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The Glide Direction in Ice*

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

W. Barclay Kamb*
Affiliation:
California Institute of Technology, Pasadena, Calif.
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

The failure to detect experimentally a glide direction in the ice crystal is satisfactorily explained by assuming that the crystal glides simultaneously in three symmetry-equivalent directions with a response to the shear stress component in each direction that is the same as that observed for the crystal as a whole or for polycrystalline aggregates—the typical non-linear, power-type flow law. A hexagonal crystal responding to stress by this type of “non-linear crystal viscosity” behaves very differently from a tetragonal one. For a tetragonal crystal, the glide directions are well defined in the response of the crystal if the power-flow-law exponent n exceeds n ~ 1·5, whereas for a hexagonal crystal a well-defined glide direction can be observed only if n > c. 5. The response of a hexagonal crystal is entirely independent of a-axis orientation if n = 3 exactly. For 3 < n < c. 5 the true glide direction should be weakly apparent, whereas for 1 < n < 3 the crystal should show a response weakly suggestive of preferred glide in a direction perpendicular to the true glide direction. In the observed range of n values for ice, 2 < n < 4, the expected response to simultaneous glide differs so slightly from the hitherto-postulated a-axis-independent, “non-crystallographic” glide as to be practically undetectable experimentally. This circumstance makes it possible to identify <>as the glide direction, from structural considerations alone, and to accommodate the plastic properties of the ice crystal into the modern concepts of crystal plasticity. It may be expected that hexagonal close packed and face-centred cubic metals at high temperatures, in steady state creep, will show translation gliding without well-defined glide directions.

Résumé

Résumé

Le fait que l’on ne peut déterminer expérimentalement une direction de glissement de la glace peut s’expliquer en supposant que le cristal glisse simultanément dans trois directions symétriquement équivalentes avec une réponse à la composante de la contrainte de cisaillement dans chaque direction qui est la même que ce que l’on observe pour l’ensemble d’un cristal ou pour un aggregat polycristallin—la loi d’écoulement typique nonlinéaire. Un cristal hexagonal se déformant sous contrainte par ce type de “viscosité cristallographique non linéaire” se comporte bien différemment qu’un cristal tetragonal. Pour un cristal tetragonal, les directions de glissement sont bien definies pendant sa déformation si l’exposant n de la puissance de la loi d’écoulement dépasse n ~ 1,5, alors que pour un cristal hexagonal une direction de glissement bien définie ne peut s’observé que si n > c. 5. La déformation d’un cristal hexagonal est entièrement indépendante de l’orientation ele l’axe a si n = 3 exactement. Pour 3 < n < c. 5, la véritable direction de glissement n’apparaît que faiblement, alors que pour 1 < n < 3 le cristal montrerait une déformation peu suggestive de glissement préférentiel dans une direction perpendiculaire à la vraie direction de glissement. Pour la glace, dans l’intervalle observé de 2 < n < 4, la déformation attendue de glissement simultané diffère si peu du glissement “non cristallographique”, jusqu’ici supposé indépendant de l’axe a, qu’elle n’est practiquement pas décelable par l’experience. Ce fait permet d’idengifier <> comme une direction de glissement, uniquement à partir de considérations structurales, et d’adapter les propriétés plastiques du cristal de glace aux conceptions modernes de la plasticité cristallographique. On peut s’attendre à ce que des métaux hexagonaux serrés et des métaux cubiques a faces centrées montreront à de hautes températures et sous fluage stationnaire un glissement de translation sans directions de glissement bien definies.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Das Fehlen einer experimentell feststellbaren Gleitrichtung im Eiskristall wird befriedigend erklärt durch die Annahme, dass der Kristall simultan in drei symmetrisch gleichwertigen Richtungen gleitet, wobei die Gleitgeschwindigkeit in jeder dieser Richtungen unter der zugehörigen Scherspannungskomponente dem gleichen Fliessgesetz folgt, wie es auch für den Kristall gesamthaft oder für polykristallines Eis gilt nämlich dem typischen Potenzgesetz. Ein hexagonaler Kristall verhält sich bei dieser Art “nichtlinearer Kristallviskosität” ganz anders als ein tctragonaler. Beim tetragonalen Kristall sind bei der Verformung des Kristalls die Gleitrichtungen ausgeprägt, wenn der Exponent n im Fliessgesetz den Wert n ~ 1,5 überschreitet; beim hexagonalen Kristall hingegen werden die Gleitrichtungen erst ausgeprägt, wenn n > c. 5. Das Gleiten eines hexagonalen Kristalles geht völlig unabhängig von der Orientierung der a-Achsen vor sich, wenn genau n = 3. Im Bereich 3 < n < c. 5 sollte die wahre Gleitrichtung schwach zum Vorschein kommen; innerhalb 1 < n < 3 sollte hingegen das Verhalten des Kristalls cinc schwach bevorzugte Gleitbewegung andeuten, die senkrecht zur wahren Gleitrichtung steht. Innerhalb Iles beim Eiskristall beobachteten Bereiches 2 < n < 4 weicht der Vorgang des simultanen Gleitens so wenig von dem ab, was bisher als a-Achsen unabhängiges, “nicht-kristallographisches” Gleiten angenommen wurde, dass die zwei Bewegungsformen kaum experimentell zu unterscheiden sind. Dieser Umstand gestattet es, aus rein strukturellen Rücksichten <>als Gleitrichtung zu erklären, und dadurch die Plastizitätseigenschaften dcs Eiskristalles in Einklang mit modernen Ansichten über die Kristallplastizität zu bringen. Es ist zu erwarten, dass bei hohen Temperaturen hexagonale Metalle und auch andere Kristalle unter stetigem Kriechen Gleitung ohne ausgeprägte Gleitrichtung aufweisen werden.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1961
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Fig. 1. Diagram illustrating simultaneous glide parallel to the basal plane (001) in a tetragonal crystal. Direction of the shear stress vector acting across (001) is shown by τ, and the direction of the resultant gliding motion by v. The glide directions are a1 and a2

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Fig. 2. Response of a tetragonal crystal to simultaneous glide. The azimuth ϕ of the gliding motion is plotted (in degrees) as a function of the azimuth θ of the applied shear stress for four values of the power-law exponent n. It is seen that for n > 1 the motion tends strongly in the glide direction, which lies at azimuth o°

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Fig. 3. Diagram illustrating simultaneous glide parallel to the basal plane (0001) in a hexagonal crystal. The glide directions are a1, a2 and a3, while the “secondary axes” a1′, a2′ and a3′ are perpendicular to the directions a1, a2 and a3 respectively. τ is the direction of the shear stress vector acting across (0001) and v is the direction of the resultant gliding motion. The x and y cartesian axes are parallel respectively to a1 and a1′.

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Fig. 4. Response of a hexagonal crystal to simultaneous glide on (0001). The deviation δ = θ − ϕ between the azimuth θ of the applied shear stress and the azimuth ϕ of the resulting motion is plotted, in degrees, as a function of θ for four values of the power-law exponent n. Positive δ represents deviation toward the nearest glide direction, negative δ deviation away from it

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