Plastic deformation of quartz single crystals

Dry and wet quartz single crystals with various orientations have been deformed, mostly in uniaxial compression, in a temperature range 400-1300°C and the induced dislocation structure has been studied in TEM. Dry quartz (H/Si < 80 ppm) appears to be quite strong. At T = 1300°C for a deviatoric stress ⋍ 1000 MPa it still exhibits a brittle behaviour. Dislocations with crystallographically controlled directions are induced only at the crack tips. Wet crystals (500 < H/Si < 1000 ppm) show a ductile regime at moderate temperature (450 to 700°C). a and c glides have similar flow stresses and one observes in TEM a progressive change of the dislocation substructure as the deformation proceeds : the beginning of the deformation seems to be controlled by lattice friction (dislocations with marked crystallographic orientations) ; for larger strain, recovery configurations (subgrain boundaries) occur while hardening is observed on the stress-strain curves. Such an evolution of the plastic behaviour of wet quartz is attributed to the slow but continuous precipitation of water during the course of the deformation process. A thermodynamic approach is used to calculate the equilibrium water concentration and the kinetic aspect of water precipitation. The results suggest that, at least for a prismatic glide, the initial dislocation multiplication, at the very beginning of the deformation, is probably driven by water precipitation (which is accompanied by the nucleation of a large density of small dislocation loops). The possible mechanisms for dislocation glide in dry and wet quartz are also discussed.Des monocristaux de quartz sec et humide avec diverses orientations ont été déformés, principalement en compression uniaxiale, à des températures comprises entre 400 et 1300°C et les sous-structures de dislocations ont été observées en MET. Le quartz sec (H/Si < 80 ppm) apparaît très dur. À T = 1300°C et pour une contrainte déviatorique ⋍ 1000 MPa, il présente encore un comportement fragile. C'est seulement en tête de fissure que sont induites des dislocations qui présentent des directions cristallographiques. Les cristaux humides (500 < H/Si < 1000 ppm) présentent un régime ductile à température modérée (450 à 700°C). Les glissements a et c ont des contraintes d'écoulement similaires et on observe en MET un changement progressif de la sous-structure de dislocations avec la déformation. Le début de la déformation semble contrôlé par de la friction de réseau (dislocations présentant des directions cristallographiques marquées) ; pour des déformations plus grandes, des sous-structures de restauration apparaissent (sous joints) tandis que les courbes contrainte-déformation présentent du durcissement. On attribue ce comportement plastique du quartz humide à la précipitation lente mais continue de l'eau au cours de la déformation. On utilise une approche thermodynamique pour calculer la concentration d'équilibre en eau et l'aspect cinétique de sa précipitation. Les résultats suggèrent que, au moins pour le glissement a prismatique, la multiplication initiale des dislocations au tout début de la déformation plastique est probablement due à la précipitation de l'eau (qui s'accompagne de la nucléation d'une grande densité de petites boucles de dislocations). Les mécanismes possibles de glissement dans le quartz sec et humide sont également discutés.Doukhan Jean-Claude, Trépied Louis. Plastic deformation of quartz single crystals. In: Bulletin de Minéralogie, volume 108, 1, 1985. pp. 97-123

A Survey of Query Languages for Geographic Information Systems

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Evidence of ⟨a + c⟩ dislocations in synthetic quartz single crystals compressed along the c axis

