Диффузионная ползучесть - Diffusion creep

Диффузия ползучесть относится к деформации в кристаллических твердых телах с помощью диффузии из вакансий через их кристаллическую решетку . 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 таким образом, 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. Во время процесса необходимо разорвать химические связи и образовать новые связи, поэтому необходима определенная энергия активации . Таким образом, перемещение вакансии через кристалл становится легче при повышении температуры .

Наиболее стабильным будет состояние, когда все вакансии равномерно распределены по кристаллу. Этот принцип следует из закона Фика :

{\ displaystyle J_ {x} = - D_ {x} {\ frac {\ Delta C} {\ Delta x}}}

В которой 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 действителен для всех главных 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 . ${\ Displaystyle {\ Delta C} / {\ Delta x}}$

Когда к кристаллу прилагается механическое напряжение , новые вакансии будут созданы на сторонах, перпендикулярных направлению наименьшего главного напряжения . Вакансии начнут движение в направлении плоскостей кристалла, перпендикулярных максимальному напряжению. Современная 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 на гранях максимума. сжатие диффузией. Поток вакансий подобен 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 сокращению реологически более сложного вещества и усилению деформации.

Типы диффузионной ползучести

Диффузия вакансий через кристалл может происходить несколькими способами. Когда вакансии перемещаются через кристалл (в материаловедении часто называют «зерном»), это называется ползучестью Набарро – Херринга . Другой путь, которым могут перемещаться вакансии, - это вдоль границ 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 . 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 : ${\ displaystyle {\ dot {\ epsilon}}}$

${\ displaystyle \! {\ dot {\ epsilon}} = Ae ^ {\ frac {-Q} {RT}} {\ frac {\ sigma ^ {n}} {d ^ {m}}}}$

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 могут менее легко деформироваться из-за ползучести Coble, чем материалы с мелкими зернами.

Следы диффузионной ползучести

Трудно найти четкие микромасштабные доказательства диффузионной ползучести в кристаллическом материале, так как некоторые структуры были идентифицированы как определенное доказательство. Материал, который был деформирован 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. В материалах, которые деформировались при очень высоких температурах, лопастные границы зерен можно рассматривать как свидетельство диффузионной ползучести.

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

Ссылки

Литература

Gower, RJW & Simpson, C .; 1992: Подвижность межфазных границ в естественно деформированных высокосортных кварцофельдшпатовых породах: свидетельства 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

Languages

In other projects