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Structure and Behaviour of Grain Boundaries in Polycrystalline Ice

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

Akira Higashi*
Affiliation:
Department of Applied Physics, Faculty of Engineering, Hokkaido University, Sapporo, Japan 060
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Abstract

Recent progress in studies of the structure and behaviour of grain boundaries in ice are reviewed. As a lattice geometrical model of the boundary, the coincidence-site lattice (CSL) model is considered for ice crystals. Some evidence of the validity of this model is presented through observations of special shapes of natural snow, results of grain-boundary energy measurements, and direct microscopic observations of boundaries by X-ray diffraction topography. Although methods of measurement of grain-boundary energy have been developed recently, results are still not adequate to be analysed in terms of real energetics for comparison with models of atomic bonding. Modern methods of observing grain boundaries in ice using X-ray diffraction topography are described. Observations of migrating boundaries have revealed that faceting along most closely packed CSL points impede the migration of the CSL boundaries whilst increased numbers of steps among facets with boundaries of other kinds enhance it. The mobility of a fast-moving boundary has been determined to be of the order of 10-10 cm3 dyn-1 s-1 (10-11 m3 N-1 s-1) either in the case when the driving force is the capillary force due to the boundary energy or when it is the stored energy of dislocations.

Résumé

Résumé

Nous passons en revue les progrès récents concernant la structure et le comportement des joints de grains dans la glace. Nous avons considéré le modèle géométrique des réseaux en coïncidence et l’avons appliqué au cas de la glace. La validité d’un tel modèle est appuyée par l’observation de certaines formes particulières de la neige naturelle, les résultats relatifs aux mesures d’énergie de joint de grains et les observations directes de joints par topographie aux rayons X. Malgré les développements récents des méthodes de mesure de l’énergie de joint de grains, les résultats ne sont pas encore suffisants pour être analysés en terme de théorie atomique. Nous décrivons une nouvelle méthode d’observation des joints de grains dans la glace à l’aide de la diffraction des rayons X. L’observation de la migration des joints révèle que l’accolement de grains sur un plan à haute densité de site en coïncidence conduit à un joint moins mobile alors que les autres joints, présentant des marches, sont plus mobiles. La mobilité des joints les plus rapides a été déterminée et est de l’ordre de 10-10 cm3 dyn-1 s-1 (10-11 m3 N-1 s-1) soit dans le cas où la force motrice est associée à l’énergie de joint soit dans celui où cette force motrice est associée à l’énergie de défauts (dislocations).

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Es wird ein Überblick über die jüngsten Fortschritte bei den Untersuchungen der Struktur und des Verhaltens von Korngrenzen in Eis gegeben. Als ein gittergeometrisches Modell der Korngrenze wurde das Koinzidenzstellengitter-(CSL-) modell bei Eiskristallen betrachtet. Einige Beweise für die Gültigkeit dieses Modells wurden durch die Beobachtungen besonderer Formen natürlichen Schnees, durch die Messung der Korngrenzenenergie und unmittelbare mikroskopische Beobachtungen der Korngrenzen durch Röntgenbeugungs topographie vorgelegt. Obwohl Verfahren für die Messung der Korngrenzenenergie vor kurzem entwickelt wurden, sind die Ergebnisse immer noch nicht ausreichend, um vom Standpunkt wirklicher Energieverhältnisse mit bestimmten Modellen der atomaren Bindungen untersucht werden zu können. Ein neues Beobachtungs-verfahren für Korngrenzen in Eis mit Röntgenbeugungstopographie wird beschrieben. Beobachtungen wandernder Korngrenzen zeigten, riass Facettenbildung entlang dichtest gepackter CSL-Punkte die Wanderung der CSL-Grenzflächen hindert, während erhöhte Stufenzahl zwischen Facetten mit Grenzflächen anderer Art sie vergrössert. Die Beweglichkeit der sich schnell bewegenden Korngrenze wurde in der Grössenordnung von 10-10 cm3 dyn-1 s-1 (10-11 m3 N-1 s-1) bestimmt, entweder im Fall einer Kapillarkraft infolge der Grenzenergie als treibender Kraft oder im Fall gespeicherter Versetzungsenergie als Quelle der treibenden Kraft.

Information

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

Table 1. Coincidence-Site Lattices Formed by Rotations about <1010> and <1010> of Simple Hexagonal Lattices, Σ < 50

Figure 1

Fig. 1. Coincidence-site lattice composed from simple hexagonal lattices, combinations of even and odd numbers for a pair of (n, m) in Table I give different shapes, (a) for odd n and odd m, (b) odd n and even m, (c) even n and odd m. In every case, O is origin and OS is the rotation axis for constructing bicrystals. With the rotation axis <1210>, OP = [m,o,m,n], OS = , and OR = . With the rotation axis <1010>, OP = , OS = , and OR = .

Figure 2

Table 2. CSL Relationship for Possible Coincidence Boundaries on (0001) in Rotation Twinning (After Kobayashi and Others, 1976)

Figure 3

Fig. 2. Twelve-branched snow crystal θ = 22° (after Kobayashi and Furukawa, 1975).

Figure 4

Table 3. CSL Relationships for Possible Twins (After Kobayashi and Others, 1976)

Figure 5

Fig. 3. Illustration of a bonding structure along a composition boundary in a twin. Bondings are perfect at coincidence sites indicated by arrows (after Kobayashi and others, 1976).

Figure 6

Fig. 4. A frequency histogram of measured angle between the c-axes of each component in a combination of bullets lying on the same plane of photographs (after Kobayashi and others, 1976).

Figure 7

Fig. 5. Section of a groove between two grains of ice in equilibrium with water vapour.

Figure 8

Fig. 6. Triple node of three grain boundaries of ice in equilibrium. See Equation (8).

Figure 9

Fig. 7. Relative values of grain-boundary energy with respect to misorientation angles θ between the c-axes of the two adjacent grains of ice. Boundary energy at θ = 50° was taken as standard (after Suzuki, 1970).

Figure 10

Fig. 8. A pair of X-ray diffraction topographs taken with (1120) reflection for grain 1 (a) and 2 (b) between which a boundary lies as shown in (c) (after Hondoh and Higashi, 1978).

Figure 11

Fig. 9. Schematic illustration of a specimen for experiments by Sun and Bauer’s method: (a) ω?and (b) ω(Hondoh, unpublished).

Figure 12

Fig. 10. Tracings from X-ray topographs of a boundary migrating under the action of capillary forces (a), and an example of wavy intersections of the fast-moving boundary on a topograph (b). Time intervals between numbered lines in (a) are: 66 h between 1 and 2 (treatment at — 20°C), 70 h between 2 and 3 (— 5°C), 50 h between 3 and 4 (— 5°C).

Figure 13

Fig. 11. Traces of the moving boundary around a recrystallized grain in a bent single crystal of ice (a), and an illustration to show the driving forces in such a case (b).