When compressed along the c axis, quartz single crystals can accomodate deformation either by pure climb of ⟨c⟩ and ⟨a⟩ dislocations or by glide of ⟨c + a⟩ dislocations in rhombohedral and pyramidal planes {10[-1]1}, {11[-2]2} and {10[-1]1}. Detailled TEM investigations on samples deformed at high temperature clearly show ⟨c + a⟩ dislocations lying in {10[-1]1} and {11[-2]2} planes. The various possible mechanisms (climb versus glide) for this orientation are discussed.Lors de compression parallèlement à l'axe c, les monocristaux de quartz peuvent accommoder la déformation soit par montée de dislocations ⟨a⟩ et ⟨c⟩ soit par glissement de dislocations ⟨c + a⟩ dans les plans rhomboédriques {10[-1]1} ou pyramidaux {11[-2]2} et {11[-2]1}. Une étude détaillée en microscopie électronique à transmission, montre effectivement que les dislocations ⟨c + a⟩ existent et sont confinées dans les plans {10[-1]1} et {11[-2]2} ; les différents mécanismes de déformation (montée et/ou glissement) sont discutés.Trépied Louis, Doukhan Jean-Claude. Evidence of ⟨a + c⟩ dislocations in synthetic quartz single crystals compressed along the c axis. In: Bulletin de Minéralogie, volume 105, 2, 1982. pp. 176-180

Plasticity of quartz : crystallographic models and T. E. M. observations

A simplified crystallographic model of quartz is proposed. Only Si atoms are represented and each Si is assumed to be bound to its first four Si neighbours by covalent bonds (representing the true Si — O — Si bonds) along the directions of an sp3 hybridization. Using this approach, it becomes possible to look for possible dissociations of dislocations which govern the plastic behaviour. For a dislocations, dissociation into two colinear partials (a → 1/2 a + 1/2 a) is possible in the planes {1010} and {1011} which can thus be glide planes. For the basal plane which is generally assumed to be the easiest glide plane, comparison with Brazil twins suggests that a low fault energy can be obtained if the fault displacement is distributed over several parallel planes, leading to a zonal dissociated dislocations. All these models are confirmed by T. E. M. observations in weak beam conditions. They allow several features of low temperature deformation to be understood (formation of microtwins, high strain hardening and severe increase of the dislocation density during basal a glide) . Another possibility to deduce the possible glide systems of quartz consists in the systematic study of the subgrain boundaries owing to the Frank's formula for the theoretical predictions and by T. E. M. observations for the experimental part of this work. Observations on annealed samples of naturally deformed quartz exactly correspond to the theoretical predictions. This confirms that possible glide systems for quartz are a glide in {0001}, {1010} and {1011} and c glide in {1210} .On propose un modèle cristallographique simplifié pour le quartz où seuls les atomes Si sont représentés. Chaque Si est supposé lié à ses quatre Si premiers voisins par des liaisons covalentes (re¬ présentant les liaisons Si — O — Si) dans les directions d'une hybridation sps. Il est alors possible de re¬ chercher les dissociations possibles des dislocations qui gouvernent le comportement plastique. Pour les dislocations a, une dissociation en deux partielles colinéaires (a → 1 /2 a + 1 /2 a) est possible dans les plans {1010} et {1010} qui peuvent donc être des plans de glissement. Pour le plan de base qui est généralement supposé être le plan de glissement le plus facile, une comparaison avec les macles du Brésil indique que l'on peut obtenir une faute de faible énergie si le vecteur de faute est distribué sur plusieurs plans parallèles, ce qui produit une dislocation a zonale dissociée. Tous ces modèles ont été confirmés par microscopie électronique en utilisant la méthode des faisceaux faibles. Ces modèles permettent de comprendre un certain nombre de phénomènes liés aux déformations à basse température (formation de micromacles, fort durcissement et sévère augmentation de la densité de dislocations lors du glissement a basai). L'étude systématique des sous-joints permet également de déduire les systèmes de glissement possibles du quartz. L'étude théorique est basée sur la formule de Frank et comparée aux observations en microscopie électronique sur échantillons déformés naturellement et recuits. Les observations sont en excellent accord avec les prédictions théoriques. Ceci confirme que les systèmes de glissement du quartz sont le glissement a dans les plans {0001}, {1010} et {1011} et le glissement c dans {1210}.Doukhan Jean-Claude, Trépied Louis. Plasticity of quartz : crystallographic models and T. E. M. observations. In: Bulletin de Minéralogie, volume 102, 2-3, 1979. Mécanismes de déformation des minéraux et des roches