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Mecanismo de deformación

En geología y ciencia de los materiales , un mecanismo de deformación es un proceso que ocurre a escala microscópica y que es responsable de la deformación : cambios en la estructura interna, la forma y el volumen de un material. [1] [2] El proceso implica una discontinuidad plana y/o el desplazamiento de átomos de su posición original dentro de una estructura reticular cristalina . [1] [3] Estos pequeños cambios se conservan en varias microestructuras de materiales como rocas, metales y plásticos, y se pueden estudiar en profundidad utilizando microscopía óptica o digital. [1]

Procesos

Resumen de los diversos mecanismos que se producen en condiciones frágiles y dúctiles. Estos mecanismos pueden superponerse en condiciones frágiles y dúctiles.

Los mecanismos de deformación se caracterizan comúnmente como frágiles , dúctiles y frágiles-dúctiles. El mecanismo impulsor responsable es una interacción entre factores internos (por ejemplo, composición, tamaño de grano y orientación reticular preferida) y externos (por ejemplo, temperatura y presión del fluido). [1] [2] Estos mecanismos producen una gama de microestructuras estudiadas en rocas para restringir las condiciones, la reología , la dinámica y los movimientos de los eventos tectónicos . [4] Más de un mecanismo puede estar activo bajo un conjunto dado de condiciones y algunos mecanismos pueden desarrollarse de forma independiente. El análisis detallado de la microestructura se puede utilizar para definir las condiciones y el tiempo bajo los cuales los mecanismos de deformación individuales dominan para algunos materiales. Los procesos de mecanismos de deformación comunes incluyen:

§ Fracturamiento
§ Flujo cataclástico
§ Deslizamiento de límites de grano
§ Transferencia de masa difusiva
§ Deslizamiento por dislocación
§ Recristalización dinámica (recuperación)

Fracturación

Imagen polarizada cruzada de una alta concentración de diaclasas de orientación variable dentro de una roca granítica de la falla de San Andrés, California. No se observan desplazamientos evidentes a lo largo de las fracturas.

La fracturación es un proceso de deformación frágil que crea roturas lineales permanentes, que no están acompañadas de desplazamiento dentro de los materiales. [1] [3] Estas roturas o aberturas lineales pueden ser independientes o interconectadas. [1] [2] Para que se produzca la fractura, es necesario superar la resistencia última de los materiales hasta un punto en el que el material se rompa . [2] La ruptura se ve facilitada por la acumulación de alta tensión diferencial (la diferencia entre la tensión máxima y mínima que actúa sobre el objeto). [2] [3] La mayoría de las fracturas se convierten en fallas. [2] Sin embargo, el término falla solo se utiliza cuando el plano de fractura admite cierto grado de movimiento. [2] La fractura puede ocurrir en todas las escalas, desde microfracturas hasta fracturas macroscópicas y juntas en las rocas. [1] [2] [3]

Flujo cataclástico

Granos redondeados a subredondeados dentro de una matriz de grano muy fino. Los procesos de fractura "muelen"/"ruedan"/"deslizan" los granos unos sobre otros creando la apariencia redondeada de los granos individuales.

La cataclasis , o conminución, es un mecanismo frágil no elástico que opera bajo temperaturas homólogas bajas a moderadas , baja presión de confinamiento y tasas de deformación relativamente altas. [1] [2] [3] Ocurre solo por encima de un cierto nivel de estrés diferencial, que depende de la presión del fluido [5] y la temperatura. [6] La cataclasis acomoda la fractura y el aplastamiento de los granos, causando una reducción del tamaño del grano, junto con el deslizamiento por fricción en los límites de grano y la rotación del grano del cuerpo rígido. [2] [5] [7] La ​​cataclasis intensa ocurre en zonas delgadas a lo largo de superficies de deslizamiento o falla donde ocurre una reducción extrema del tamaño del grano. [1] En las rocas, la cataclasis forma una roca de falla cohesiva y de grano fino llamada cataclasita . El flujo cataclástico ocurre durante el cizallamiento cuando una roca se deforma por microfractura y deslizamiento por fricción donde pequeñas fracturas (microfisuras) y fragmentos de roca asociados se mueven uno sobre el otro. [2] [7] El flujo cataclástico generalmente ocurre en condiciones diagenéticas a metamórficas de bajo grado . Sin embargo, esto depende de la mineralogía del material y del grado de presión del fluido intersticial . [2] El flujo cataclástico es generalmente inestable y terminará con la localización de la deformación en el deslizamiento sobre los planos de falla. [1] [2]

