اللدونة (الفيزياء)

تحتوي المواد البلورية على مستويات ذرية منتظمة ذات ترتيب طويل المدى. قد تنزلق هذه المستويات فوق بعضها البعض على طول اتجاهات التراص المتقارب، كما هو موضح في صفحة أنظمة الانزلاق. ينتج عن ذلك تغير دائم في شكل البلورة وتشوه لدن. يزيد وجود الانخلاعات من احتمالية وجود هذه المستويات.

على المستوى النانوي، يكون التشوه البلاستيكي الأولي في المعادن المكعبة ذات المراكز الوجهية البسيطة قابلاً للانعكاس، طالما لا يوجد انتقال للمادة على شكل انزلاق عرضي . ^{[ 7 ]} كما تُظهر سبائك الذاكرة الشكلية، مثل أسلاك النيتينول، شكلاً قابلاً للانعكاس من اللدونة، والذي يُطلق عليه بشكل أدق اسم المرونة الزائفة .

قد يؤدي وجود عيوب أخرى داخل البلورة إلى تشابك الانخلاعات أو منعها من الانزلاق. وعند حدوث ذلك، تتركز اللدونة في مناطق محددة من المادة. وتُسمى هذه المناطق من اللدونة الموضعية في البلورات بنطاقات القص .

اللدونة المجهرية هي ظاهرة موضعية في المعادن. تحدث هذه الظاهرة عند قيم الإجهاد التي يكون فيها المعدن ككل في نطاق المرونة بينما تكون بعض المناطق الموضعية في نطاق اللدونة. ^{[ 8 ]}

في المواد غير المتبلورة ، لا ينطبق مفهوم "الانخلاعات" نظرًا لافتقار المادة بأكملها إلى الترتيب بعيد المدى. ومع ذلك، يمكن لهذه المواد أن تخضع للتشوه اللدن. ولأن المواد غير المتبلورة، كالبوليمرات، غير منتظمة الترتيب، فإنها تحتوي على حجم كبير من الفراغات، أو المساحات الضائعة. يؤدي شد هذه المواد إلى فتح هذه المناطق، مما قد يمنحها مظهرًا ضبابيًا. ينتج هذا الضباب عن التشققات الدقيقة ، حيث تتشكل ألياف دقيقة داخل المادة في مناطق الإجهاد الهيدروستاتيكي العالي . وقد تتحول المادة من مظهر منتظم إلى نمط "غير منتظم" من علامات الإجهاد والتمدد.

توجد ثلاث مناطق مميزة لإجهاد القص الحرج المُحلل كدالة لدرجة الحرارة. في المنطقة الأولى ذات درجة الحرارة المنخفضة ( T ≤ 0.25 T _m )، يجب أن يكون معدل الإجهاد مرتفعًا لتحقيق قيمة عالية لـ τ _CRSS ، وهو ما يُعد ضروريًا لبدء انزلاق الخلع، وما يُعادله من تدفق لدني. في هذه المنطقة، يتكون إجهاد القص الحرج المُحلل من مُركبتين: إجهاد قص لا حراري ( τ _a ) وإجهاد قص حراري ( τ *)، ينشآن من الإجهاد اللازم لتحريك الخلوع في وجود خلوع أخرى، ومقاومة عيوب النقطة لهجرة الخلوع، على التوالي. عند T = T *، تُحدد المنطقة الثانية ذات درجة الحرارة المتوسطة (0.25 T _m < T < 0.7 T _{m )، حيث تقترب مُركبة إجهاد القص الحراري} τ * من الصفر، مما يُمثل زوال مقاومة عيوب النقطة لهجرة الخلوع. وبالتالي، يبقى إجهاد القص الحرج المُحلل τ _CRSS = τ _a ثابتًا بغض النظر عن درجة الحرارة حتى يتم تحديد المنطقة الثالثة. تجدر الإشارة إلى أنه في المنطقة 2، عند درجات حرارة معتدلة، ينبغي مراعاة آليات التشوه اللدن المعتمد على الزمن (الزحف) ، مثل سحب المذاب. علاوة على ذلك، في المنطقة 3 ذات درجات الحرارة المرتفعة ( T ≥ 0.7 T _m )، قد تكون قيمة έ منخفضة، مما يُسهم في انخفاض قيمة τ _CRSS ، ومع ذلك، سيظل التدفق اللدن قائمًا نتيجة لآليات التشوه اللدن المعتمدة على الزمن والمنشطة حراريًا عند درجات الحرارة المرتفعة، مثل تدفق نابارو-هيرينغ (NH) وتدفق كوبل الانتشارى عبر الشبكة وعلى طول أسطح البلورة الأحادية، على التوالي، بالإضافة إلى زحف انزلاق الخلع.         

