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