Deslizamiento del límite de grano

El deslizamiento de los límites de grano es un mecanismo de deformación plástica en el que los cristales pueden deslizarse unos sobre otros sin fricción y sin crear huecos significativos como resultado de la difusión . [2] El proceso de deformación asociado con este mecanismo se conoce como flujo granular . [8] La ausencia de huecos resulta de la transferencia de masa difusiva en estado sólido, la deformación plástica de los cristales localmente mejorada o la solución y precipitación de un fluido de límite de grano. [1] Este mecanismo opera a una baja tasa de deformación producida por el cambio de vecinos. El deslizamiento de los límites de grano depende del tamaño del grano y de la temperatura. Se ve favorecido por altas temperaturas y la presencia de agregados de grano muy fino donde los caminos de difusión son relativamente cortos. Las grandes deformaciones que operan en este mecanismo no dan como resultado el desarrollo de una orientación reticular preferida ni ninguna deformación interna apreciable de los granos, excepto en el límite de grano para acomodar el deslizamiento del grano; este proceso se llama deformación superplástica .

Transferencia de masa difusiva

En este grupo de mecanismos, la deformación se acomoda por la migración de vacantes en la red cristalográfica . [2] Esto da como resultado un cambio en la forma del cristal que implica la transferencia de masa por difusión . Estas migraciones están orientadas hacia sitios de máxima tensión y están limitadas por los límites de grano; lo que condiciona una estructura de forma cristalográfica o deformación. El resultado es un cristal más perfecto. [2] Este proceso es sensible al tamaño de grano y ocurre a bajas tasas de deformación o temperaturas muy altas, y se acomoda por la migración de defectos de la red desde áreas de baja a aquellas de alta tensión de compresión. Los principales mecanismos de transferencia de masa difusiva son la fluencia de Nabarro-Herring , la fluencia de Coble y la solución de presión .

La fluencia de Nabarro-Herring, o difusión de volumen , actúa a altas temperaturas homólogas y depende del tamaño del grano, siendo la tasa de deformación inversamente proporcional al cuadrado del tamaño del grano (la tasa de fluencia disminuye a medida que aumenta el tamaño del grano). Durante la fluencia de Nabarro-Herring, la difusión de vacantes se produce a través de la red cristalina (microtectónica), lo que hace que los granos se alarguen a lo largo del eje de tensión. La fluencia de Nabarro-Herring tiene una dependencia débil de la tensión.

La fluencia de Coble, o difusión en los límites de grano, es la difusión de vacantes que se produce a lo largo de los límites de grano para alargar los granos a lo largo del eje de tensión. La fluencia de Coble tiene una mayor dependencia del tamaño de grano que la fluencia de Nabarro-Herring y se produce a temperaturas más bajas, aunque sigue siendo dependiente de la temperatura. Desempeña un papel más importante que la fluencia de Nabarro-Herring y es más importante en la deformación de la costra plástica .