خلال المرحلة الأولى من الانزلاق السهل، يكون معدل التصلب بالتشكيل، المحدد بتغير إجهاد القص بالنسبة إلى انفعال القص ( dτ / dγ )، منخفضًا، مما يدل على أن كمية صغيرة من إجهاد القص المطبق ضرورية لإحداث كمية كبيرة من انفعال القص. يُعزى انزلاق الخلع السهل والتدفق المصاحب له إلى هجرة الخلع على طول مستويات انزلاق متوازية فقط (أي نظام انزلاق واحد). ويُلاحظ وجود مقاومة متوسطة لهجرة الخلع على طول مستويات الانزلاق المتوازية، وذلك نتيجة لتفاعلات مجال الإجهاد الضعيفة بين هذه الخلوع، والتي تزداد مع صغر المسافة بين المستويات. بشكل عام، تعمل هذه الخلوع المهاجرة ضمن نظام انزلاق واحد كعوائق ضعيفة أمام التدفق، ويُلاحظ ارتفاع طفيف في الإجهاد مقارنةً بإجهاد الخضوع. خلال المرحلة الثانية من التصلب الخطي للتدفق، يصبح معدل التصلب بالتشكيل مرتفعًا، حيث يتطلب الأمر إجهادًا كبيرًا للتغلب على تفاعلات مجال الإجهاد للخلوع المهاجرة على مستويات انزلاق غير متوازية (أي أنظمة انزلاق متعددة)، والتي تعمل كعوائق قوية أمام التدفق. يتطلب استمرار هجرة الانخلاعات إجهادًا كبيرًا عند الانفعالات الصغيرة. يتناسب إجهاد التدفق القصي طرديًا مع الجذر التربيعي لكثافة الانخلاعات (τ _flow ~ ρ ^½ )، بغض النظر عن تطور تكوينات الانخلاعات، مما يُظهر اعتماد التصلب على عدد الانخلاعات الموجودة. وفيما يتعلق بتطور تكوينات الانخلاعات، يكون ترتيب الانخلاعات عند الانفعالات الصغيرة عبارة عن مصفوفة ثلاثية الأبعاد عشوائية من الخطوط المتقاطعة. أما الانفعالات المتوسطة فتُقابلها هياكل انخلاعات خلوية ذات توزيع غير متجانس للانخلاعات، حيث تكون كثافة الانخلاعات عالية عند حدود الخلايا، ومنخفضة داخلها. وعند الانفعالات الأكبر، يتقلص حجم هيكل الانخلاعات الخلوي حتى يصل إلى الحد الأدنى. وأخيرًا، ينخفض ​​معدل التصلب بالتشكيل مرة أخرى في مرحلة استنفاد/تشبع المرحلة الثالثة من التصلب في التدفق اللدن، حيث تُنتج إجهادات القص الصغيرة انفعالات قص كبيرة. تجدر الإشارة إلى أنه في الحالات التي تكون فيها أنظمة الانزلاق المتعددة موجهة بشكل ملائم بالنسبة للإجهاد المطبق، قد يكون τ _CRSS لهذه الأنظمة متشابهًا، وقد يحدث الخضوع وفقًا لهجرة الخلع على طول أنظمة الانزلاق المتعددة ذات مستويات الانزلاق غير المتوازية، مما يُظهر معدل تصلب العمل من المرحلة 1 الذي يميز عادةً المرحلة 2. أخيرًا، يتم تلخيص التمييز بين التشوه اللدن غير المعتمد على الزمن في المعادن الانتقالية المكعبة ذات المركز الجسمي والمعادن المكعبة ذات المركز الوجهي أدناه.

