или часть составных видов / компонентов), которые затем можно обрабатывать с использованием гетерогенных фазовых равновесий . На количество вакансий также может влиять количество химических примесей в кристаллической решетке, если такие примеси требуют образования вакансий для существования в решетке.
Вакансия может перемещаться через кристаллическую структуру, когда соседняя частица "прыгает" в вакансию, так что вакансия фактически перемещается на один узел в кристаллической решетке. Химические связи должны быть разорваны, и в процессе должны образоваться новые связи [2], поэтому необходима определенная энергия активации . Таким образом, перемещение вакансии через кристалл становится легче при более высокой температуре .
Наиболее стабильным будет состояние, когда все вакансии равномерно распределены по кристаллу. Этот принцип следует из закона Фика :
В котором J x означает поток («поток») вакансий в направлении x ; D x - постоянная величина для материала в этом направлении и- разница в концентрации вакансий в этом направлении. Закон действует для всех основных направлений в ( x , y , z ) -пространстве, поэтому x в формуле можно заменить на y или z . В результате они станут равномерно распределены по кристаллу, что приведет к наивысшей энтропии смешения .
Когда к кристаллу прикладывают механическое напряжение , новые вакансии будут созданы на сторонах, перпендикулярных направлению наименьшего главного напряжения . Вакансии начнут двигаться в направлении плоскостей кристалла, перпендикулярных максимальному напряжению. [3] Текущая теория утверждает, что упругая деформация в окрестности дефекта меньше по направлению к оси наибольшего дифференциального сжатия, создавая градиент химического потенциала дефекта (в зависимости от деформации решетки) внутри кристалла, что приводит к чистому накоплению дефектов в грани максимального сжатия диффузией. Поток вакансий аналогичен потоку частиц в обратном направлении. Это означает, что кристаллический материал может деформироваться под действием дифференциального напряжения из-за потока вакансий.
Высокоподвижные химические компоненты, замещающие другие частицы в решетке, также могут вызывать чистый дифференциальный массоперенос (то есть сегрегацию) химических частиц внутри самого кристалла, часто способствуя укорочению реологически более сложного вещества и усилению деформации.
Типы диффузионной ползучести
Диффузия вакансий через кристалл может происходить разными способами. Когда вакансии движутся через кристалл (в материаловедении часто называют «зерном»), это называется ползучестью Набарро – Херринга . Другой способ перемещения вакансий - это движение по границам зерен , механизм, называемый ползучестью Кобла .
Когда кристалл деформируется из-за диффузионной ползучести, чтобы приспособиться к пространственным проблемам из-за одновременного скольжения по границам зерен (движение целых зерен по границам зерен), это называется гранулированным или сверхпластическим потоком . [4] Диффузионная ползучесть также может происходить одновременно с растворением под давлением . Раствор под давлением - это, как и ползучесть по Coble, механизм, при котором материал движется по границам зерен. В то время как при ползучести Coble частицы движутся за счет «сухой» диффузии, в растворе под давлением они перемещаются в растворе .
Законы потока
Каждую пластическую деформацию материала можно описать формулой, в которой скорость деформации () зависит от дифференциального напряжения ( σ или σ D ), размера зерна ( d ) и значения активации в форме уравнения Аррениуса : [5]
В которой A - константа диффузии, Q - энергия активации механизма, R - газовая постоянная, а T - абсолютная температура (в градусах Кельвина ). Показатели n и m представляют собой значения чувствительности потока к напряжению и размеру зерна соответственно. Значения A , Q , n и m различны для каждого механизма деформации. Для диффузионной ползучести значение n обычно составляет около 1. Значение m может варьироваться от 2 (ползучесть по Набарро-Херрингу) до 3 (ползучесть по камню). Это означает, что ползучесть Coble более чувствительна к размеру зерен материала: материалы с более крупными зернами менее легко деформируются из-за ползучести Coble, чем материалы с мелкими зернами.
Следы диффузионной ползучести
Трудно найти четкие микромасштабные доказательства диффузионной ползучести в кристаллическом материале, так как несколько структур были идентифицированы как определенное доказательство. Материал, деформированный в результате диффузионной ползучести, может иметь уплощенные зерна (зерна с так называемой ориентацией предпочтительной формы или SPO). Равноразмерные зерна без предпочтительной ориентации решетки (или LPO) могут быть признаком сверхпластического течения. [6] В материалах, которые деформировались при очень высоких температурах, лопастные границы зерен можно рассматривать как свидетельство диффузионной ползучести. [7]
Диффузионная ползучесть - это механизм увеличения объема кристаллов. Большие размеры зерен могут быть признаком того, что диффузионная ползучесть была более эффективной в кристаллическом материале.
Смотрите также
- Ползучесть (деформация)
- Деформация (инженерия)
- Диффузия
- Ползучесть дислокации
- Материаловедение
Рекомендации
- ^ Passchier & Trouw 1998; п. 257
- ^ Twiss & Moores 2000, стр. 391
- ^ Twiss & Moores 2000; п. 390–391
- ^ Twiss & Moores 2000, стр. 394
- ^ Passchier & Trouw 1998; п. 54
- ^ Passchier & Trouw 1998; п. 42
- ^ Гауэр и Симпсон 1992
Литература
- Gower, RJW & Simpson, C .; 1992: Подвижность межфазных границ в естественно деформированных высокосортных кварцево-полевых породах: свидетельство диффузионной ползучести , Журнал структурной геологии 14 , стр. 301-314.
- Passchier, CW & Trouw, RAJ, 1998: Microtectonics , Springer, ISBN 3-540-58713-6
- Twiss, RJ & Moores, EM, 2000 (6-е издание): Структурная геология , WH Freeman & co, ISBN 0-7167-2252-6