Deformationsmekanism

En deformationsmekanism , inom geologi , är en process som sker i mikroskopisk skala som är ansvarig för förändringar i ett material inre struktur, form och volym. Processen involverar plan diskontinuitet och/eller förskjutning av atomer från deras ursprungliga position inom en kristallgitterstruktur . Dessa små förändringar finns bevarade i olika mikrostrukturer av material som stenar, metaller och plaster och kan studeras på djupet med optisk eller digital mikroskopi.

Processer

Sammanfattning av olika mekanismer process som sker under spröda och duktila förhållanden. Dessa mekanismer kan överlappa varandra i de spröd-duktila inställningarna.

Deformationsmekanismer karakteriseras vanligen som spröda , sega och spröda-duktila. Den ansvariga drivmekanismen är ett samspel mellan inre (t.ex. sammansättning, kornstorlek och gitterföredragen orientering) och externa (t.ex. temperatur och vätsketryck) faktorer. Dessa mekanismer producerar en rad mikrostrukturer som studeras i bergarter för att begränsa förhållanden, reologi , dynamik och rörelser av tektoniska händelser. Mer än en mekanism kan vara aktiv under en given uppsättning förhållanden och vissa mekanismer kan utvecklas oberoende. Detaljerad mikrostrukturanalys kan användas för att definiera villkoren och tidpunkten under vilka individuella deformationsmekanismer dominerar för vissa material. Vanliga processer för deformationsmekanismer inkluderar:

• Sprickbildning
• Kataklastiskt flöde
• Diffusiv massöverföring
• Glidning av korngräns
• Dislokationskrypning
• Dynamisk omkristallisering (återhämtning)

Sprickbildning

Huvudartikel: Frakturering

Korspolariserad bild av en hög koncentration av variabelt orienterade fogar i en granitisk sten från San Andreas Fault, Kalifornien. Ingen tydlig förskjutning längs sprickor.

Sprickbildning är en spröd deformationsprocess som skapar permanenta linjära brott, som inte åtföljs av förskjutning i material. Dessa linjära brott eller öppningar kan vara oberoende eller sammankopplade. För att sprickbildning ska uppstå sluthållfasthet överskridas till en punkt där materialet spricker . Sprickning underlättas av ansamlingar av hög differentialspänning (skillnaden mellan den maximala och minimala spänningen som verkar på föremålet). De flesta frakturer växer till förkastningar. Termen fel används dock endast när brottplanet rymmer en viss grad av rörelse. Sprickbildning kan ske över alla skalor, från mikrosprickor till makroskopiska sprickor och fogar i klipporna.

Kataklastiskt flöde

Huvudartikel: Finfördelning

Avrundade till underrundade korn inom mycket finkornig matris. Brottprocesser "slipar"/"rullar"/"glider" korn förbi varandra och skapar det rundade utseendet på de enskilda kornen.

Kataklas, eller finfördelning, är en icke-elastisk spröd mekanism som arbetar under låga till måttliga homologa temperaturer, lågt begränsande tryck och relativt höga töjningshastigheter. Det inträffar endast över en viss differentialspänningsnivå, som är beroende av vätsketryck och temperatur. Cataclasis hanterar brott och krossning av korn, vilket orsakar kornstorleksminskning, tillsammans med friktionsglidning på korngränser och styv kornrotation. Intensiv kataklas inträffar i tunna zoner längs glid- eller förkastningsytor där extrem kornstorleksminskning inträffar. I stenar bildar kataklas en sammanhängande och finkornig förkastningssten som kallas kataklasit . Kataklastiskt flöde uppstår under skjuvning när en bergart deformeras genom mikrosprickbildning och friktionsglidning där små sprickor (mikrosprickor) och tillhörande stenfragment rör sig förbi varandra. Kataklastiskt flöde inträffar vanligtvis vid diagenetiska till låggradiga metamorfa förhållanden. Detta beror dock på materialets mineralogi och omfattningen av porvätsketrycket . Kataklastiskt flöde är i allmänhet instabilt och kommer att avslutas genom lokalisering av deformation till glidning på förkastningsplan.