Desplazamiento progresivo

El deslizamiento por dislocación es un mecanismo de deformación no lineal (plástico) en el que las vacantes en el cristal se deslizan y trepan pasando los sitios de obstrucción dentro de la red cristalina. [1] Estas migraciones dentro de la red cristalina pueden ocurrir en una o más direcciones y son provocadas por los efectos del aumento de la tensión diferencial . [1] [2] Ocurre a temperaturas más bajas en relación con el deslizamiento por difusión . [2] El proceso mecánico presentado en el deslizamiento por dislocación se llama deslizamiento. La dirección principal en la que tiene lugar la dislocación se define por una combinación de planos de deslizamiento y orientaciones cristalográficas débiles resultantes de vacantes e imperfecciones en la estructura atómica. [2] Cada dislocación hace que una parte del cristal se desplace un punto de la red a lo largo del plano de deslizamiento, en relación con el resto del cristal. Cada material cristalino tiene diferentes distancias entre átomos o iones en la red cristalina, lo que resulta en diferentes longitudes de desplazamiento. El vector que caracteriza la longitud y la orientación del desplazamiento se llama vector de Burgers . El desarrollo de una fuerte orientación reticular preferida puede interpretarse como evidencia de un deslizamiento de dislocaciones, ya que estas se mueven solo en planos reticulares específicos. [1] [2]

El deslizamiento por dislocación no puede actuar por sí solo para producir grandes deformaciones debido a los efectos del endurecimiento por deformación, donde una "maraña" de dislocaciones puede inhibir el movimiento de otras dislocaciones, que luego se acumulan detrás de las bloqueadas, lo que hace que el cristal se vuelva difícil de deformar. La difusión y el deslizamiento por dislocación pueden ocurrir simultáneamente. La viscosidad efectiva de un material estresado en determinadas condiciones de temperatura, presión y velocidad de deformación estará determinada por el mecanismo que proporcione la viscosidad más pequeña. [9] También debe estar activo algún tipo de proceso de recuperación, como el ascenso de la dislocación o la migración del límite de grano. El deslizamiento de la dislocación da como resultado un estado más estable para el cristal a medida que se elimina la imperfección preexistente. Requiere una tensión diferencial mucho menor que la necesaria para la fractura frágil. Este mecanismo no daña el mineral ni reduce la resistencia interna de los cristales. [2]

Recristalización dinámica

La recristalización dinámica es el proceso de eliminación de la tensión interna que permanece en los granos durante la deformación. [2] Esto sucede mediante la reorganización de un material con un cambio en el tamaño, la forma y la orientación del grano dentro del mismo mineral. Cuando la recristalización ocurre después de que la deformación ha llegado a su fin y particularmente a altas temperaturas, el proceso se llama recristalización estática o recocido . [2] La recristalización dinámica da como resultado la reducción del tamaño del grano y la recristalización estática da como resultado la formación de granos equidimensionales más grandes. [2]

La recristalización dinámica puede ocurrir en una amplia gama de condiciones metamórficas y puede influir fuertemente en las propiedades mecánicas del material deformado. La recristalización dinámica es el resultado de dos procesos de miembros finales: (1) la formación y rotación de subgranos (recristalización por rotación) y (2) la migración de los límites de grano (recristalización por migración).

  1. La recristalización por rotación (rotación de subgranos) es la desorientación progresiva de un subgrano a medida que más dislocaciones se desplazan hacia la pared de dislocaciones (una zona de dislocaciones resultante del ascenso, el deslizamiento transversal y el deslizamiento), lo que aumenta el desajuste cristalográfico a lo largo del límite. Finalmente, la desorientación a lo largo del límite es lo suficientemente grande como para reconocer granos individuales (normalmente una desorientación de 10 a 15°). Los granos tienden a ser alargados o en forma de cinta, con muchos subgranos, con una transición gradual característica desde subgranos de ángulo bajo a límites de ángulo alto.
  2. La recristalización por migración (migración de los límites de grano) es el proceso por el cual un grano crece a expensas de los granos vecinos. A bajas temperaturas, la movilidad del límite de grano puede ser local, y el límite de grano puede abultarse en un grano vecino con una alta densidad de dislocaciones y formar nuevos cristales independientes más pequeños mediante un proceso llamado migración de límites de grano a baja temperatura o recristalización abultada. Las protuberancias producidas pueden separarse del grano original para formar nuevos granos mediante la formación de límites de subgranos (de ángulo bajo), que pueden evolucionar hacia límites de grano, o mediante la migración del límite de grano. La recristalización abultada a menudo ocurre a lo largo de los límites de granos viejos en las uniones triples. A altas temperaturas, el grano en crecimiento tiene una densidad de dislocaciones menor que el grano o los granos consumidos, y el límite de grano barre a través de los granos vecinos para eliminar las dislocaciones mediante la cristalización por migración de límites de grano a alta temperatura. Los límites de grano son lobulados con un tamaño de grano variable, y los granos nuevos generalmente son más grandes que los subgranos existentes. A temperaturas muy altas, los granos son muy lobulados o ameboides, pero pueden estar casi libres de cepas.

