拡散クリープ

拡散クリープとは、結晶格子を通じた空孔の拡散による結晶固体の変形を指します。^[1]拡散クリープは、材料の 脆性破壊ではなく塑性変形を引き起こします。

拡散クリープは、他の変形メカニズムよりも温度の影響を受けやすい。特に、高い相同温度（絶対融点の約 10 分の 1 以内）で顕著になる。拡散クリープは、結晶格子を介した結晶欠陥の移動によって引き起こされる。結晶が他の方向に比べて一方向に大きな圧縮を受けると、欠陥は圧縮方向に沿って結晶面に移動し、最大圧縮の方向に結晶を短くする正味の質量移動を引き起こす。欠陥の移動は、部分的には空孔によるもので、その移動は反対方向への正味の質量輸送に等しい。

結晶材料は、ミクロスケールでは決して完璧ではありません。結晶格子内の原子の一部は、点欠陥、たとえば「異質」粒子や空孔によって占められることがあります。空孔は実際には化学種そのもの（または化合物種/成分の一部）と考えられ、その後、不均一相平衡を使用して処理できます。空孔の数は、結晶格子内の化学不純物の数によっても影響を受ける可能性があります（そのような不純物が格子内に存在するために空孔の形成を必要とする場合）。

空孔は、隣接する粒子が空孔に「ジャンプ」すると結晶構造内を移動することができ、その結果、空孔は結晶格子内の1つのサイトを移動することになります。このプロセス中に化学結合を切断し、新しい結合を形成する必要があるため、^[2]一定の活性化エネルギーが必要です。したがって、温度が高い ほど、結晶内の空孔の移動が容易になります。

最も安定した状態は、すべての空孔が結晶全体に均等に広がっているときです。この原理はフィックの法則から導かれます。

${\displaystyle J_{x}=-D_{x}{\frac {\Delta C}{\Delta x}}}$

ここで、J _{x は}方向xの空孔のフラックス（「流れ」）を表します。D _{x は}、その方向の材料の定数であり、その方向の空孔の濃度の差です。 この法則は、 ( x、y、z ) 空間のすべての主方向に有効であるため、式のx はyまたはzに置き換えることができます。 その結果、それらは結晶全体に均等に分散され、最高の混合エントロピーが得られます。 ${\displaystyle {\デルタ C}/{\デルタ x}}$

結晶に機械的応力が加わると、最も低い主応力の方向と垂直な側面に新しい空孔が生成されます。空孔は、最大応力と垂直な結晶面の方向に動き始めます。^[3]現在の理論では、欠陥付近の弾性 歪みは最大差圧縮の軸に向かって小さくなり、結晶内に欠陥の化学ポテンシャル勾配（格子歪みに依存）が生成され、拡散によって最大圧縮の面で欠陥が正味で蓄積されると考えられています。空孔の流れは、反対方向の粒子の流れと同じです。つまり、結晶材料は、差応力下で空孔の流れによって変形する可能性があります。

格子内の他の化学種を置換する高可動性の化学成分は、結晶自体の内部で化学種の正味の差動質量移動（つまり、分離）を引き起こす可能性があり、多くの場合、レオロジー的に難しい物質の短縮を促進し、変形を増大させます。

結晶中の空孔の拡散は、さまざまな方法で起こります。空孔が結晶（材料科学では「結晶粒」と呼ばれることが多い）中を移動することを、ナバロ・ヘリング クリープと呼びます。空孔が移動するもう 1 つの方法は、粒界に沿って移動することであり、これはコーブル クリープと呼ばれるメカニズムです。

結晶が拡散クリープによって変形し、同時に起こる粒界すべり（粒界に沿った粒子全体の動き）による空間の問題に対処する場合、これを粒状流動または超塑性流動と呼びます。^{[4]拡散クリープは}圧力溶解と同時に起こることもあります。圧力溶解は、コーブルクリープと同様に、物質が粒界に沿って移動するメカニズムです。コーブルクリープでは粒子は「乾式」拡散によって移動しますが、圧力溶解では粒子は溶解状態で移動します。

材料の塑性変形は、ひずみ速度（）が差応力（σまたはσD）、粒径（d ）、_および活性化値に依存する式で表すことができ、アレニウスの式で表される：^[5]${\displaystyle {\dot {\epsilon }}}$

${\displaystyle \!{\dot {\epsilon}}=Ae^{\frac {-Q}{RT}}{\frac {\sigma ^{n}}{d^{m}}}}$

ここで、Aは拡散定数、Q はメカニズムの活性化エネルギー、R は気体定数、T は絶対温度（ケルビン単位）です。指数nとm は、それぞれ応力と粒径に対する流れの感度の値です。A、Q、n 、およびmの値は、変形メカニズムごとに異なります。拡散クリープの場合、nの値は通常約 1 です。 mの値は、2（ナバロ・ヘリング クリープ）から 3（コーブル クリープ）の間で変化します。つまり、コーブル クリープは材料の粒径の影響を受けやすく、粒子が大きい材料は粒子が小さい材料よりもコーブル クリープによって変形しにくくなります。

結晶質材料における拡散クリープの明確なミクロスケールの証拠を見つけるのは困難です。明確な証拠となる構造がほとんど確認されていないためです。拡散クリープによって変形された材料は、平らな粒子（いわゆる形状優先配向またはSPOを持つ粒子）を持つ場合があります。格子優先配向（またはLPO）のない等次元の粒子は、超塑性流動の兆候である可能性があります。^[6]非常に高温で変形された材料では、葉状の粒界が拡散クリープの証拠と見なされる場合があります。^[7]

拡散クリープは、結晶の体積が増加するメカニズムです。結晶粒度が大きいということは、拡散クリープが結晶材料でより効果的であったことを示している可能性があります。

• クリープ（変形）
• 変形（工学）
• 拡散
• 転位クリープ
• 材料科学

• Gower, RJW & Simpson, C.; 1992:自然に変形した高品位石英長石質岩石の相境界可動性:拡散クリープの証拠、Journal of Structural Geology 14、p. 301-314。
• Passchier、CW & Trouw、RAJ、1998:マイクロテクトニクス、Springer、ISBN  3-540-58713-6
• Twiss, RJ & Moores, EM、2000 (第 6 版):構造地質学、WH Freeman & co、ISBN 0-7167-2252-6