Korngräns glidande

Korngränsglidning är en plastisk deformationsmekanism där kristaller kan glida förbi varandra utan friktion och utan att skapa betydande tomrum som ett resultat av diffusion . Deformationsprocessen i samband med denna mekanism kallas granulärt flöde . Frånvaron av hålrum är ett resultat av diffusiv massöverföring i fast tillstånd, lokalt förstärkt kristallplastisk deformation eller lösning och utfällning av en korngränsvätska. Denna mekanism arbetar med en låg töjningshastighet som produceras av grannväxling. Korngränsens glidning är kornstorleks- och temperaturberoende. Det gynnas av höga temperaturer och närvaron av mycket finkorniga aggregat där diffusionsvägarna är relativt korta. Stora spänningar som verkar i denna mekanism resulterar inte i utvecklingen av en gitter föredragen orientering eller någon märkbar inre deformation av kornen, förutom vid korngränsen för att ta emot kornglidningen; denna process kallas superplastisk deformation.

Diffusiv massöverföring

I denna grupp av mekanismer ryms stammen av migrering av vakanser i kristallografiskt gitter . Detta resulterar i en förändring i kristallformen som involverar överföring av massa genom diffusion . Dessa migrationer är orienterade mot platser med maximal stress och begränsas av korngränserna; som konditionerar ett tyg eller en stam av kristallografisk form. Resultatet är en mer perfekt kristall. Denna process är kornstorlekskänslig och sker vid låga töjningshastigheter eller mycket höga temperaturer, och tas emot av migrering av gallerdefekter från områden med låg till de med hög tryckspänning. De huvudsakliga mekanismerna för diffusiv massöverföring är Nabarro-Sill-krypning , Coble-krypning och trycklösning .

Nabarro–strömmingskrypning, eller volymdiffusion , verkar vid höga homologa temperaturer och är kornstorleksberoende med töjningshastigheten omvänt proportionell mot kvadraten på kornstorleken (kryphastigheten minskar när kornstorleken ökar) . Under Nabarro-Sillkrypning sker diffusionen av vakanser genom kristallgittret (mikrotektonik), vilket gör att kornen förlängs längs spänningsaxeln. Nabarro-Sillkrypning har ett svagt stressberoende.

Coble creep, eller korngränsdiffusion, är diffusionen av vakanser som sker längs korngränserna för att förlänga kornen längs spänningsaxeln. Coble-krypning har ett starkare kornstorleksberoende än Nabarro–sillkrypning, och sker vid lägre temperaturer medan det förblir temperaturberoende. Den spelar en viktigare roll än Nabarro–sillkrypningen och är viktigare vid deformationen av plastskorpan .

I denna grupp av mekanismer ryms stammen genom migrering av vakanser i kristallografiskt gitter. Detta resulterar i en förändring i kristallformen som involverar överföring av massa genom diffusion. Dessa migrationer är orienterade mot platser med maximal stress och begränsas av korngränserna; som konditionerar ett tyg eller en stam av kristallografisk form. Resultatet är en mer perfekt kristall.

Dislokationskrypning

Dislokationskrypning är en icke-linjär (plastisk) deformationsmekanism där vakanser i kristallen glider och klättrar förbi obstruktionsställen inom kristallgittret. Dessa migrationer inom kristallgittret kan ske i en eller flera riktningar och utlöses av effekterna av ökad differentialspänning . Det sker vid lägre temperaturer i förhållande till diffusionskrypning . Den mekaniska processen som presenteras i dislokationskrypning kallas glidning. Den huvudsakliga riktningen i vilken dislokation äger rum definieras av en kombination av glidplan och svaga kristallografiska orienteringar till följd av vakanser och ofullkomligheter i atomstrukturen. Varje dislokation gör att en del av kristallen förskjuts med en gitterpunkt längs glidplanet, i förhållande till resten av kristallen. Varje kristallint material har olika avstånd mellan atomer eller joner i kristallgittret, vilket resulterar i olika längder av förskjutning. Vektorn som kännetecknar förskjutningens längd och orientering kallas Burgers-vektorn . Utvecklingen av stark gitterföredragen orientering kan tolkas som bevis för dislokationskrypning eftersom dislokationer endast rör sig i specifika gitterplan.

Dislokationsglid kan inte agera på egen hand för att producera stora spänningar på grund av effekterna av töjningshärdning, där en dislokations "trassel" kan hämma rörelsen av andra dislokationer, som sedan staplas upp bakom de blockerade och gör att kristallen blir svår att deformera . Diffusion och dislokationskrypning kan ske samtidigt. Den effektiva viskositeten för ett stressat material under givna förhållanden av temperatur, tryck och töjningshastighet kommer att bestämmas av den mekanism som ger den minsta viskositeten. Någon form av återhämtningsprocess, såsom dislokationsklättring eller korngränsmigrering måste också vara aktiv. En glidning av dislokationen resulterar i ett mer stabilt tillstånd för kristallen när den redan existerande defekten avlägsnas. Det kräver mycket lägre differentialspänning än vad som krävs för sprödbrott. Denna mekanism skadar inte mineralet eller minskar den inre styrkan hos kristaller.

