Диффузионная ползучесть - Diffusion creep

Диффузионная ползучесть относится к деформация из кристаллический твердых тел распространение из свободные места через их кристаллическая решетка.^[1] Диффузионная ползучесть приводит к Пластическая деформация скорее, чем хрупкое разрушение материала.

Диффузионная ползучесть более чувствительна к температура чем другие механизмы деформации. Обычно это происходит на высоком гомологические температуры (т.е. в пределах примерно одной десятой абсолютного таяние температура). Диффузионная ползучесть вызвана миграцией кристаллические дефекты через решетку кристалла, так что, когда кристалл подвергается большей степени сжатия в одном направлении по сравнению с другим, дефекты мигрируют к граням кристалла вдоль направления сжатия, вызывая чистый массоперенос, 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 точечные дефекты, например "чужеродные" частицы или вакансии. Фактически вакансии можно рассматривать как сами химические виды (или часть составных видов / компонентов), которые затем можно рассматривать с использованием гетерогенных фазовые равновесия. 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 по кристаллической структуре, 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 быть образованы новые связи,^[2] поэтому определенный энергия активации необходим. Таким образом, перемещение вакансии через кристалл становится легче, когда температура выше.

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

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

В котором J_Икс стоит за поток («поток») вакансий по направлению Икс; D_Икс это постоянный для материала в этом направлении и ${displaystyle {Delta C} / {Delta x}}$ - разница в концентрации вакансий в этом направлении. Закон действует для всех основных направлений в (Икс, у, z) -пространство, поэтому Икс в формуле можно обменять на у или же z. В результате они станут равномерно распределены по кристаллу, что приведет к максимальному энтропия смешивания.

Когда механическое напряжение наносится на кристалл, новые вакансии будут созданы на сторонах, перпендикулярных направлению самого нижнего основное напряжение. Вакансии начнут двигаться в направлении плоскостей кристалла, перпендикулярных максимальному напряжению.^[3] Текущая теория утверждает, что эластичный напряжение в окрестности дефекта меньше по направлению к оси наибольшего дифференциального сжатия, создавая химический дефект. потенциальный градиент (в зависимости от деформации решетки) внутри кристалла, что приводит к чистому накоплению дефектов на гранях максимального сжатия за счет диффузии. Поток вакансий подобен потоку частиц в обратном направлении. Это означает, что кристаллический материал может деформироваться под воздействием дифференциальное напряжение, потоком вакансий.

Высокоподвижные химические компоненты, замещающие другие частицы в решетке, также могут вызывать чистый дифференциальный массоперенос (т. Е. Сегрегацию) химических частиц внутри самого кристалла, часто способствуя укорочению реологически более сложное вещество и усиливающее деформацию.

Типы диффузионной ползучести

Диффузия вакансий через кристалл может происходить несколькими способами. Когда вакансии перемещаются через кристалл (в материаловедении часто называют «зерном»), это называется Набарро – Селедочный крап. Еще один способ перемещения вакансий - это границы зерен, механизм, называемый Ползучесть булыжника.

Когда кристалл деформируется из-за диффузионной ползучести, чтобы решить проблемы с пространством из-за одновременного зернограничное скольжение (движение цельного зерна по границам зерен) это называется гранулированный или сверхпластический поток.^[4] Диффузионная ползучесть также может происходить одновременно с раствор под давлением. Раствор под давлением - это, как и ползучесть по Coble, механизм, при котором материал движется по границам зерен. В то время как в Coble Creep частицы движутся за счет «сухой» диффузии, в растворе под давлением они движутся в решение.

Законы потока

Каждую пластическую деформацию материала можно описать формулой, в которой скорость деформации (${displaystyle {точка {epsilon}}}$) зависит от дифференциального напряжения (σ или же σ_D), размер зерна (d) и значение активации в виде Уравнение Аррениуса:^[5]

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

В котором А постоянная диффузии, Q энергия активации механизма, р то газовая постоянная и Т то абсолютная температура (в кельвины ). Показатели п и м - значения чувствительности потока к напряжению и размеру зерна соответственно. Ценности А, Q, п и м различны для каждого механизма деформации. Для диффузионной ползучести значение п обычно составляет около 1. Значение м может варьироваться от 2 (ползучесть набарро-сельди) до 3 (ползучесть булыжника). 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 некоторые структуры были идентифицированы как определенное доказательство. Материал, деформированный диффузионной ползучестью, может иметь приплюснутые зерна (зерна с так называемым предпочтительная форма ориентации или SPO). Равноразмерные зерна без предпочтительная ориентация решетки (или LPO) может 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)
• Распространение
• Ползучесть дислокации
• Материаловедение

Рекомендации

Литература

• Гауэр, Р.Дж.У. И Симпсон, К .; 1992: Подвижность фазовых границ в естественно деформированных высокосортных кварцево-полевошпатовых породах: свидетельство диффузионной ползучести, Журнал структурной геологии 14, п. 301-314.
• Пассье, К.У. и Троу, Р.А.Дж., 1998: Микротектоника, Спрингер, ISBN  3-540-58713-6
• Твисс, Р.Дж. И Мурс, Э.М., 2000 (6-е издание): Структурная геология, W.H. Фриман и компания, ISBN  0-7167-2252-6