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Dynamic Behaviour of Dislocations in HF-Doped Ice Ih

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

J. Perez
Affiliation:
Groupe d’Études de Métallurgie Physique et de Physique des Matériaux, E.R.A. no. 463, Institut National des Sciences Appliquées de Lyon, Bât. 502, 20 avenue Albert Einstein, 69621 Villeurbanne Cedex, France
C. Maï
Affiliation:
Groupe d’Études de Métallurgie Physique et de Physique des Matériaux, E.R.A. no. 463, Institut National des Sciences Appliquées de Lyon, Bât. 502, 20 avenue Albert Einstein, 69621 Villeurbanne Cedex, France
J. Tatibouët
Affiliation:
Groupe d’Études de Métallurgie Physique et de Physique des Matériaux, E.R.A. no. 463, Institut National des Sciences Appliquées de Lyon, Bât. 502, 20 avenue Albert Einstein, 69621 Villeurbanne Cedex, France
R. Vassoille
Affiliation:
Groupe d’Études de Métallurgie Physique et de Physique des Matériaux, E.R.A. no. 463, Institut National des Sciences Appliquées de Lyon, Bât. 502, 20 avenue Albert Einstein, 69621 Villeurbanne Cedex, France
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Abstract

A model of dislocation glide in ice Ih was recently proposed. This model was developed on certain assumptions, namely that transitions occur through cooperative movements of H2O molecules in the non-crystalline core of dislocations. A relation between the velocity v d of linear defects and shear stress τ or temperature T is obtained. This relation shows that v d varies linearly with τ at low values of τ and (or) T but varies more rapidly at higher stresses; this non-linearity is more pronounced the higher the temperature. Such an analysis is extended in order to take into account doping effects. The case of HF-doped ice is considered: it is shown that there is a strong accumulation effect of HF molecules in the dislocation cores, which induces an increase of the rate of transitions. The results are in agreement with experimental data concerning both the velocity of dislocations and high-temperature internal friction in HF-doped ice.

Résumé

Résumé

Un modèle de glissement des dislocations dans la glace Ih a été proposé récemment à partir des deux hypothèses suivantes: Les dislocations présentent un coeur étendu de matière non cristalline. Des transitions entre différentes configurations se produisent grâce à des mouvements coopératifs de molécules d’eau. Une relation entre la vitesse v d des dislocations, la contrainte τ et la température T, a été obtenue; celle-ci montre que v d varie linéairement avec τ aux faibles valeurs de τ et (ou) de T. Cette variation est plus rapide aux fortes contraintes et la non linéarité est d’autant plus importante que la température est élevée. Cette description a été développée de façon à rendre compte des effets dus au dopage. Le cas de la glace dopée à HF est étudié: un effet de ségrégation des molécules HF dans le coeur des dislocations pourrait provoquer un accroissement de la vitesse de transition. Une telle analyse est en accord avec les données expérimentales concernant tout aussi bien la vitesse des dislocations que le frottement intérieur haute température mesurés dans le cas de glace dopée à l’acide fluorhydrique.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Für das Gleiten längs Versetzungen in Ih-Eis wurde jüngst ein Modell entwickelt. Dieses Modell beruhte auf gewissen Annahmen, nämlich dass Übergänge durch kooperative Bewegungen von H2O–Molekülen im Kern der Versetzungen auftreten. Zwischen der Geschwindigkeit v d linearer Defekte und der Scherspannung τ oder Temperature T besteht eine Beziehung. Diese Beziehung zeigt, dass v d bei kleinen werten von τ und (oder) T sich mit τ linear verändert, jedoch schneller bei höheren Spannungen; diese Nichtlinearität ist umso ausgesprochener, je höher die Temperatur ist. Eine derartige Analyse wird auf den Fall von Verunreinigungs-effekten erweitert, hier auf die Verunreinigung mit HF (Fluorwasserstoff). Es zeigt sich, dass sich eine starke Akkumulation von HF-Molekülen in den Versetzungskernen einstellt, die ein Anwachsen der Über-gangsrate bewirkt. Die Ergebnisse passen gut zu experimentellen Daten, sowohl hinsichtlich der Versetzungs-geschwindigkeit wie der inneren Reibung bei hoher Temperatur in HF-verunreinigtem Eis.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1980
Figure 0

Fig. 1. Experimental points and theoretical curves giving the dislocation velocity in pure ice (a) and HF-doped ice (b).

Figure 1

Fig. 2. Internal friction versus temperature before HF doping (dashed line) and after doping for five different specimens (curves 1 to 5).

Figure 2

Fig. 3. Internal friction versus strain amplitude before (a) and after (b) HF doping.

Figure 3

Fig. 4. Linearized approximation of the variation of the free enthalpy with temperature in the case of liquid water, ice, and non-crystalline core phase.

Figure 4

Table I. Values of parameters for HF-doped ice

Figure 5

Fig. 5. Phase diagram HF-H20; experimental points are given by Haltenorth and Klinger (1977).

Figure 6

Fig. 6. Theoretical values of r*(HF) versus temperature with [HF]C = 10–5; KS = 5 × 103; ΔS1 = 5 × 105 J m–3 K–1; γ1 = 4 × 10–3 J m–2 (A) or 7 × 10–2 (B); ΔHHF = 109 (a), 2 × 109 (b), 2.5 × 109 (c) J m–3; and ΔSHF = 3.66 × 106 (a), 7.33 × 106 (b), 9.14 × 106 (c) J m–3 K–1, Dashed lines: [HF]C = 0.

Figure 7

Fig. 7. Concentration of broken bonds such as AB as discussed in the text (a) as a function of [HF]C for several temperatures (b).

Figure 8

Fig. 8. Comparison between plots of either logarithm of the slope at zero stress of dislocation velocity (a) or logarithm of low stress internal friction (b) (solid line: pure ice; dashed line: doped ice).

Figure 9

Fig. 9. Concentration C as function of temperature; experimental points obtained from the slope of curves vd(τ) at τ = 0 and theoretical curves obtained with E = 0.105 eV in the case of pure ice (a) or with data of Figure 7 in the case of doped ice (b).

Figure 10

Fig. 10. Variation of r* with temperature; experimental points correspond to X-ray observations in the case of pure ice (a) and of HF-doped ice (b). Theoretical curves are calculated with γ1 = 5 × 103 J m–2, ΔS1 = 5 × 105 J m–3 K–1, ΔHHF = 1.2 × 109 Jm–3, and SHF = 4.4 × 106 J m–3 K–1. All the results obtained by internal friction measurements done an six different specimens of pure ice are in the hatched band.

Figure 11

Fig. 11. Representation of the experimental data of Figure 3 in the diagram , sinh in the case of pure ice (a) or doped ice (b).

Figure 12

Fig. 12. Variation of r* obtained from internal friction measurements done on the same specimen before (black dots) and after (white dots) doping.