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地質学や材料科学において、変形機構とは、材料の内部構造、形状、体積の変化を引き起こす、微視的なスケールで起こるプロセスのことである。[1][2] このプロセスには、結晶格子構造内の原子の平面的な不連続性や元の位置からの変位が伴う。[ 1 ] [ 3 ]これらの小さな変化は、岩石、金属、プラスチックなどの材料のさまざまな微細構造に保存されており、光学顕微鏡やデジタル顕微鏡を使用して詳細に研究することができる。[ 1 ]
変形機構は一般的に脆性、延性、脆性延性に分類されます。その駆動機構は、内部要因（組成、粒径、格子優先配向など）と外部要因（温度、流体圧力など）の相互作用によって生じます。[ 1 ] [ 2 ]これらの機構は、岩石中のさまざまな微細構造を生成し、地殻変動の条件、レオロジー、ダイナミクス、および運動を制約するために研究されています。[ 4 ]特定の条件下では複数の機構が同時に作用する可能性があり、一部の機構は独立して発達する可能性があります。詳細な微細構造解析は、特定の材料において個々の変形機構が支配的となる条件とタイミングを定義するために使用できます。一般的な変形機構プロセスには、次のものがあります。
§ 破砕§ カタクラスト流§ 粒界すべり§ 拡散物質移動§ 転位クリープ§ 動的再結晶（回復）
破壊は、材料内部の変位を伴わない永久的な線状の破断を生み出す脆性変形プロセスです。[ 1 ] [ 3 ]これらの線状の破断または開口部は、独立している場合もあれば、相互に連結している場合もあります。[ 1 ] [ 2 ] 破壊が発生するには、材料の極限強度を超えて材料が破断する点に達する必要があります。[ 2 ]破断は、高い差応力（物体に作用する最大応力と最小応力の差）の蓄積によって促進されます。 [ 2 ] [ 3 ]ほとんどの破断は断層に成長します。[ 2 ]ただし、断層という用語は、破断面がある程度の動きを許容する場合にのみ使用されます。[ 2 ]破壊は、微小な破断から岩石の巨視的な破断や節理まで、あらゆるスケールで発生する可能性があります。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]
カタクラシス、または粉砕は、低～中程度の同族温度、低い拘束圧力、および比較的高いひずみ速度の下で作用する非弾性脆性メカニズムです。 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]これは、流体圧力[ 5 ]と温度[ 6 ]に依存する特定の差応力レベルを超えた場合にのみ発生します。カタクラシスは、粒子の破壊と粉砕を伴い、粒径の減少を引き起こし、粒界での摩擦滑りと剛体粒子の回転を伴います。[ 2 ] [ 5 ] [ 7 ]激しいカタクラシスは、極端な粒径の減少が発生する滑り面または断層面に沿った薄いゾーンで発生します。 [ 1 ]岩石では、カタクラシスは、カタクラサイトと呼ばれる凝集性のある細粒の断層岩を形成します。カタクラスト流は、岩石が微小破壊と摩擦滑りによって変形し、微小な亀裂（マイクロクラック）とそれに伴う岩石の破片が互いにすれ違うせん断中に発生します。[ 2 ] [ 7 ]カタクラスト流は通常、続成作用から低度変成作用の条件下で発生します。ただし、これは物質の鉱物組成と間隙流体圧の程度に依存します。[ 2 ]カタクラスト流は一般的に不安定であり、断層面上の滑りへの変形の局所化によって終了します。[ 1 ] [ 2 ]
粒界すべりは、結晶が摩擦なく互いにすべり、拡散の結果として大きな空隙を生じない塑性変形機構である。[ 2 ]この機構に関連する変形プロセスは、粒状流と呼ばれる。[ 8 ]空隙がないのは、固体拡散物質移動、局所的に強化された結晶塑性変形、または粒界流体の溶解と析出によるものである。[ 1 ]この機構は、隣接結晶の交換によって生じる低いひずみ速度で動作する。粒界すべりは、粒径と温度に依存する。高温と、拡散経路が比較的短い非常に微細な結晶粒集合体の存在によって促進される。この機構で作用する大きなひずみは、結晶粒すべりを収容するための粒界を除いて、格子優先配向や結晶粒の顕著な内部変形を生じさせない。このプロセスは、超塑性変形と呼ばれる。
