IV. THE PERMANENT DEFORMATION MECHA

IV. THE PERMANENT DEFORMATION MECHANISMS OF GLASS IN AMBIENT CONDITIONS

The physics of permanent deformation of glass at ambi- ent temperature under sharp contact loading has long been intriguing especially since glasses are regarded as model brittle linear elastic materials. On one hand classical plastic- ity based on dislocation mobility is not expected since glasses lack long range structural ordering at the atomic scale. On the other hand viscous flow at ambient temperature would require incredibly long times to be detected on the basis of the newtonian shear viscosity coefficient.16 Never- theless densification has been evidenced and there are con- vincing studies of shear-thinning indentation flow.17,18 Direct evidence for both mechanisms and for the predominance of densification below Tg was recently reported in synthetic clay which showed up as a good glass “analogue” material to study the permanent deformation mechanisms.19
The primary response of the glass to the sharp contact loading is an almost instantaneous elastic sinking of the sur- face. Assuming pure linear elasticity, the equilibrium mean contact pressure (elastic hardness) for a rigid conical indenter of apical angle 2$ is expressed as:20
Hel = E[2(1-w2)tan $]. (1)
As a first approximation a Vickers indenter can be as- similated to a cone indenter producing the same projected surface area. This gives $ = 70.3° for this equivalent cone indenter. It follows that Hel= 13.6, 13.5, 2.89, and 17.1 GPa for a-SiO2, WG, GeSe4, and BMG glass, respectively. These values are typically 2 to 3 times larger than hardness values and are large enough to promote densification in pressure sensitive glasses. Thus, in a secondary stage, irreversible mi- croscopic deformation events aiming at efficiently relaxing the contact stress by increasing the contact surface area will initiate in a process zone near the indenter tip (Fig. 2). The deformation mechanism is either densification in glasses




FIG. 2. (Color online) Schematic sketch of the indentation deformation stages. The dashed line indicates the indentation profile after unloading. Arrows indicate matter displacement. o is the mean contact pressure.


with relatively low atomic packing density, or volume con- servative shear flow in glasses with close-packed atomic net- work, or a combination of both in general.
In the case of densification, the depth of the affected zone beneath the indenter (zd) can be roughly estimated by
using the Boussinesq’s elastic stress field21 stemming from a
contact force (F), assuming densification becomes negligible once the hydrostatic stress is smaller than the pressure Po corresponding to the onset of the densification process (from high pressure experiments), and saturates rapidly above Po (Refs. 7 and 22)
zd = [F(1+ w)(3uPo)]12. (2)
With a contact force of 3.9 N and in the case of a-SiO2 [taking w = 0.15 (pristine) to 0.252 (densified), Po= 8 GPa (Ref. 7)], then zd= 7.7 – 8.1 µm which is in excellent agree- ment with the value (8 µm) of the depth of the zone where a change of the refractive index was observed for the same load in a-SiO2.2 Raman scattering was recently used to map the densification in a vertical cross section through a 19.6 N Vickers indent in a-SiO2.23 Isodensification domains were drawn. Again the depth experimentally found for the densi- fied zone (18 µm) is corroborated by the value for zd (17.3 µm). Besides assuming a paraboloid shape for the isodensification domains, integration of the volume shrink- age through the overall densified area leads to a contribution of densification to the indentation volume of ~85%, in good agreement with previous investigations at lower loads (90% in Ref. 8). Interestingly once a-SiO2 is densified w increases (from 0.15 to 0.25) and piling-up is observed (Figs. 3 and 4). The dramatic increase in V+  V− ratio from 17% to 77% shows that shear flow accounts for most of the deformation and to a greater extent than in the case of GeSe4 and BMG, although there is almost no room for the densification con- tribution in BMG.7,8 Our topological characterization (Table I, Fig. 4) also shows that shear flow is more important in densified silica than in densified WG. In this latter case V+  V− is limited to 38% and a decrease in hardness is ob- served after treatments under pressure over 20 GPa. A tenta- tive explanation is that in such glass where both densification and shear have significant contributions, the structural changes induced by the high presure treatments (decrease in
the mean intertetrahedral angle for instance5,7) and the cor-

Kết quả (Việt) 1:

IV. CƠ CHẾ BIẾN DẠNG VĨNH VIỄN CỦA THỦY TINH TRONG ĐIỀU KIỆN MÔI TRƯỜNG XUNG QUANHVật lý của các biến dạng vĩnh viễn thủy tinh ở mục-ent nhiệt độ dưới tải liên hệ sắc nét từ lâu đã hấp dẫn đặc biệt là kể từ khi ly được coi là vật liệu đàn hồi tuyến tính giòn mô hình. Trên một bàn tay cổ điển nhựa-ity dựa trên phân chia vận động không dự kiến sẽ vì kính thiếu dài phạm vi cấu trúc ở quy mô nguyên tử. Mặt khác các dòng chảy nhớt ở nhiệt độ môi trường xung quanh sẽ đòi hỏi phải cực kỳ dài thời gian để được phát hiện trên cơ sở độ nhớt Newton cắt coefficient.16 không bao giờ theless densification đã được chứng minh và có nghiên cứu con-vincing cắt mỏng indentation flow.17,18 trực tiếp chứng cứ cho cả hai cơ chế và ưu thế của densification dưới đây Tg mới thông báo trong đất sét tổng hợp mà xuất hiện như là một vật liệu "tương tự" kính tốt để nghiên cứu sự biến dạng vĩnh viễn mechanisms.19Các phản ứng chính của kính để nạp liên hệ sắc nét là một gần như ngay lập tức đàn hồi đánh chìm sur-face. Giả sử tính đàn hồi tuyến tính thuần túy, cân bằng có nghĩa là liên hệ với áp lực (độ cứng đàn hồi) cho một indenter cứng nhắc hình nón đỉnh góc 2 $ được thể hiện như: 20Hel = E [2(1-w2) tan $]. (1)Là một xấp xỉ đầu tiên một máy bay Vickers indenter có thể là như similated để một hình nón indenter sản xuất cùng một khu vực bề mặt dự kiến. Điều này sẽ cho $ = 70,3 ° cho indenter tương đương nón này. Nó sau đó Hel = 13.6, 13,5, 2,89 và 17.1 điểm trung bình cho một SiO2, nhóm công tác, GeSe4 và BMG bằng thủy tinh, tương ứng. Các giá trị thông thường 2-3 lần lớn hơn giá trị độ cứng và đủ lớn để thúc đẩy densification trong áp lực nhạy cảm kính. Vì vậy, trong một giai đoạn thứ hai, sự kiện biến dạng không thể đảo ngược mi-croscopic, nhằm mục đích hiệu quả thư giãn căng thẳng liên lạc bằng cách tăng vùng bề mặt tiếp xúc sẽ bắt đầu trong một khu vực trình gần mũi indenter (hình 2). Cơ chế biến dạng là một trong hai densification trong mắt kính HÌNH 2. (Màu trực tuyến) Phác họa sơ giai đoạn biến dạng thụt lề. Tiêu tan đường cho biết hồ sơ indentation sau khi bốc dỡ. Mũi tên cho biết các vấn đề trọng lượng rẽ nước. o là có nghĩa là áp lực liên lạc.với tương đối thấp mật độ hạt nhân đóng gói, hoặc khối lượng côn servative cắt luồng trong mắt kính với close đóng gói nguyên tử mạng-công việc, hoặc kết hợp cả hai nói chung.Trong trường hợp của densification, độ sâu của khu vực bị ảnh hưởng dưới indenter (zd) có thể được khoảng ước tính củabằng cách sử dụng Boussinesq của đàn hồi căng thẳng field21 bắt nguồn từ mộtliên hệ quân (F), giả định densification trở nên không đáng kể khi căng thẳng thủy tĩnh là nhỏ hơn so với áp lực Po tương ứng với sự khởi đầu của quá trình densification (từ thí nghiệm cao áp), và saturates nhanh chóng trên Po (Refs. 7 và 22)ZD = [F(1+ w)(3uPo)] 12. (2)Với một số liên lạc buộc 3.9 N và trong trường hợp một SiO2 [dùng w = 0,15 (nguyên thủy) để 0.252 (densified), Po = 8 GPa (Ref. 7)], sau đó zd = 7.7-8.1 μm, mà là ở tuyệt vời đồng ý-ment với giá trị (8 μm) của chiều sâu khu vực nơi mà một sự thay đổi của chỉ số khúc xạ đã được quan sát cho tải cùng trong một SiO2.2 Raman tán xạ mới được sử dụng để lập bản đồ densification tại một đoạn đường dọc qua một 19.6 N Vickers thụt đầu dòng trong một SiO2.23 Isodensification tên miền đã được rút ra. Một lần nữa vào chiều sâu thực nghiệm được tìm thấy cho vùng densi-fied (18 μm) xác bởi đáng zd (17,3 μm). Bên cạnh việc giả định một hình parabol cho tên miền isodensification, tích hợp khối lượng co-tuổi thông qua các khu vực densified tổng thể dẫn đến một sự đóng góp của densification Volume indentation ~ 85%, trong các thỏa thuận tốt với các nghiên cứu trước đó tại hạ tải (90% trong Ref. 8). Điều thú vị khi một SiO2 là densified w tăng lên (từ 0,15 đến 0,25) và đóng cọc lên là quan sát (Figs. 3 và 4). Sự gia tăng đáng kể trong V +  V− tỷ lệ từ 17% 77% cho thấy rằng cắt dòng chảy tài khoản cho các biến dạng và đến một mức độ lớn hơn trong trường hợp của GeSe4 và BMG, mặc dù không gần như là không có chỗ cho con densification-tribution trong BMG.7,8 của chúng tôi tính tôpô (bảng I, hình 4) cũng cho thấy rằng cắt dòng chảy quan trọng hơn trong densified silica hơn trong nhóm công tác densified. Trong này thứ hai trường hợp V +  V− được giới hạn đến 38% và giảm độ cứng là ob-phục vụ sau khi các phương pháp trị liệu dưới áp lực hơn 20 điểm trung bình. Một lời giải thích tenta-hoạt động cùng là rằng trong kính như vậy mà cả hai densification và cắt có đóng góp đáng kể, thay đổi cấu trúc gây ra bởi các phương pháp trị liệu có cao (Giảmcó nghĩa là intertetrahedral góc cho instance5, 7) và cor-