Deformasyon mekanizması

Deformasyon mekanizması, geoteknik mühendisliğinde, bir malzemenin iç yapısındaki, şeklindeki ve hacmindeki değişikliklerden sorumlu olan mikroskobik ölçekte meydana gelen bir süreçtir. Süreç düzlemsel süreksizliği ve/veya atomların kristal kafes yapısı içindeki orijinal konumlarından yer değiştirmesini içermektedir. Bu küçük değişiklikler, kayalar, metaller ve plastikler gibi malzemelerin çeşitli mikro yapılarında korunmaktadır ve optik veya dijital mikroskop kullanılarak derinlemesine incelenebilmektedir.
İşlemler
Deformasyon mekanizmaları genel olarak gevrek, sünek ve gevrek-sünek olarak karakterize edilmektedir. Sorumlu tahrik mekanizması, dahili (örneğin, bileşim, tane boyutu ve kafes tercihli yönelim) ve harici (örneğin sıcaklık ve sıvı basıncı) faktörler arasındaki etkileşimdir. Bu mekanizmalar, tektonik olayların koşullarını, reolojisini, dinamiklerini ve hareketlerini kısıtlamak için kayalarda incelenen bir dizi mikro yapı üretmektedir. Belirli bir dizi koşul altında birden fazla mekanizma aktif olabilmektedir ve bazı mekanizmalar birbirinden bağımsız olarak gelişebilmektedir. Ayrıntılı mikro yapı analizi, bazı malzemeler için bireysel deformasyon mekanizmalarının hakim olduğu koşulları ve zamanlamayı tanımlamak için kullanılabilmektedir. Ortak deformasyon mekanizmaları süreçleri şunları içermektedir:
Çatlama
Kataklastik akış
Difüzyon kütle transferi
Tane sınırı kayması
Dislokasyon sürünmesi
Dinamik yeniden kristalleştirme (asıl haline geri dönme)
Kırılma
Kırılma, malzemeler içinde yer değiştirmenin eşlik etmediği, kalıcı doğrusal kırılmalar oluşturan kırılgan bir deformasyon sürecidir. Bu lineer kırılmalar veya açıklıklar bağımsız veya birbirine bağlı olabilmektedir.
Kırılmanın meydana gelmesi için, malzemelerin nihai mukavemetinin, malzemenin koptuğu bir noktaya kadar aşılması gerekmektedir. Yırtılma, yüksek diferansiyel stres (nesneye etki eden maksimum ve minimum stres arasındaki fark) birikimleri tarafından desteklenmektedir. Çoğu kırık faylara dönüşmektedir. Bununla birlikte, fay terimi yalnızca kırılma düzlemi bir dereceye kadar harekete uyum sağladığında kullanılmaktadır.
Kırılma, mikro kırıklardan makroskopik kırıklara ve kayalardaki eklemlere kadar tüm ölçeklerde olabilmektedir.
Kataklastik akış
Kataklaz veya ufalama, düşük ila orta dereceli homolog sıcaklıklar, düşük sınırlama basıncı ve nispeten yüksek gerilme oranları altında çalışan elastik olmayan kırılgan bir mekanizmadır.
Yalnızca sıvı basıncına ve sıcaklığa bağlı olan belirli bir diferansiyel stres seviyesinin üzerinde gerçekleşmektedir. Kataklaz, tanelerin kırılmasını ve ezilmesini barındırmakatdır, tane boyutunda azalmaya neden olmaktadır, bunun yanı sıra tane sınırlarında sürtünmeli kayma ve sert gövde tane dönüşü vardır.
Aşırı tane boyutu küçülmesinin meydana geldiği kayma veya fay yüzeyleri boyunca ince zonlarda yoğun kataklaz meydana gelmektedir. Kayalarda, kataklazi, kataklazit adı verilen kohezif ve ince taneli bir fay kayası oluşturmaktadır. Kataklastik akış, kayma sırasında, küçük kırıkların (mikro çatlaklar) ve ilişkili kaya parçalarının birbirini geçtiği yerde mikro kırılma ve sürtünmeli kayma ile deforme olduğunda meydana gelmektedir. Kataklastik akış genellikle diyajenetik ila düşük dereceli metamorfik koşullarda meydana gelmektedir. Ancak bu, malzemenin mineralojisine ve boşluk sıvı basıncının boyutuna bağlıdır. Kataklastik akış genellikle kararsızdır ve deformasyonun fay düzlemlerinde kaymaya lokalizasyonu ile sona erecektir.