この機構群では、結晶格子内の空孔の移動によって歪みが緩和される。[ 2 ]これにより、拡散による物質移動を伴う結晶形状の変化が生じる。これらの移動は最大応力の部位に向かっており、結晶粒界によって制限される。これにより、結晶形状の構造または歪みが規定される。結果として、より完全な結晶が得られる。[ 2 ]このプロセスは粒径に敏感であり、低歪み速度または非常に高い温度で発生し、低圧縮応力領域から高圧縮応力領域への格子欠陥の移動によって緩和される。拡散による物質移動の主な機構は、ナバロ・ヘリングクリープ、コブルクリープ、および圧力溶解である。
ナバロ・ヘリングクリープ、または体積拡散は、高い同族温度で発生し、粒径に依存し、ひずみ速度は粒径の二乗に反比例します（粒径が大きくなるにつれてクリープ速度は低下します）。ナバロ・ヘリングクリープ中、空孔の拡散が結晶格子（微細構造）を通して発生し、応力軸に沿って結晶粒が伸長します。ナバロ・ヘリングクリープは、応力依存性が弱いのが特徴です。
コブルクリープ、または粒界拡散とは、粒界に沿って空孔が拡散し、応力軸に沿って結晶粒が伸長する現象である。コブルクリープは、ナバロ・ヘリングクリープよりも粒径依存性が強く、低温で発生するが、温度依存性は依然として存在する。ナバロ・ヘリングクリープよりも重要な役割を果たし、塑性地殻の変形においてより重要な役割を担う。
転位クリープは、結晶中の空孔が結晶格子内の障害物を乗り越えて滑り上がる非線形（塑性）変形機構です。 [ 1 ]結晶格子内のこれらの移動は、1 つ以上の方向に起こり、差応力の増加の影響によって引き起こされます。[ 1 ] [ 2 ]拡散クリープに比べて低温で発生します。[ 2 ]転位クリープで現れる機械的プロセスはすべりと呼ばれます。転位が発生する主な方向は、すべり面と、原子構造の空孔や欠陥に起因する弱い結晶学的方位の組み合わせによって定義されます。[ 2 ]各転位は、結晶の残りの部分に対して、すべり面に沿って結晶の一部を 1 格子点分移動させます。各結晶材料は、結晶格子内の原子またはイオン間の距離が異なるため、変位の長さが異なります。変位の長さと方向を特徴付けるベクトルは、バーガースベクトルと呼ばれます。強い格子優先配向の発達は、転位が特定の格子面内でのみ移動するため、転位クリープの証拠として解釈できる。[ 1 ] [ 2 ]
転位すべりは、ひずみ硬化の影響により、それ自体では大きなひずみを生み出すことはできません。ひずみ硬化では、転位の「絡み合い」が他の転位の移動を阻害し、阻害された転位の後ろに転位が積み重なり、結晶が変形しにくくなります。拡散と転位クリープは同時に発生する可能性があります。温度、圧力、ひずみ速度の特定の条件下での応力のかかった材料の実効粘度は、最小の粘度をもたらすメカニズムによって決定されます。[ 9 ]転位上昇や粒界移動などの何らかの回復プロセスもアクティブである必要があります。転位の滑りは、既存の欠陥が除去されるため、結晶にとってより安定した状態をもたらします。これは、脆性破壊に必要な差応力よりもはるかに低い差応力で済みます。このメカニズムは、鉱物を損傷したり、結晶の内部強度を低下させたりしません。[ 2 ]
動的再結晶は、変形中に結晶粒内に残る内部ひずみを除去するプロセスです。[ 2 ]これは、同じ鉱物内で結晶粒のサイズ、形状、および配向が変化する材料の再編成によって起こります。変形が終了した後、特に高温で再結晶が起こる場合、そのプロセスは静的再結晶またはアニーリングと呼ばれます。[ 2 ]動的再結晶は結晶粒サイズの縮小をもたらし、静的再結晶はより大きな等軸結晶粒の形成をもたらします。[ 2 ]
動的再結晶は、幅広い変成条件下で発生し、変形する材料の機械的特性に大きな影響を与える可能性があります。動的再結晶は、(1)亜結晶粒の形成と回転（回転再結晶）と(2)粒界移動（移動再結晶）という2つの極端なプロセスによって生じます。
