La fluencia por difusión se refiere a la deformación de sólidos cristalinos por la difusión de vacantes a través de su red cristalina . [1] La fluencia por difusión da como resultado una deformación plástica en lugar de una falla frágil del material.
La fluencia por difusión es más sensible a la temperatura que otros mecanismos de deformación . Por lo general, tiene lugar a altas temperaturas homólogas (es decir, dentro de aproximadamente una décima parte de su temperatura de fusión absoluta ). La fluencia de difusión es causada por la migración de defectos cristalinos a través de la red de un cristal de tal manera que cuando un cristal se somete a un mayor grado de compresión en una dirección con respecto a otra, los defectos migran a las caras del cristal a lo largo de la dirección de compresión, causando transferencia de masa neta que acorta el cristal en la dirección de máxima compresión. La migración de defectos se debe en parte a las vacantes, cuya migración es igual a un transporte masivo neto en la dirección opuesta.
Principio
Los materiales cristalinos nunca son perfectos a microescala. Algunos sitios de átomos en la red cristalina pueden estar ocupados por defectos puntuales , como partículas "extrañas" o vacantes. En realidad, las vacantes pueden considerarse especies químicas en sí mismas (o parte de una especie / componente compuesto) que luego pueden tratarse utilizando equilibrios de fase heterogéneos . El número de vacantes también puede verse influenciado por el número de impurezas químicas en la red cristalina, si tales impurezas requieren la formación de vacantes para que existan en la red.
Una vacante puede moverse a través de la estructura cristalina cuando la partícula vecina "salta" en la vacante, de modo que la vacante se mueve en efecto un sitio en la red cristalina. Los enlaces químicos deben romperse y deben formarse nuevos enlaces durante el proceso, [2] por lo tanto, se necesita cierta energía de activación . Por lo tanto, mover una vacante a través de un cristal se vuelve más fácil cuando la temperatura es más alta.
El estado más estable será cuando todas las vacantes se distribuyan uniformemente a través del cristal. Este principio se deriva de la ley de Fick :
En el que J x representa el flujo ("flujo") de vacantes en la dirección x ; D x es una constante para el material en esa dirección yes la diferencia en la concentración de vacantes en esa dirección. La ley es válida para todas las direcciones principales en el espacio ( x , y , z ), por lo que la x en la fórmula se puede intercambiar por y o z . El resultado será que se distribuirán uniformemente sobre el cristal, lo que dará como resultado la entropía de mezcla más alta .
Cuando se aplica una tensión mecánica al cristal, se crearán nuevos huecos en los lados perpendiculares a la dirección de la tensión principal más baja . Las vacantes comenzarán a moverse en la dirección de los planos cristalinos perpendiculares a la tensión máxima. [3] La teoría actual sostiene que la deformación elástica en la vecindad de un defecto es menor hacia el eje de mayor compresión diferencial, creando un gradiente de potencial químico del defecto (dependiendo de la deformación reticular) dentro del cristal que conduce a la acumulación neta de defectos en el caras de máxima compresión por difusión. Un flujo de vacantes es lo mismo que un flujo de partículas en la dirección opuesta. Esto significa que un material cristalino puede deformarse bajo una tensión diferencial , por el flujo de vacantes.
Los componentes químicos altamente móviles que sustituyen a otras especies en la red también pueden causar una transferencia de masa diferencial neta (es decir, segregación) de especies químicas dentro del cristal mismo, lo que a menudo promueve el acortamiento de la sustancia reológicamente más difícil y mejora la deformación.
Tipos de fluencia de difusión
La difusión de las vacantes a través de un cristal puede ocurrir de varias formas. Cuando las vacantes se mueven a través del cristal (en las ciencias de los materiales a menudo se denomina "grano"), esto se denomina arrastre Nabarro-Herring . Otra forma en que las vacantes pueden moverse es a lo largo de los límites de grano , un mecanismo llamado Coble creep .
Cuando un cristal se deforma por fluencia por difusión para adaptarse a problemas de espacio debido al deslizamiento simultáneo de los límites de los granos (el movimiento de los granos enteros a lo largo de los límites de los granos), esto se denomina flujo granular o superplástico . [4] La fluencia por difusión también puede ser simultánea con la solución a presión . La solución de presión es, como Coble creep, un mecanismo en el que el material se mueve a lo largo de los límites de los granos. Mientras que en Coble creep las partículas se mueven por difusión "seca", en solución a presión se mueven en solución .
Leyes de flujo
Cada deformación plástica de un material se puede describir mediante una fórmula en la que la tasa de deformación () depende de la tensión diferencial ( σ o σ D ), el tamaño de grano ( d ) y un valor de activación en forma de ecuación de Arrhenius : [5]
Donde A es la constante de difusión, Q la energía de activación del mecanismo, R la constante del gas y T la temperatura absoluta (en kelvin ). Los exponentes n y m son valores para la sensibilidad del flujo a la tensión y tamaño de grano respectivamente. Los valores de A , Q , n y m son diferentes para cada mecanismo de deformación. Para la fluencia por difusión, el valor de n suele ser de alrededor de 1. El valor de m puede variar entre 2 (fluencia de Nabarro-Herring) y 3 (fluencia de Coble). Eso significa que Coble creep es más sensible al tamaño de grano de un material: los materiales con granos más grandes pueden deformarse con menos facilidad por Coble creep que los materiales con granos pequeños.
Rastros de fluencia de difusión
Es difícil encontrar evidencia clara a microescala de fluencia por difusión en un material cristalino, ya que pocas estructuras han sido identificadas como prueba definitiva. Un material que se deformó por fluencia por difusión puede tener granos aplanados (granos con la denominada orientación de forma preferida o SPO). Los granos equidimensionales sin orientación de celosía preferida (o LPO) pueden ser una indicación de flujo superplástico. [6] En materiales que se deformaron bajo temperaturas muy altas, los límites de grano lobulados pueden tomarse como evidencia de fluencia por difusión. [7]
La fluencia por difusión es un mecanismo por el cual el volumen de los cristales puede aumentar. Los tamaños de grano más grandes pueden ser una señal de que la fluencia por difusión fue más efectiva en un material cristalino.
Ver también
- Fluencia (deformación)
- Deformación (ingeniería)
- Difusión
- Fluencia de dislocación
- Ciencias de los materiales
Referencias
- ^ Passchier y Trouw 1998; pag. 257
- ^ Twiss y Moores 2000, p. 391
- ^ Twiss y Moores 2000; pag. 390-391
- ^ Twiss y Moores 2000, p. 394
- ^ Passchier y Trouw 1998; pag. 54
- ^ Passchier y Trouw 1998; pag. 42
- ^ Gower y Simpson 1992
Literatura
- Gower, RJW y Simpson, C .; 1992: Movilidad de los límites de fase en rocas cuarzofeldespáticas de alto grado naturalmente deformadas: evidencia de fluencia por difusión , Journal of Structural Geology 14 , p. 301-314.
- Passchier, CW & Trouw, RAJ, 1998: Microtectonics , Springer, ISBN 3-540-58713-6
- Twiss, RJ & Moores, EM, 2000 (6a edición): Structural Geology , WH Freeman & co, ISBN 0-7167-2252-6