Mapa del mecanismo de deformación

Ejemplo de mapa del mecanismo de deformación de un material hipotético. En él se distinguen tres regiones principales: plasticidad, fluencia por ley de potencia y flujo difusional.

Un mapa de mecanismo de deformación es una forma de representar el mecanismo de deformación dominante en un material cargado bajo un conjunto dado de condiciones. La técnica es aplicable a todos los materiales cristalinos, tanto metalúrgicos como geológicos. Además, se ha trabajado en relación con el uso de mapas de deformación para materiales nanoestructurados o de grano muy fino. [10] [11] Los mapas de mecanismo de deformación suelen consistir en algún tipo de tensión graficada contra algún tipo de eje de temperatura, típicamente tensión normalizada utilizando el módulo de corte versus temperatura homóloga con contornos de velocidad de deformación. [12] [13] La tensión de corte normalizada se grafica en una escala logarítmica. Si bien los gráficos de tensión de corte normalizada versus temperatura homóloga son los más comunes, otras formas de mapas de mecanismo de deformación incluyen velocidad de deformación de corte versus tensión de corte normalizada y velocidad de deformación de corte versus temperatura homóloga. Por lo tanto, los mapas de deformación se pueden construir utilizando dos variables cualesquiera de tensión (normalizada), temperatura (normalizada) y velocidad de deformación, con contornos de la tercera variable. Un gráfico de tasa de tensión/deformación es útil porque los mecanismos de ley de potencia tienen contornos de temperatura que son líneas rectas.

Para un conjunto dado de condiciones de operación, se realizan cálculos y experimentos para determinar el mecanismo predominante operativo para un material dado. Se han desarrollado ecuaciones constitutivas para el tipo de mecanismo para cada mecanismo de deformación y se utilizan en la construcción de los mapas. La resistencia al corte teórica del material es independiente de la temperatura y se ubica a lo largo de la parte superior del mapa, con los regímenes de mecanismos de deformación plástica debajo de ella. Se pueden construir contornos de velocidad de deformación constante en los mapas utilizando las ecuaciones constitutivas de los mecanismos de deformación, lo que hace que los mapas sean extremadamente útiles. [14]

Mapas de procesos

La misma técnica se ha utilizado para construir mapas de procesos para sinterización, unión por difusión, prensado isostático en caliente e indentación. [15]

Construcción

Se realizan experimentos repetidos para caracterizar el mecanismo por el cual se deforma el material. El mecanismo dominante es el que domina la tasa de deformación continua (tasa de deformación), sin embargo, en cualquier nivel dado de tensión y temperatura, más de uno de los mecanismos de fluencia y plasticidad pueden estar activos. Los límites entre los campos se determinan a partir de las ecuaciones constitutivas de los mecanismos de deformación resolviendo la tensión en función de la temperatura. [14] A lo largo de estos límites, las tasas de deformación para los dos mecanismos vecinos son iguales. El código de programación utilizado para muchos de los mapas publicados es de código abierto [16] y un archivo de su desarrollo está en línea. [15] Muchos investigadores también han escrito sus propios códigos para hacer estos mapas.

Las principales regiones en un mapa de mecanismo de deformación típico y sus ecuaciones constitutivas se muestran en las siguientes subsecciones.