Tane sınırı kayması
Tane sınırı kayması, kristallerin sürtünme olmadan ve difüzyon sonucunda önemli boşluklar oluşturmadan birbirlerinin üzerinden kayabildiği bir plastik deformasyon mekanizmasıdır. Bu mekanizma ile ilişkili deformasyon süreci, granüler akış olarak adlandırılmaktadır. Boşlukların olmaması, katı haldeki difüzyonlu kütle transferi, yerel olarak geliştirilmiş kristal plastik deformasyon veya bir tane sınırı sıvısının solüsyonu ve çökelmesinden kaynaklanmaktadır. Bu mekanizma, komşu anahtarlama tarafından üretilen düşük bir gerinim hızında çalışmaktadır. Tane sınırı kayması tane boyutuna ve sıcaklığa bağlıdır. Yüksek sıcaklıklar ve difüzyon yollarının nispeten kısa olduğu çok ince taneli agregaların varlığı ile tercih edilmektedir. Bu mekanizmada çalışan büyük şekil değiştirmeler, kafes tercihli bir oryantasyonun gelişmesine veya tane kaymasına uyum sağlamak için tane sınırı dışında tanelerin herhangi bir kayda değer iç deformasyonuna neden olmamaktadır; bu işleme süperplastik deformasyon denilmektedir.
Difüzyonlu kütle transferi
Bu mekanizma grubunda, gerilme, kristalografik kafes içindeki boşlukların göçü ile barındırılmaktadır. Bu, difüzyon yoluyla kütle transferini içeren kristal şeklinde bir değişiklik ile sonuçlanmaktadır. Bu göçler, maksimum gerilimli bölgelere yöneliktir ve tane sınırları ile sınırlıdır; hangi bir kristalografik şekilli kumaşı veya gerilimi koşullandırır. Sonuç, daha mükemmel bir kristaldir. Bu süreç tane boyutuna duyarlıdır ve düşük gerinim oranlarında veya çok yüksek sıcaklıklarda meydana gelmektedir ve kafes kusurlarının düşük basınç stresi alanlarından yüksek alanlara göçü ile sağlanmaktadır. Yayılan kütle transferinin ana mekanizmaları Nabarro- Herring sürünmesi, Coble sürünmesi ve basınç çözeltisidir. Nabarro-ringa sürünmesi veya hacim difüzyonu, yüksek homolog sıcaklıklarda etki etmektedir ve tane boyutu, tane boyutunun karesiyle ters orantılı olan gerinim hızına bağlıdır (tane boyutu arttıkça sürünme hızı azalır). Nabarro-Herring sürünmesi sırasında, boşlukların difüzyonu kristal kafes (mikrotektonik) yoluyla gerçekleşmektedir ve bu da tanelerin stres ekseni boyunca uzamasına neden olmaktadır. Nabarro- Herring sürünmesi, zayıf bir stres bağımlılığına sahiptir. Coble sünmesi veya tane sınırı difüzyonu, taneleri stres ekseni boyunca uzatmak için tane sınırları boyunca meydana gelen boşlukların difüzyonudur. Coble sünmesi, Nabarro-Herring sünmesine göre daha güçlü bir tane boyutu bağımlılığına sahiptir ve sıcaklığa bağlı kalırken daha düşük sıcaklıklarda meydana gelir. Nabarro-Herring sürünmesinden daha önemli bir rol oynar ve plastik kabuğun deformasyonunda daha önemlidir.
Dislokasyon sürünmesi
Dislokasyon sürünmesi, kristaldeki boşlukların kristal kafes içindeki tıkanıklık alanlarını aşarak kayadığı ve tırmandığı lineer olmayan (plastik) bir deformasyon mekanizmasıdır. Kristal kafes içindeki bu göçler bir veya daha fazla yönde meydana gelebilir ve artan diferansiyel stresin etkileriyle tetiklenmektedir. Difüzyon sürünmesine göre daha düşük sıcaklıklarda meydana gelmektedir. Dislokasyon sürünmesinde sunulan mekanik sürece kayma denilmektedir. Dislokasyonun gerçekleştiği ana yön, atomik yapıdaki boşluklar ve kusurlardan kaynaklanan kayma düzlemleri ve zayıf kristalografik yönelimlerin bir kombinasyonu ile tanımlanmaktadır. Her dislokasyon, kristalin bir kısmının, kristalin geri kalanına göre kayma düzlemi boyunca bir kafes noktası kaymasına neden olmaktadır. Her kristal malzeme, kristal kafes içindeki atomlar veya iyonlar arasında farklı mesafelere sahiptir, bu da farklı uzunluklarda yer değiştirme ile sonuçlanmaktadır. Yer değiştirmenin uzunluğunu ve yönünü karakterize eden vektöre Burgers vektörü denilmektedir. Güçlü kafes tercihli yöneliminin gelişimi, dislokasyonlar yalnızca belirli kafes düzlemlerinde hareket ettiğinden, dislokasyon sürünmesinin kanıtı olarak yorumlanabilmektedir.