يمكن تفسير قيد حدود الحبيبات في البلورات المتعددة من خلال النظر إلى حدود الحبيبات في المستوى xz بين بلورتين أحاديتين A وB متطابقتين في التركيب والبنية وأنظمة الانزلاق، ولكنهما مختلفتان في التوجيه بالنسبة لبعضهما البعض. ولضمان عدم تشكل فراغات بين الحبيبات المتشوهة بشكل فردي، يكون قيد حدود الحبيبات للبلورة الثنائية كما يلي: ε _xx ^A = ε _xx ^B (يجب أن يكون الانفعال المحوري x عند حدود الحبيبات متساويًا لكل من A وB)، ε _zz ^A = ε _zz ^B (يجب أن يكون الانفعال المحوري z عند حدود الحبيبات متساويًا لكل من A وB)، وε _xz ^A = ε _xz ^B (يجب أن يكون انفعال القص xz على طول مستوى xz-حدود الحبيبات متساويًا لكل من A وB). بالإضافة إلى ذلك، يتطلب قيد حدود الحبيبات هذا تنشيط خمسة أنظمة انزلاق مستقلة لكل بلورة صغيرة تُشكل حدود الحبيبات. تجدر الإشارة إلى أنه نظرًا لأن أنظمة الانزلاق المستقلة تُعرَّف بأنها مستويات انزلاق لا يمكن إعادة إنتاج هجرات الانخلاعات عليها بأي توليفة من هجرات الانخلاعات على طول مستويات أنظمة الانزلاق الأخرى، فإن عدد أنظمة الانزلاق الهندسية لنظام بلوري معين - والذي يمكن بناؤه، بحكم التعريف، من خلال توليفات أنظمة الانزلاق - يكون عادةً أكبر من عدد أنظمة الانزلاق المستقلة. ومن الجدير بالذكر أن هناك حدًا أقصى قدره خمسة أنظمة انزلاق مستقلة لكل نظام من الأنظمة البلورية السبعة، ومع ذلك، لا تصل جميع الأنظمة البلورية السبعة إلى هذا الحد الأعلى. في الواقع، حتى داخل نظام بلوري معين، يُؤدي التركيب وشبكة برافي إلى تنويع عدد أنظمة الانزلاق المستقلة (انظر الجدول أدناه). في الحالات التي لا تحصل فيها بلورات متعددة البلورات على خمسة أنظمة انزلاق مستقلة، لا يمكن استيفاء شرط حدود الحبيبات، وبالتالي فإن التشوه غير المعتمد على الزمن للبلورات الفردية يؤدي إلى تشققات وفراغات عند حدود الحبيبات في البلورة المتعددة، وسرعان ما يحدث الكسر. وبالتالي، بالنسبة لتركيب وبنية معينة، فإن البلورة الأحادية التي تحتوي على أقل من خمسة أنظمة انزلاق مستقلة تكون أقوى (وتظهر درجة أكبر من اللدونة) من شكلها متعدد البلورات.

على الرغم من أن البلورتين A وB المذكورتين في القسم السابق تمتلكان أنظمة انزلاق متطابقة، إلا أنهما غير متوافقتين في اتجاههما بالنسبة لبعضهما البعض، وبالتالي غير متوافقتين في اتجاه القوة المؤثرة. لذا، قد يحدث خضوع مجهري داخل البلورة وفقًا لقواعد الخضوع غير المعتمد على الزمن في البلورات الأحادية. في النهاية، تسمح مستويات الانزلاق النشطة داخل الحبيبات بانتقال الانخلاعات إلى حدود الحبيبات، حيث تتراكم العديد من الانخلاعات كانخلاعات ضرورية هندسيًا. يتوافق هذا التراكم مع تدرجات الإجهاد عبر الحبيبات الفردية، حيث تكون كثافة الانخلاعات بالقرب من حدود الحبيبات أكبر من كثافتها داخل الحبيبة، مما يفرض إجهادًا على الحبيبة المجاورة المتصلة بها. عند النظر إلى البلورة الثنائية AB ككل، فإن نظام الانزلاق الأكثر ملاءمة في A لن يكون هو نفسه الموجود في B، وبالتالي فإن τ ^A _CRSS ≠ τ ^B _CRSS . الأهم من ذلك هو أن الخضوع الكلي للبلورة الثنائية يستمر حتى يتم الوصول إلى القيمة الأعلى لـ τ _CRSS بين الحبيبتين A وB، وفقًا لقيد حدود الحبيبات. وبالتالي، بالنسبة لتركيب وبنية محددين، يكون متعدد البلورات ذو خمسة أنظمة انزلاق مستقلة أقوى (درجة أكبر من اللدونة) من شكله أحادي البلورة. وبناءً على ذلك، يكون معدل التصلب بالتشكيل أعلى في متعدد البلورات منه في البلورة الأحادية، حيث يتطلب الأمر إجهادًا أكبر في متعدد البلورات لإنتاج الانفعالات. ومن المهم ملاحظة أنه، كما هو الحال مع إجهاد التدفق في البلورة الأحادية، فإن τ _flow ~ρ ^½ ، ولكنه يتناسب عكسيًا مع الجذر التربيعي لمتوسط ​​قطر الحبيبات (τ _flow ~d ^-½ ). لذلك، يزداد إجهاد التدفق في متعدد البلورات، وبالتالي قوته، مع صغر حجم الحبيبات. ويعود السبب في ذلك إلى أن الحبيبات الأصغر حجمًا تحتوي على عدد أقل نسبيًا من مستويات الانزلاق التي يجب تنشيطها، مما يؤدي إلى عدد أقل من الانخلاعات المهاجرة إلى حدود الحبيبات، وبالتالي إجهاد أقل يتولد على الحبيبات المجاورة نتيجة لتراكم الانخلاعات. بالإضافة إلى ذلك، بالنسبة لحجم معين من متعدد البلورات، تُظهر الحبيبات الأصغر حجمًا حدود حبيبات أكثر قوة. يوفر هذان العاملان فهمًا لسبب حدوث التدفق العياني في البلورات متعددة الحبيبات الدقيقة عند إجهادات مطبقة أكبر من تلك الموجودة في البلورات متعددة الحبيبات الخشنة.