Región de plasticidad

La región de plasticidad se encuentra en la parte superior del mapa de deformación (en las tensiones normalizadas más altas) y está por debajo del límite establecido por la resistencia ideal. En esta región, la tasa de deformación implica un término exponencial. Esta ecuación se muestra a continuación, donde es la tensión de corte aplicada, es el módulo de corte , es la barrera de energía para el deslizamiento de la dislocación, k es la constante de Boltzmann y es la "resistencia al flujo atérmico", que es una función de los obstáculos para el deslizamiento de la dislocación. [17]

Región de fluencia de ley de potencia

En esta región, el mecanismo de deformación dominante es la fluencia por ley de potencia, de modo que la tasa de deformación aumenta a medida que la tensión se eleva a un exponente de tensión n. Esta región está dominada por la fluencia por dislocación . El valor de este exponente de tensión depende del material y de la microestructura. Si la deformación se produce por deslizamiento, n = 1-8, y para el deslizamiento del límite de grano n = 2 o 4. [18]

La ecuación general para la fluencia por ley de potencia es la siguiente, [17] donde es una constante adimensional que relaciona la velocidad de deformación cortante y la tensión, μ es el módulo de corte , b es el vector de Burger , k es la constante de Boltzmann , T es la temperatura, n es el exponente de tensión, es la tensión cortante aplicada y es la constante de difusión efectiva.

Dentro de la región de fluencia de ley de potencia, hay dos subsecciones correspondientes a la fluencia de ley de potencia de baja temperatura que está dominada por el movimiento de dislocación controlado por el núcleo y la fluencia de ley de potencia de alta temperatura que está controlada por la difusión en la red. La difusión del núcleo de baja temperatura, a veces llamada difusión de tubería, ocurre porque las dislocaciones pueden difundirse más rápidamente a través del núcleo en forma de tubería de una dislocación. [19] El coeficiente de difusión efectivo en la ecuación de velocidad de deformación depende de si el sistema está dominado o no por la difusión del núcleo o la difusión de red y se puede generalizar de la siguiente manera [17] donde es la constante de difusión de red volumétrica, es el área correspondiente al núcleo de la dislocación, es el coeficiente de difusión para el núcleo y b es el vector de Burger .

En la región de alta temperatura, la constante de difusión efectiva es simplemente la constante de difusión reticular volumétrica, mientras que a bajas temperaturas la constante de difusión está dada por la expresión . Por lo tanto, en la región de fluencia de ley de potencia de alta temperatura, la tasa de deformación es como , y en la región de fluencia de ley de potencia de baja temperatura la tasa de deformación es como .

Región de flujo difusivo

El flujo difusional es un régimen que se da típicamente por debajo del flujo por dislocación y que se produce a altas temperaturas debido a la difusión de defectos puntuales en el material. El flujo difusional se puede dividir en mecanismos más específicos: flujo de Nabarro-Herring , flujo de Coble y flujo de Harper-Dorn. [14]

Si bien la mayoría de los materiales exhibirán fluencia Nabarro-Herring y fluencia Coble, la fluencia Harper-Dorn es bastante rara, [20] [21] habiéndose informado solo en unos pocos materiales seleccionados a tensiones bajas, incluidos aluminio , plomo y estaño . [22]

La ecuación para la fluencia de Nabarro-Herring está dominada por la difusión de vacantes dentro de la red, mientras que la fluencia de Coble está dominada por la difusión de vacantes dentro de los límites de grano. La ecuación para estos mecanismos se muestra a continuación, donde es la tensión de corte aplicada, Ω es el volumen atómico, k es la constante de Boltzmann, d es el tamaño del grano, T es la temperatura y es el coeficiente de difusión efectivo. [17]

El coeficiente de difusión efectivo, = (la constante de difusión volumétrica) para la fluencia de Nabarro-Herring que domina a altas temperaturas, y (donde es el ancho del límite de grano y es el coeficiente de difusión en el límite) para la fluencia de Coble que domina a bajas temperaturas.