Dislokasyon kayması, gerinim sertleşmesinin etkileri nedeniyle kendi başına büyük gerinimler üretmek için hareket edememektedir, burada bir dislokasyon "karışıklığı" diğer dislokasyonların hareketini engelleyebilmektedir, bu daha sonra bloke edilenlerin arkasında yığılmaktadır ve kristalin deforme olmasını zorlaştırmaktadır. Difüzyon ve dislokasyon sürünmesi aynı anda meydana gelebilmektedir. Belirli sıcaklık, basınç ve gerinim hızı koşulları altında gerilmiş bir malzemenin etkin viskozitesi, en küçük viskoziteyi sağlayan mekanizma tarafından belirlenecektir. Dislokasyon tırmanışı veya tane sınırı göçü gibi bir tür kurtarma işlemi de aktif olmalıdır. Dislokasyonun kayması, önceden var olan kusur ortadan kaldırıldığı için kristal için daha kararlı bir duruma neden olmaktadır. Gevrek kırılma için gerekenden çok daha düşük diferansiyel stres gerektirmektedir. Bu mekanizma, minerale zarar vermemektedir veya kristallerin iç gücünü azaltmamaktadır.
Dinamik yeniden kristalleştirme
Dinamik yeniden kristalleştirme, deformasyon sırasında tanelerde kalan iç gerilmeyi giderme işlemidir. Bu, aynı mineral içinde tane boyutu, şekli ve yöneliminde bir değişiklik olan bir malzemenin yeniden düzenlenmesiyle olmaktadır. Deformasyon sona erdikten sonra ve özellikle yüksek sıcaklıklarda yeniden kristalleşme meydana geldiğinde, işleme statik yeniden kristalleşme veya tavlama denilmektedir. Dinamik yeniden kristalleşme, tane boyutunun küçülmesine neden olmaktadır ve statik yeniden kristalleşme, daha büyük eşit tanelerin oluşmasına neden olmaktadır.
Dinamik yeniden kristalleşme, çok çeşitli metamorfik koşullar altında meydana gelebilmektedir ve deforme olan malzemenin mekanik özelliklerini güçlü bir şekilde etkileyebilmektedir. Dinamik yeniden kristalleşme, iki uç üye sürecinin sonucudur: (1) Alt tanelerin oluşumu ve dönüşü (dönme yeniden kristalleşmesi) ve (2) tane sınırı göçü (göç yeniden kristalleşmesi).
Rotasyon yeniden kristalizasyonu (alt tane rotasyonu), sınır boyunca kristalografik uyumsuzluğu artıran dislokasyon duvarına (tırmanma, çapraz kayma ve kaymadan kaynaklanan bir dislokasyon bölgesi) hareket ettikçe bir alt tanenin ilerleyici yanlış yönelimidir. Sonunda, sınır boyunca yanlış yönlendirme, tek tek taneleri tanımak için yeterince büyüktür (genellikle 10-15 yanlış yönlendirme). Taneler, düşük açılı alt tanelerden yüksek açılı sınırlara karakteristik kademeli bir geçiş ile birçok alt tane ile birlikte uzun veya şerit şeklinde olma eğilimindedir.
Göç yeniden kristalizasyonu (tane sınırı göçü), bir tahılın komşu tahıllar pahasına büyüdüğü süreçlerdir. Düşük sıcaklıklarda, tane sınırının hareketliliği yerel olabilmektedir ve tane sınırı, yüksek dislokasyon yoğunluğuna sahip komşu bir taneye şişebilmektedir ve düşük sıcaklıkta tane sınırı göçü veya şişkin yeniden kristalleşme adı verilen bir işlemle yeni, daha küçük, bağımsız kristaller oluşturabilmektedir. Üretilen şişkinlikler, tane sınırlarına dönüşebilen alt tane (düşük açılı) sınırlarının oluşumuyla veya tane sınırının göçüyle yeni taneler oluşturmak üzere orijinal taneden ayrılabilmektedir. Şişkin yeniden kristalleşme genellikle eski tanelerin sınırları boyunca üçlü kavşaklarda meydana gelmektedir. Yüksek sıcaklıklarda, büyüyen tane, tüketilen tane(ler)den daha düşük bir dislokasyon yoğunluğuna sahiptir ve tane sınırı, yüksek sıcaklıkta tane-sınır yeniden kristalleşme göçü ile dislokasyonları ortadan kaldırmak için komşu taneleri süpürmektedir. Tane sınırları, değişken tane boyutuna sahip lobludur ve yeni taneler genellikle mevcut alt tanelerden daha büyüktür. Çok yüksek sıcaklıklarda, taneler oldukça loblu veya ameboiddir, ancak neredeyse hiç gerilmemiş olabilmektedir.