金属中的晶界偏聚

主要晶界偏聚现象不仅在金属材料中存在，也在陶瓷材料中存在，也在薄膜材料中存在，也在纳米材料中存在，是绝大多数材料中都存在的一种溶质在界面处自发富集的自然现象，对材料性能的影响不仅体现在弹性、塑性、韧性等力学性能方面，还体现在光性能、电性能、磁性能、热性能等物理性能方面，以及氧化、热腐蚀、电化学腐蚀、催化等化学性能方面，对材料性能的影响极为广泛。

 

介绍了偏聚现象发现100多年来的实验和理论研究成果，汇总了大量的实验数据并进行了充分的梳理和剖析，澄清了晶界偏聚和溶质扩散方面被广大学生和研究人员错误理解的概念，从热力学角度揭示了晶界偏聚的本质以及行为规律。主要包括七个方面的内容：晶界偏聚现象及其重要性简述，晶界结构、几何关系以及热力学表征，晶界偏聚测量方法以及计算机模拟手段评述，平衡晶界偏聚实验和理论成果，平衡晶界偏聚行为的影响因素及规律，非平衡晶界偏聚动力学以及晶界偏聚和移动的交互作用，晶界偏聚对冶金现象和物理化学性能的关联性。

郑磊，北京科技大学材料科学与工程学院，教授，博士生导师，德国洪堡学者。从事溶质晶界偏聚、高温合金和特殊钢的微观组织与宏观性能关联性、合金氧化与腐蚀行为、材料成型与模拟仿真等研究。先后承担国际级、国家级和省部级项目15项。在国内外期刊共发表论文105篇。获国际矿业冶金材料联合会奖（当年国内唯一获奖者）。2012年、2014年两次担任南非国家研究基金通讯评审专家，2013年入选北京市科委专家库，2015年入选教育部专家库，2016年入选冶金科学技术奖评审专家库、国家自然科学基金委通讯评审专家。

第1章导论

第2章晶界： 晶界描述，晶界结构，晶界热力学

2.1晶界的晶体学描述

2.2晶界的原子结构

2.2.1低角度晶界

2.2.2高角度晶界

2.3高角度晶界的分类

2.3.1重合位置点阵模型

2.3.2晶面间距

2.3.3晶界平面的层次结构

2.4晶界的基本热力学

第3章研究晶界偏聚的方法

3.1基本定义和术语

3.2研究晶界偏聚的实验方法

3.2.1表面分析技术

3.2.2显微技术

3.3研究晶界偏聚的理论方法

3.3.1量子力学方法

3.3.2原子间的势能

3.3.3模拟技术

第4章平衡晶界偏聚模型

4.1晶界偏聚热力学

4.2Gibbs吸附等温式

4.3LangmuirMcLean型偏聚等温线

4.3.1偏聚等温线中热力学态函数的物理意义

4.3.2LangmuirMcLean模型

4.3.3相互作用的多组分体系中晶界偏聚的Guttmann模型

4.3.4Fowler模型

4.3.5晶界偏聚的其他模型

4.3.6不同偏聚位点的模型

4.4界面偏聚的热力学函数模型

4.4.1Wynblatt和Ku模型

4.4.2Seah模型

4.4.3Miedema模型

4.4.4Kumar模型

4.4.5Mukherjee和MornLópez模型

4.4.6BFS模型

4.4.7SMATBIM方法

 

 

第5章平衡晶界偏聚的影响因素

5.1温度与基体成分

5.2压力

5.3磁场效应

5.4晶界能

5.5偏聚元素的性质

5.5.1截断BET等温线

5.5.2晶界偏聚图

5.5.3焓熵补偿效应

5.6晶粒度

5.7晶界偏聚的预测

5.7.1Lejěek和Hofmann模型

5.7.2Wynblattshi模型

第6章非平衡偏聚原理

6.1晶界偏聚动力学

6.1.1Fick方程的半无限解

6.1.2层模型(HofmannErlewein模型)

6.1.3有限反应率模型

6.2非平衡偏聚

6.2.1热诱导偏聚

6.2.2辐射诱导偏聚

6.2.3应力诱导偏聚

6.2.4晶界偏聚和迁移

第7章晶界偏聚及相关现象

7.1晶界凝聚

7.1.1晶界凝聚和回火脆化

7.1.2氢脆

7.1.3其他类型的非反应性环境脱粘

7.2晶界腐蚀

7.2.1腐蚀

7.2.2应力腐蚀开裂

7.3晶界扩散

7.3.1晶界扩散的基本原理

7.3.2晶界扩散与偏聚的关系

7.4晶界工程

附录A晶界偏聚参数

A.1偏聚的焓，熵和吉布斯自由能

A.2交互系数

附录B偏聚焓和偏聚熵的预测值

参考文献

在我有了晶界偏聚领域20年的经验之后，2004年夏天萌生了写一本关于晶界偏聚方面的书的想法。 事实上，有人向我提了一些建议，因为我确信自己没有足够的能力认真对待它。然而，一旦这个想法被构想出来，它就开始像苹果中的蠕虫一样侵蚀我的脑海。不久，我开始深入思考这本书的形式和内容，广泛搜索文献资料，并着手进行写作。现在——几年后——我决定完成撰写，就是你目前能看到的成果。
尽管100多年前观察到了晶界偏聚现象的影响，并且已经在理论上进行了描述，而且在实验上观察了数十年，但仍然存在许多困惑和误解，这导致了错误的结论和错误的建议。我主要试图总结金属中平衡晶界偏聚的基本原理，这将加强对相关热力学函数的理解。另外我将描述各个变量对晶界偏聚现象的影响。尽管本书提供了实验者对这一现象的看法，但我相信，这种方法可以帮助读者理解晶界偏聚这种现象的各个方面，并从更一般的角度看待所获得的结果——无论是理论的还是实验的。
本书由若干章节组成。在简要介绍(第1章)之后，第2章中将给出关于晶界结构的信息，以及晶界的几何和热力学描述，这是进一步阅读所需的基础。第3章致力于概述用于测量界面化学和晶界偏聚的计算机模拟的实验方法。第4章是目前对平衡晶界偏聚的热力学描述。 第5章是关于这一过程的各种影响的讨论，本章对晶界偏聚的各向异性行为及其预测给予了极大的关注。第6章提供了晶界偏聚的动力学和非平衡偏聚的基本特征，包括晶界偏聚和迁移的相互作用。第7章专门讨论晶界偏聚对某些物理化学性质和冶金现象的影响。
我深信读者会将这本书作为一种从许多方面阐明晶界偏聚的认真尝试来予以接受——尽管不是全部方面。

Pavel Lejek

Prague2010年5月