Dynamisk omkristallisering

Huvudartikel: Dynamisk omkristallisering

Dynamisk omkristallisering är processen att ta bort den inre spänningen som finns kvar i kornen under deformation. Detta sker genom omorganisation av ett material med en förändring i kornstorlek, form och orientering inom samma mineral. När omkristallisering sker efter att deformationen har upphört och särskilt vid höga temperaturer, kallas processen statisk omkristallisation eller glödgning . Dynamisk omkristallisation resulterar i kornstorleksminskning och statisk omkristallisation resulterar i bildandet av större ekvanta korn.

Dynamisk omkristallisation kan ske under ett brett spektrum av metamorfa förhållanden och kan starkt påverka det deformerande materialets mekaniska egenskaper. Dynamisk omkristallisation är resultatet av två slutelementprocesser: (1) Bildandet och rotationen av subkorn (rotationsrekristallisation) och (2) korngränsmigrering (migreringsrekristallisation).

1. Rotationsrekristallisering (underkornsrotation) är den progressiva felorienteringen av ett underkorn när fler dislokationer rör sig in i dislokationsväggen (en zon av dislokationer som är ett resultat av klättring, tvärglidning och glidning), vilket ökar den kristallografiska missanpassningen över gränsen. Så småningom blir felorienteringen över gränsen tillräckligt stor för att känna igen enskilda korn (vanligtvis 10–15° felorientering). Korn tenderar att vara långsträckta eller bandformade, med många underkorn, med en karakteristisk gradvis övergång från lågvinklade underkorn till högvinklade gränser.
2. Migration omkristallisation (korn-gräns migration) är de processer genom vilka ett spannmål växer på bekostnad av grannkornen. Vid låga temperaturer kan korngränsens rörlighet vara lokal, och korngränsen kan bukta ut i ett angränsande korn med hög dislokationsdensitet och bilda nya, mindre, oberoende kristaller genom en process som kallas lågtemperatur-korngränsmigrering, eller utbuktning omkristallisation. De utbuktningar som produceras kan separera från den ursprungliga kornen för att bilda nya korn genom bildandet av underkornsgränser (lågvinklar), som kan utvecklas till korngränser, eller genom migrering av korngränsen. Utbuktande omkristallisering sker ofta längs gränserna för gamla korn vid trippelkorsningar. Vid höga temperaturer har det växande säden en lägre dislokationstäthet än kornen/kornen som förbrukas, och korngränsen sveper genom grannkornen för att avlägsna dislokationer genom högtemperatur korn-gränsmigreringskristallisation. Korngränserna är flikiga med en varierande kornstorlek, med nya korn generellt större än befintliga underkorn. Vid mycket höga temperaturer är korn mycket flikiga eller ameboida, men kan vara nästan stamfria.

Karta över deformationsmekanismer

Prov deformationsmekanismkarta för ett hypotetiskt material. Här finns tre huvudområden: plasticitet, kraftlagskrypning och diffusionsflöde.

En deformationsmekanismkarta är ett sätt att representera den dominerande deformationsmekanismen i ett material laddat under en given uppsättning förhållanden. Tekniken är tillämpbar på alla kristallina material, metallurgiska såväl som geologiska. Dessutom har arbete bedrivits med användning av deformationskartor till nanostrukturerade eller mycket finkorniga material. Kartor över deformationsmekanismer består vanligtvis av någon slags spänning plottad mot någon slags temperaturaxel, typiskt spänning normaliserad med användning av skjuvmodulen kontra homolog temperatur med konturer av töjningshastigheten. Den normaliserade skjuvspänningen plottas på en log-skala. Medan diagram av normaliserad skjuvspänning mot homolog temperatur är vanligast, inkluderar andra former av kartor av deformationsmekanismer skjuvtöjningshastighet vs. normaliserad skjuvspänning och skjuvtöjningshastighet vs. homolog temperatur. Sålunda kan deformationskartor konstrueras med hjälp av vilka två som helst av spänning (normaliserad), temperatur (normaliserad) och töjningshastighet, med konturer av den tredje variabeln. En spännings-/töjningshastighetsplot är användbar eftersom kraftlagsmekanismer då har konturer av temperatur som är raka linjer.

