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The Core Structure and the Mobility of Dislocations in Ice

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

R. W. Whitworth*
Affiliation:
Department of Physics, University of Birmingham, Birmingham B15 2TT, England
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Abstract

The evidence concerning the velocity of glide of dislocations on the (0001) plane of ice Ih is reviewed and related to atomic processes occurring within or near the dislocation core. The velocity is directly proportional to stress at low stress, with a value of the order of 500 Burgers vectors per second at — 18°C and a stress of 105 N m-2. The usual idea of a dislocation core is that it is “crystalline” in the sense that the linkages between molecules are as far as possible the same as those in the normal lattice. For such a model the disorder of protons presents an obstacle to dislocation movement, and recent theories predict that dislocations should not be able to glide as fast as they are observed to do. Various ways of avoiding this difficulty within the context of a crystalline core are discussed, but none seems likely to be successful. An alternative model is that the core is “non-crystalline”, with a disordered arrangement of mobile molecules within it. The movement of such dislocations should not be seriously impeded by proton disorder. Dislocation mobility would then be limited at least in part by anelastic loss due to the stress-induced order of protons in the surrounding lattice.

Résumé

Résumé

Les données illustant le glissement des dislocations dans le plan (0001) de la glace Ih sont évoquées et reliées aux processus atomiques se produisant à l’intérieur ou à proximité du coeur des dislocations. La vitesse des dislocations est directement proportionnelle à la contrainte τ aux faibles contraintes et a une valeur de l’ordre de 500 fois le module du vecteur de Burgers par seconde à — 18°C et pour τ = 105 N m2. Le coeur d’une dislocation est habituellement considéré comme étant “cristallin” dans la mesure où les liaisons entre molécules sont autant que possible identiques à celles du réseau normal. Dans le cadre d’un tel modèle, le désordre des protons représente un obstacle au mouvement des dislocations mais les théories récentes conduisent à des valeurs de la vitesse plus faibles que les valeurs expérimentales. Diverses hypothèses permettant de surmonter celte difficulté tout en conservant l’idée d’un coeur “cristallin”, sont discutées mais aucune ne s’avère satisfaisante. Nous considérons alors une autre possibilité reposant sur l’hypothèse d’un coeur “non-cristallin” où les molécules, arrangées de façon désordonnée, auraient une grande mobilité. Le mouvement d’une telle dislocation ne devrait pas, dans ces conditions, être sérieusement affecté par le désordre des protons. Toutefois, la mobilité des dislocations doit être, au moins pour une part, limitée par l’anélasticité associée à la mise en ordre sous contrainte des protons dans les régions environnant la dislocation.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Das experimentelle Material über die Gleitgeschwindigkeit von Versetzungen auf der (0001)-Ebene von Eis Ih wird nachgeprüft und in Beziehung zu atomistischen Vorgängen gebracht, die innerhalb oder in der Nähe des Versetzungskerns erfolgen. Bei geringen Spannungen ist die Geschwindigkeit direkt proportional zur Spannung und hat bei — 18°C und einer Spannung von 105 N m-2 eine Grösse von etwa 500 Burgersvektoren pro Sekunde. Üblicherweise stellt man sich den Versetzungen “kristallin” vor, in dem Sinne, dass die Verbindungen zwischen den Molekülen so weit als möglich dieselben sind wie im gewöhnlichen Gitter. In solch einem Modell stellt die Protonenunordnung ein Hindernis für die Versetzungsbewegung dar, und neuere Theorien sagen, dass Versetzungen nicht imstande sein sollten, so schnell zu gleiten wie sie in Wirklichkeit beobachtet werden. Es werden verschiedene Wege besprochen, diese Schwierigkeit im Zusammenhang mit dem kristallinen Kern zu vermeiden, aber keiner scheint wahrscheinlich von Erfolg zu sein. Ein anderes Modell ist der “nichtkristalline” Kern, mit einer gestörten Anordnung von beweglichen Molekülen in seinem Innern. Die Bewegung solcher Versetzungen sollte nicht ernstlich dutch Protonenunordnung behindert werden. Die Versetzungsbeweglichkeit muss dann zumindest teilweise durch inelastische Reibung begrenzt sein, die von der spannungsinduzierten Ordnung von Protonen im umgebenden Gitter herrührt.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1978
Figure 0

Fig. 1. An edge dislocation in a square lattice (after Read, 1953).

Figure 1

Fig. 2. Velocities of dislocations in ice as measured by Maï (1976) using X-ray topography.

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Fig. 3. Collected measurement of dislocation velocity νdas function of stress τ at temperatures of — 15° to — 18°C.M: Maï (1976), X-ray topography. —16°C.FH: Fukuda and Higashi (1973), X-ray topography, — 18°C.JG: Jones and Gilra (1973), X-ray topography, — 15°C, range of values at single stress.HS: Higashi and Sakai (1961), movement of tilt boundary as interpreted by Fukuda and Higashi (1973), — 15°C.FH′: Fukuda and Higashi (1969). X-ray topography, approximate value at high stress and — 22°C, adjusted to equivalent value at — 16°C.The broken line is a line of unit slope passing through the data of Maï.

Figure 3

Fig. 4. The arrangement of molecules in the structure of ice Ih. The c-axis is vertical. Basal slip is normally assumed to occur on planes like SS′or TT′.

Figure 4

Fig. 5. A 60° dislocation lying on a (0001) plane in ice. Diagram (a) is a section in the (1100) plane which includes the Burgers vector b. The large circles represent the oxygen atoms, and the dots a possible set of positions of the protons. Diagram (b) is a projection on to the glide plane of a section of the dislocation (solid line) including a kink at β. The plane xx′is that of diagram (a) and the atoms are similarly labelled. Open circles represent molecules lying immediately above the slip plane and shaded circles those immediately below it. (Reproduced by permission from Whitworth and others 1976.)

Figure 5

Fig. 6. The arrangement of water molecules around a screw dislocation lying along the [1120] axis indicated by the broken line.

Figure 6

Fig. 7. Diagram illustrating movement of nominally 60°flexible dislocation on (0001) glide plane. The circles represent bonds crossing the slip plane, and to simplify the diagram the distortions apparent in Figure 5(b) have been eliminated here. The dislocation is in the position shown by the solid line and circles with dots represent dangling bonds. Bonds shown by open circles are matched to the corresponding dangling bond; bonds shown by solid circles are mismatched. For the arrangeant of protons shown, the dislocation is free to move over positions within the area bounded by the broken lines.

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Fig. 8. Diagram similar to Figure 5(a) showing arrangement in (1120) plane of molecules around a 60°dislocation with a non-crystalline core incorporating 8 lattice sites. The disordered molecules in the core are not shown.