変形機構マップは、特定の条件下で負荷された材料における支配的な変形機構を表す方法です。この手法は、冶金材料および地質材料を含むすべての結晶性材料に適用できます。さらに、変形マップをナノ構造材料または非常に微細な粒状材料に使用することについても研究が行われています。[ 10 ] [ 11 ]変形機構マップは通常、何らかの応力を何らかの温度軸に対してプロットしたもので構成され、典型的にはせん断弾性率を使用して正規化された応力を同族温度に対してプロットし、ひずみ速度の等高線を描きます。 [ 12 ] [ 13 ]正規化されたせん断応力は対数スケールでプロットされます。正規化されたせん断応力対同族温度のプロットが最も一般的ですが、変形機構マップの他の形式には、せん断ひずみ速度対正規化されたせん断応力、およびせん断ひずみ速度対同族温度が含まれます。したがって、変形マップは、応力（正規化）、温度（正規化）、およびひずみ速度の任意の2つを使用して構築でき、3番目の変数の等高線を描きます。応力／ひずみ速度のグラフは、べき乗則機構の場合、温度の等高線が直線になるため有用である。
特定の運転条件に対して、計算と実験を行い、特定の材料に作用する主要なメカニズムを決定します。各変形メカニズムについて、そのメカニズムの種類に応じた構成方程式が開発され、マップの作成に使用されます。材料の理論的なせん断強度は温度に依存せず、マップの上部に位置し、塑性変形メカニズムの領域はその下にあります。変形メカニズムの構成方程式を使用して、マップ上に一定ひずみ速度の等高線を作成できるため、マップは非常に有用です。[ 14 ]
同じ手法は、焼結、拡散接合、熱間等方圧プレス、圧痕のプロセス マップの作成にも使用されています。 [ 15 ]
材料が変形するメカニズムを特徴づけるために、繰り返し実験が行われます。支配的なメカニズムは、連続変形速度（ひずみ速度）を支配するものですが、任意の応力と温度レベルでは、クリープと塑性メカニズムのうち複数がアクティブになる可能性があります。フィールド間の境界は、温度の関数として応力を解くことにより、変形メカニズムの構成方程式から決定されます。[ 14 ]これらの境界に沿って、隣接する 2 つのメカニズムの変形速度は等しくなります。公開されているマップの多くに使用されているプログラミング コードはオープンソースです[ 16 ] 、その開発のアーカイブはオンラインで入手できます。[ 15 ]多くの研究者も、これらのマップを作成するために独自のコードを書いています。
典型的な変形メカニズムマップにおける主要な領域とその構成方程式を、以下のサブセクションで示します。
塑性領域は変形マップの上部（正規化応力が最も高い位置）にあり、理想強度によって設定される境界より下に位置します。この領域では、ひずみ速度に指数関数項が含まれます。この式は以下に示されており、は印加されたせん断応力であり、はせん断弾性率です。は転位すべりのエネルギー障壁、kはボルツマン定数、これは「非熱流動強度」であり、転位すべりの障害物の関数である。[ 17 ]
この領域では、変形機構はべき乗則クリープが支配的であり、ひずみ速度は応力の指数n 乗に比例します。この領域は転位クリープが支配的です。この応力指数の値は、材料と微細構造に依存します。すべりによる変形の場合、n = 1～8、粒界すべりの場合はn = 2 または 4 です。[ 18 ]
べき乗則クリープの一般式は次のとおりである。[ 17 ]ここではせん断ひずみ速度と応力を関連付ける無次元定数、μはせん断弾性率、bはバーガースベクトル、kはボルツマン定数、Tは温度、nは応力指数、は印加されたせん断応力であり、は有効拡散定数である。
べき乗則クリープ領域内には、コア制御転位運動が支配的な低温べき乗則クリープと、格子拡散が支配的な高温べき乗則クリープに対応する2つのサブセクションが存在する。低温コア拡散（パイプ拡散とも呼ばれる）は、転位がパイプ状の転位コアをより速く拡散できるため発生する。[ 19 ]ひずみ速度方程式における有効拡散係数は、システムがコア拡散または格子拡散のどちらに支配されているかによって異なり、次のように一般化できる。 [ 17 ]ここで は体積格子拡散定数であり、は転位核に対応する領域であり、はコアの拡散係数であり、bはバーガースベクトルである。
高温領域では、有効拡散定数は単純に体積格子拡散定数であり、低温では拡散定数は次の式で与えられる。したがって、高温のべき乗則クリープ領域では、ひずみ速度は次のように表されます。低温べき乗則クリープ領域では、ひずみ速度は次のように変化する。。
拡散流は、一般的に転位クリープよりも低い温度域で発生し、材料中の点欠陥の拡散によって高温で起こります。拡散流は、さらにナバロ・ヘリングクリープ、コブルクリープ、ハーパー・ドーンクリープといったより具体的なメカニズムに細分化できます。 [ 14 ]