För en given uppsättning driftsförhållanden utförs beräkningar och experiment utförs för att bestämma den dominerande mekanismen som är verksam för ett givet material. Konstitutiva ekvationer för typen av mekanism har tagits fram för varje deformationsmekanism och används vid konstruktionen av kartorna. Materialets teoretiska skjuvhållfasthet är oberoende av temperatur och ligger längst upp på kartan, med regimerna för plastiska deformationsmekanismer under den. Konturer med konstant töjningshastighet kan konstrueras på kartorna med hjälp av de konstitutiva ekvationerna för deformationsmekanismerna, vilket gör kartorna extremt användbara.

Processkartor

Samma teknik har använts för att konstruera processkartor för sintring, diffusionsbindning, varm isostatisk pressning och fördjupning.

Konstruktion

Upprepade experiment utförs för att karakterisera mekanismen genom vilken materialet deformeras. Den dominerande mekanismen är den som dominerar den kontinuerliga deformationshastigheten (töjningshastigheten), men vid varje given nivå av spänning och temperatur kan mer än en av krypnings- och plasticitetsmekanismerna vara aktiva. Gränserna mellan fälten bestäms från de konstitutiva ekvationerna för deformationsmekanismerna genom att lösa för spänning som en funktion av temperaturen. Längs dessa gränser är deformationshastigheterna för de två angränsande mekanismerna lika. Programmeringskoden som används för många av de publicerade kartorna är öppen källkod och ett arkiv över dess utveckling finns online. Många forskare har också skrivit sina egna koder för att göra dessa kartor.

Huvudområdena i en typisk deformationsmekanismkarta och deras konstitutiva ekvationer visas i följande underavsnitt.

Plasticitetsregion

Plasticitetsområdet är överst på deformationskartan (vid de högsta normaliserade spänningarna) och ligger under gränsen som sätts av den ideala styrkan. I denna region involverar töjningshastigheten en exponentiell term. Denna ekvation visas nedan, där $\sigma _{s}$ är den applicerade skjuvspänningen, $\mu$ är skjuvmodulen , $\Delta E$ är energibarriären för dislokationsglid är k Boltzmann-konstanten och ${\widehat {\tau }}$ är den "atermiska flödesstyrkan" som är en funktion av hindren för dislokationsglid.

${\dot {\gamma }}\propto ({\frac {\sigma _{s} }{\mu }})^{2}\exp[-{\frac {\Delta E}{kT}}(1-{\frac {\sigma _{s}}{\widehat {\tau }}} )]$

Power Law krypregion

I denna region är den dominerande deformationsmekanismen kraftlagskrypning, så att töjningshastigheten går när spänningen höjs till en spänningsexponent n. Denna region domineras av dislokationskrypning . Värdet av denna spänningsexponent är beroende av materialet och mikrostrukturen. Om deformation sker genom glidning, n =1-8, och för korngränsglidning n =2 eller 4.

Den allmänna ekvationen för kraftlagskrypning är som följer, där $A_{2}$ är en dimensionslös konstant som relaterar skjuvtöjningshastighet och spänning, μ är skjuvmodulen , b är Burgers vektor , k är Boltzmann-konstanten , T är temperaturen, n är spänningsexponenten, $\sigma _{s}$ är den applicerade skjuvspänningen och $D_{eff}$ är den effektiva diffusionskonstanten.

${\dot {\gamma }}={\frac {A_{2}D_{eff}\mu b}{kT} }({\frac {\sigma _{s}}{\mu }})^{n}$

Inom kraftlagskrypområdet finns det två undersektioner som motsvarar lågtemperaturkraftlagskrypning som domineras av kärnstyrd dislokationsrörelse och högtemperaturkraftlagskrypning som styrs av diffusion i gittret. Låg temperatur kärndiffusion, ibland kallad rördiffusion, uppstår eftersom dislokationer snabbare kan diffundera genom den rörliknande kärnan av en dislokation. Den effektiva diffusionskoefficienten i töjningshastighetsekvationen beror på om systemet domineras av kärndiffusion eller gitterdiffusion eller inte och kan generaliseras enligt följande där $D_{v}$ är den volumetriska gitterdiffusionskonstanten, $a_{c}$ är arean som motsvarar dislokationskärnan, $D_{c}$ är diffusionskoefficienten för kärnan och b är Burgers vektor .