A partir de estas ecuaciones, se hace evidente que el límite entre la difusión límite y la difusión reticular depende en gran medida del tamaño del grano. Para sistemas con granos más grandes, la región de difusión reticular de Nabarro-Herring del mapa del mecanismo de deformación será mayor que en mapas con granos muy pequeños. Además, cuanto más grandes sean los granos, menor será la fluencia difusional y, por lo tanto, la región de fluencia de ley de potencia del mapa será mayor para materiales de grano grande. Por lo tanto, la ingeniería de límites de grano es una estrategia eficaz para manipular las tasas de fluencia.

Lectura

Para un perfil de tensión y una temperatura determinados, el punto se encuentra en un "campo de deformación" particular. Si los valores sitúan el punto cerca del centro de un campo, es probable que se indique el mecanismo principal por el que fallará el material, es decir: el tipo y la tasa de falla esperada, la difusión en el límite de grano, la plasticidad, la fluencia de Nabarro-Herring, etc. Sin embargo, si las condiciones de tensión y temperatura sitúan el punto cerca del límite entre dos regiones de mecanismo de deformación, entonces el mecanismo dominante es menos claro. Cerca del límite de los regímenes puede haber una combinación de mecanismos de deformación que se producen simultáneamente. Los mapas de mecanismos de deformación son tan precisos como el número de experimentos y cálculos realizados para su creación.

Para una tensión y una temperatura dadas, la velocidad de deformación y el mecanismo de deformación de un material se indican mediante un punto en el mapa. Al comparar mapas de diversos materiales, estructuras cristalinas, enlaces, tamaños de grano, etc., se pueden realizar estudios de las propiedades de estos materiales en cuanto al flujo plástico y se obtiene una comprensión más completa de la deformación en los materiales.

Ejemplos

Por encima de la resistencia teórica al corte del material, todavía puede producirse un tipo de flujo sin defectos que corte el material. El movimiento de dislocación por deslizamiento (a cualquier temperatura) o deslizamiento por dislocación (a altas temperaturas) es un mecanismo típico que se encuentra en los mapas de deformación con tensiones elevadas.

Mecanismos de deformación en polímeros

Los polímeros fundidos presentan diferentes mecanismos de deformación cuando se someten a tensiones de cizallamiento o tracción. Por ejemplo, la ductilidad de un polímero fundido puede aumentar cuando un estímulo, como la luz, provoca la fragmentación de las cadenas de polímero mediante la ruptura de enlaces. Este proceso se conoce como escisión de la cadena. [23] En el régimen de baja temperatura de un polímero fundido (T < Tg), puede producirse agrietamiento o formación de bandas de cizallamiento. El primer mecanismo se asemeja a la formación de grietas, pero este mecanismo de deformación en realidad implica la formación de fibrillas separadas por dominios porosos o huecos. El segundo mecanismo (formación de bandas de cizallamiento) implica la formación de regiones localizadas de deformación plástica, que normalmente surgen cerca de la posición del punto de cizallamiento máximo en un polímero fundido. Es importante señalar que el agrietamiento y la formación de bandas de cizallamiento son mecanismos de deformación observados en polímeros vítreos.

En el caso de los polímeros cristalinos, el mecanismo de deformación se describe mejor mediante una curva de tensión-deformación para un polímero cristalino, como el nailon. El comportamiento de tensión-deformación presenta cuatro regiones características. La primera región es el régimen elástico-lineal, donde el comportamiento de tensión-deformación es elástico sin deformación plástica. El mecanismo de deformación característico en la segunda región es la fluencia, donde la deformación plástica puede ocurrir en fenómenos de forma como el maclado. La tercera región muestra la formación de un cuello, y la cuarta región se caracteriza por un aumento pronunciado de la tensión debido al flujo viscoso. Además, la región cuatro corresponde a la alineación y elongación de la estructura principal del polímero desde su estado enrollado o plegado, lo que eventualmente conduce a la fractura. [24] [25]

Enlaces externos

Referencias

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