Thermodynamics of interfacial segregation in metals and ceramics

Max-Planck-Institut fur Metallforschung, Institut fur Werkstoffwissenschaften, Seestrasse 92, D-7000 Stuttgart 1/FRG, Allemagne.

Abstract

A framework of our present understanding of the thermodynamics of solute segregation in metals and alloys is presented, based on the Langmuir-McLean adsorption theory and its modifications. The importance of solute-solute interactions in binary and multicomponent systems is pointed out for site competition and cosegregation. Besides the bulk activity of the solute, the key parameter for the amount of interfacial solute enrichment is the free energy of segregation, for which several predictive models based on the quasi-chemical and electronic structure approach exist. The experimental evidence of the dependence of segregation on grain boundary orientation is supported by computer modelling of the atomistic structure of grain boundaries. In ceramic materials, interfacial segregation is more difficult to interpret. Charge compensation and defect structure play an important role. The influence of segregation on materials properties is briefly discussed.

Résumé

Présentation de notre compréhension actuelle de la thermodynamique de ségrégation des solutés dans les métaux et alliages, basée sur la théorie de l’adsorption de Langmuir-Mc Lean et ses modifications. On montre l’importance des interactions soluté-soluté dans les systèmes binaires et à composants multiples, pour la concurrence de site et la coségrégation. Outre l’activité du soluté dans la masse, le paramètre clé pour le degré d’enrichissement interfacial en soluté est l’énergie libre de ségrégation, dont il existe plusieurs modèles aptes à la prévision, fondés sur des approches quasi-chimique ou de structure électronique. Les preuves expérimentales de l’influence de l’orientation du joint de grain sur la ségrégation sont étayées par la modélisation de la structure atomique du joint de grain. Dans les céramiques la ségrégation interfaciale est plus difficile à interpréter. La compensation de charge et les défauts de structure jouent un rôle important. L’influence de la ségrégation sur les propriétés des matériaux est brièvement discutée.