$D_{eff}=D_{v}+10({\frac {\sigma _{s}}{\mu }})^{2}{\frac {a_{c}D_{c}}{b^{2}}}$

I högtemperaturområdet är den effektiva diffusionskonstanten helt enkelt den volumetriska gitterdiffusionskonstanten, medan diffusionskonstanten vid låga temperaturer ges av uttrycket $10({\ frac {\sigma _{s}}{\mu }})^{2}{\frac {a_{c}D_{c}}{b^{2}}}$ . Sålunda i krypområdet för högtemperaturkraftlag, går töjningshastigheten som ${\displaystyle ({\frac {\sigma _{s}}{\mu }})^{n}} ,$ och i lågtemperatureffektlagens krypregion töjningshastigheten går som $({\frac {\sigma _{s}}{\mu }})^{n+2}$ .

Diffusionsflödesområde

Diffusionsflöde är en regim som vanligtvis ligger under dislokationskrypning och inträffar vid höga temperaturer på grund av diffusion av punktdefekter i materialet. Diffusionsflöde kan delas upp ytterligare i mer specifika mekanismer: Nabarro–strömmingskrypning , Coblekrypning och Harper–Dornkrypning.

Medan de flesta material kommer att uppvisa Nabarro-Sill-krypning och Coble-krypning, är Harper-Dorn-krypning ganska sällsynt, eftersom den endast har rapporterats i ett fåtal utvalda material vid låga spänningar inklusive aluminium , bly och tenn .

Ekvationen för Nabarro-Sill-krypning domineras av vakansdiffusion inom gittret, medan Coble-krypning domineras av vakansdiffusion inom korngränserna. Ekvationen för dessa mekanismer visas nedan där $\sigma _{s}$ är den applicerade skjuvspänningen, Ω är atomvolymen, k är Boltzmann-konstanten, d är kornstorleken, T är temperaturen, och $D_{eff}$ är den effektiva diffusionskoefficienten.

${\dot {\gamma }}=\alpha ''{\frac {D_{eff}}{d^{2}}}{\ frac {\Omega \sigma }{kT}}$

Den effektiva diffusionskoefficienten, $D_{eff}$ = $D_{v}$ (den volymetriska diffusionskonstanten) för Nabarro-sillkrypning som dominerar vid höga temperaturer, och ${\displaystyle D_{eff}={\frac {\pi \delta }{d}}D_{b}} ($ där $\delta$ är korngränsens bredd och ${ \displaystyle D_{b}}$ är diffusionskoefficienten i gränsen) för Coble creep som dominerar vid låga temperaturer.

Av dessa ekvationer blir det tydligt att gränsen mellan gränsdiffusion och gitterdiffusion är starkt beroende av kornstorlek. För system med större korn kommer Nabarro-Sill-gitterdiffusionsområdet för deformationsmekanismkartan att vara större än i kartor med mycket små korn. Dessutom, ju större kornen är, desto mindre diffusionskrypning och därmed kraftlagskrypområdet på kartan kommer att vara större för material med stor kornighet. Grain boundary engineering är således en effektiv strategi för att manipulera kryphastigheter.

Läsning

För en given spänningsprofil och temperatur ligger punkten i ett speciellt "deformationsfält". Om värdena placerar punkten nära mitten av ett fält, är det troligt att den primära mekanismen genom vilken materialet kommer att gå sönder, dvs: typen och graden av förväntat fel, korngränsdiffusion, plasticitet, Nabarro–sillkrypning, etc. Om emellertid spännings- och temperaturförhållandena placerar punkten nära gränsen mellan två deformationsmekanismområden är den dominerande mekanismen mindre tydlig. Nära gränsen för regimerna kan det finnas en kombination av deformationsmekanismer som inträffar samtidigt. Kartor över deformationsmekanismer är bara så exakta som antalet experiment och beräkningar som gjorts i deras skapelse.

För en given spänning och temperatur ges töjningshastigheten och deformationsmekanismen för ett material av en punkt på kartan. Genom att jämföra kartor över olika material, kristallstrukturer, bindningar, kornstorlekar etc. kan studier av dessa materialegenskaper på plastiskt flöde genomföras och en mer fullständig förståelse av deformation i material erhålls.

Exempel

Ovanför materialets teoretiska skjuvhållfasthet kan en typ av defektfritt flöde fortfarande uppstå, som skär materialet. Dislokationsrörelse genom glidning (valfri temperatur) eller dislokationskrypning (vid höga temperaturer) är en typisk mekanism som finns vid höga spänningar i deformationskartor.