ほとんどの材料はナバロ・ヘリングクリープとコブルクリープを示すが、ハーパー・ドーンクリープは非常にまれで、[ 20 ] [ 21 ]アルミニウム、鉛、スズなどのごく一部の材料で低応力下でのみ報告されている。[ 22 ]
ナバロ・ヘリングクリープの式は格子内の空孔拡散が支配的であるのに対し、コブルクリープは粒界内の空孔拡散が支配的である。これらのメカニズムの式は以下に示すとおりである。 は印加せん断応力、Ωは原子体積、kはボルツマン定数、dは粒径、Tは温度、は有効拡散係数である。[ 17 ]
有効拡散係数、=（体積拡散定数）高温で支配的なナバロ・ヘリングクリープ、（どこは粒界幅であり、は、低温で支配的なコブルクリープの境界における拡散係数です。
これらの式から、粒界拡散と格子拡散の境界は粒径に大きく依存することが明らかになる。粒径が大きい系では、変形機構マップのナバロ・ヘリング格子拡散領域は、粒径が非常に小さい系よりも大きくなる。さらに、粒径が大きいほど拡散クリープは少なくなり、したがって、粒径の大きい材料ではマップのべき乗則クリープ領域が大きくなる。したがって、粒界エンジニアリングはクリープ速度を制御するための効果的な戦略となる。
特定の応力プロファイルと温度において、その点は特定の「変形場」に位置します。値がその点を変形場の中心付近に置く場合、材料が破壊する主なメカニズム、すなわち予想される破壊の種類と速度、粒界拡散、塑性、ナバロ・ヘリングクリープなどが考えられます。しかし、応力と温度条件が2つの変形メカニズム領域の境界付近にある場合、支配的なメカニズムは明確ではありません。領域の境界付近では、複数の変形メカニズムが同時に発生する可能性があります。変形メカニズムマップの精度は、その作成に使用された実験と計算の数に依存します。
与えられた応力と温度において、材料のひずみ速度と変形機構は、マップ上の点によって表されます。様々な材料のマップ、結晶構造、結合、粒径などを比較することで、塑性流動におけるこれらの材料特性の研究が可能となり、材料の変形に関するより包括的な理解が得られます。
材料の理論的なせん断強度を超えても、欠陥のない流れが発生し、材料がせん断されることがある。転位のすべり（あらゆる温度）または転位クリープ（高温時）による移動は、変形マップにおいて高応力下で見られる典型的なメカニズムである。
ポリマー溶融物は、せん断応力または引張応力を受けると、異なる変形機構を示す。たとえば、光などの刺激によってポリマー鎖が結合切断によって断片化されると、ポリマー溶融物の延性は増加する。このプロセスは鎖切断として知られている。[ 23 ]ポリマー溶融物の低温領域（T < Tg）では、クレイジングまたはせん断バンドが発生する可能性がある。前者の機構は亀裂形成に似ているが、この変形機構は実際には多孔質領域または空隙によって分離されたフィブリルの形成を伴う。後者の機構（せん断バンド）は、塑性変形の局所領域の形成を伴い、これは通常、ポリマー溶融物の最大せん断点の位置付近で発生する。クレイジングとせん断バンドは、ガラス状ポリマーで観察される変形機構である。
結晶性ポリマーの場合、変形機構は、ナイロンなどの結晶性ポリマーの応力-ひずみ曲線によって最もよく説明されます。応力-ひずみ挙動は、4つの特徴的な領域を示します。最初の領域は線形弾性領域であり、応力-ひずみ挙動は塑性変形のない弾性です。2番目の領域の特徴的な変形機構は降伏であり、双晶などの現象の形で塑性変形が発生する可能性があります。3番目の領域はネックの形成を示し、4番目の領域は粘性流動による応力の急激な増加として特徴付けられます。さらに、4番目の領域は、ポリマー主鎖がコイル状または折り畳まれた状態から整列および伸長し、最終的に破断に至ることに対応します。[ 24 ] [ 25 ]
![{\displaystyle {\dot {\gamma }}\propto ({\frac {\sigma _{s}}{\mu }})^{2}\exp[-{\frac {\Delta E}{kT}}(1-{\frac {\sigma _{s}}{\widehat {\tau }}})]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7ef5b529fb779f943ac76209a06e2f68acd62484)
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