Диффузионная ползучесть относится к деформации кристаллических твердых тел путем диффузии 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 . Она становится особенно актуальной при высоких гомологических температурах (т. е. в пределах примерно одной десятой от ее абсолютной температуры плавления ). Диффузионная ползучесть вызвана миграцией кристаллических дефектов через решетку кристалла таким образом, что когда кристалл подвергается большей степени сжатия в одном направлении по сравнению с другим, дефекты мигрируют к граням кристалла вдоль направления сжатия, вызывая чистый перенос массы, который укорачивает кристалл в направлении максимального сжатия. Миграция дефектов частично обусловлена вакансиями, миграция которых равна чистому переносу массы в противоположном направлении.
Кристаллические материалы никогда не бывают идеальными в микромасштабе. Некоторые места атомов в кристаллической решетке могут быть заняты точечными дефектами , такими как «чужеродные» частицы или вакансии. Вакансии на самом деле можно рассматривать как сами химические виды (или часть составного вида/компонента), которые затем можно обрабатывать с использованием гетерогенных фазовых равновесий . На количество вакансий может также 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 перемещается фактически на один участок кристаллической решетки. Химические связи должны быть разорваны, и новые связи должны быть образованы в ходе этого процесса, [2] поэтому необходима определенная энергия активации . Перемещение вакансии через кристалл становится, таким образом, легче, когда температура выше.
Наиболее устойчивое состояние будет, когда все вакансии равномерно распределены по кристаллу. Этот принцип следует из закона Фика :
Где J x обозначает поток ("течение") вакансий в направлении x ; D x является константой для материала в этом направлении и представляет собой разницу 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 . Результатом будет то, что они станут равномерно распределены по кристаллу, что приведет к наивысшей энтропии смешивания .
Когда к кристаллу прикладывается механическое напряжение , на сторонах, перпендикулярных направлению наименьшего главного напряжения , будут созданы новые вакансии . Вакансии начнут двигаться в направлении кристаллических плоскостей, перпендикулярном максимальному напряжению. [3] Современная теория утверждает, что упругая деформация в окрестности дефекта меньше по направлению к оси наибольшего дифференциального сжатия, создавая градиент химического потенциала дефекта (зависящий от деформации решетки) внутри кристалла, что приводит к чистому накоплению дефектов на гранях максимального сжатия за счет диффузии. Поток вакансий аналогичен потоку частиц в противоположном направлении. Это означает, что кристаллический материал может деформироваться под действием дифференциального напряжения потоком вакансий.
Высокоподвижные химические компоненты, замещающие другие виды в решетке, также могут вызывать чистый дифференциальный массоперенос (т.е. сегрегацию) химических видов внутри самого кристалла, часто способствуя укорочению реологически более сложного вещества и усилению деформации.
Диффузия вакансий через кристалл может происходить несколькими способами. Когда вакансии перемещаются через кристалл (в материаловедении часто называемый «зерном»), это называется ползучестью Набарро–Херринга . Другой способ, которым могут перемещаться вакансии, — вдоль границ зерен , механизм, называемый ползучестью Кобла .
Когда кристалл деформируется диффузионной ползучестью, чтобы приспособиться к пространственным проблемам от одновременного скольжения границ зерен (движение целых зерен вдоль границ зерен), это называется зернистым или сверхпластичным течением . [4] Диффузионная ползучесть также может быть одновременной с растворением под давлением . Растворение под давлением, как и ползучесть Кобла, является механизмом, в котором материал движется вдоль границ зерен. В то время как при ползучести Кобла частицы движутся путем «сухой» диффузии, в растворении под давлением они движутся в растворе .
Каждая пластическая деформация материала может быть описана формулой, в которой скорость деформации ( ) зависит от дифференциального напряжения ( σ или σ D ), размера зерна ( d ) и значения активации в форме уравнения Аррениуса : [5]
Где A — константа диффузии, Q — энергия активации механизма, R — газовая постоянная , а T — абсолютная температура (в градусах Кельвина ). Показатели степени n и m — 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 Набарро-Херринга) до 3 (ползучесть Кобла). Это означает, что ползучесть Кобла более чувствительна к размеру зерна материала: материалы с более крупными зернами могут деформироваться менее легко при ползучести Кобла, чем материалы с мелкими зернами.
Трудно найти четкие микромасштабные доказательства диффузионной ползучести в кристаллическом материале, поскольку лишь немногие структуры были идентифицированы как определенное доказательство. Материал, который был деформирован диффузионной ползучестью, может иметь сплющенные зерна (зерна с так называемой ориентацией, предпочтительной по форме, или SPO). Равноразмерные зерна без ориентации, предпочтительной по решетке (или LPO), могут быть признаком сверхпластического течения. [6] В материалах, которые были деформированы при очень высоких температурах, дольчатые границы зерен могут быть приняты в качестве доказательства диффузионной ползучести. [7]
Диффузионная ползучесть — это механизм, посредством которого объем кристаллов может увеличиваться. Более крупные размеры зерен могут быть признаком того, что диффузионная ползучесть была более эффективной в кристаллическом материале.
