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 . Se vuelve especialmente relevante a altas temperaturas homólogas (es decir, dentro de aproximadamente una décima parte de su temperatura de fusión absoluta ). La fluencia por 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 una transferencia neta de masa 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 neto de masa en la dirección opuesta.
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 como especies químicas en sí mismas (o parte de una especie/componente compuesto) que luego pueden tratarse utilizando equilibrios de fase heterogéneos . La cantidad de vacantes también puede verse influenciada por la cantidad de impurezas químicas en la red cristalina, si dichas impurezas requieren la formación de vacantes para existir 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 una cierta energía de activación . El movimiento de una vacante a través de un cristal se vuelve, por lo tanto, más fácil cuando la temperatura es más alta.
El estado más estable será cuando todas las vacantes estén distribuidas uniformemente en el cristal. Este principio se desprende de la ley de Fick :
En donde J x representa el flujo ("flujo") de vacantes en la dirección x ; D x es una constante para el material en esa dirección y es 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 nuevas vacantes 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 de defecto (dependiendo de la deformación reticular) dentro del cristal que conduce a la acumulación neta de defectos en las 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 neta de masa diferencial (es decir, segregación) de especies químicas dentro del propio cristal, lo que a menudo promueve el acortamiento de la sustancia reológicamente más difícil y mejora la deformación.
La difusión de las vacantes a través de un cristal puede ocurrir de varias maneras. Cuando las vacantes se mueven a través del cristal (en las ciencias de los materiales, a menudo se lo llama "grano"), esto se llama deslizamiento de Nabarro-Herring . Otra forma en la que las vacantes pueden moverse es a lo largo de los límites de grano , un mecanismo llamado deslizamiento de Coble .
Cuando un cristal se deforma por fluencia por difusión para adaptarse a los problemas de espacio derivados del deslizamiento simultáneo de los límites de grano (el movimiento de granos enteros a lo largo de los límites de grano), se denomina flujo granular o superplástico . [4] La fluencia por difusión también puede ser simultánea con la solución a presión . La solución a presión es, como la fluencia de Coble, un mecanismo en el que el material se mueve a lo largo de los límites de grano. Mientras que en la fluencia de Coble las partículas se mueven por difusión "seca", en la solución a presión se mueven en solución .
Cada deformación plástica de un material puede describirse mediante una fórmula en la que la velocidad de deformación ( ) depende de la tensión diferencial ( σ o σ D ), del tamaño de grano ( d ) y de un valor de activación en forma de ecuación de Arrhenius : [5]
En la que A es la constante de difusión, Q la energía de activación del mecanismo, R la constante de los gases y T la temperatura absoluta (en kelvin ). Los exponentes n y m son valores de la sensibilidad del flujo a la tensión y al 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 rondar el 1. El valor de m puede variar entre 2 (fluencia de Nabarro-Herring) y 3 (fluencia de Coble). Esto significa que la fluencia de Coble es más sensible al tamaño de grano de un material: los materiales con granos más grandes pueden deformarse menos fácilmente por fluencia de Coble que los materiales con granos pequeños.
Es difícil encontrar evidencia clara a microescala de fluencia por difusión en un material cristalino, ya que se han identificado pocas estructuras como prueba definitiva. Un material que se deformó por fluencia por difusión puede tener granos aplanados (granos con una denominada orientación de forma preferida o SPO). Los granos equidimensionales sin orientación reticular preferida (o LPO) pueden ser una indicación de flujo superplástico. [6] En materiales que se deformaron a 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. Un tamaño de grano mayor puede ser una señal de que la fluencia por difusión fue más efectiva en un material cristalino.
