偏析 (材料)のソースを表示

[[材料科学]]において、'''偏析'''（へんせき、segregation）とは、材料の特定領域において[[原子]]や[[イオン (化学)|イオン]]、[[分子]]が濃化する現象を意味する。

偏析は様々な材料において起こりうる。[[多結晶体]]では、[[転位]]や[[粒界]]、積層欠陥や二相界面に不純物が偏析する。[[溶液]]においては、表面や相境界において濃度の[[勾配]]が生じる。

== 応用 ==
偏析は多結晶材料の特性に大きな影響を及ぼす<ref>{{cite journal | author = Y. Mishin, M. Asta, Ju Li | title = Atomistic modeling of interfaces and their impact on microstructure and properties | url = https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645409007526| journal = Acta Materialia |volume = 58 |issue = 4 |pages= 1117-1151| year = 2010 |}}</ref>。例えば、H、O、S、Pなどの元素は粒界脆化を誘起することが知られている。一方、BやCが粒界の強度を向上させたり、有害な[[元素]]を粒界から追い出したりするとの報告もある。

== 偏析の理論 ==
母相中の欠陥濃度と偏析領域 (転位や粒界など) の欠陥濃度の関係について種々の[[理論モデル]]が提唱されている。

=== Langmuir-McLeanの吸着等温式 ===
本モデルは粒界偏析に関する最初のモデル式であり、[[1957年]]にMcLeanにより提唱された<ref>{{cite book | author = D. McLean | title = Grain Boundaries in Metals | publisher = Oxford University Press | pages = 347 | year = 1957 |}}</ref>。本モデルは、以下の仮定に基づいている。
1. 粒界は一様な偏析サイトの集合である。
2. 溶質原子間の相互作用が無視できる。
本モデルによると、母相と粒界のサイト占有率の間には次の関係がある。

: <math>\frac{X_b}{X_b^0-X_b}=\frac{X_c}{1-X_c}\exp \left ( \frac{-\Delta G}{RT} \right ) </math>

ここで，<math>X_b</math>は粒界サイトの占有率，<math>X_b^0</math>は粒界サイトの最大占有率，<math>X_c</math>は母相サイトの占有率，そして<math>\Delta G</math>は単原子の偏析による自由エネルギー変化であり、偏析エネルギー（segregation energy）と呼ばれる。この式は、表面科学におけるLangmuirの吸着等温式と対応している。

<math>\Delta G</math>の値として、McLeanは連続体力学により求めた溶質原子の導入による弾性エネルギー<math>E_{el}</math>を用いた。実際には、弾性エネルギーに加えて静電エネルギーや量子力学の効果も<math>\Delta G</math>に影響すると考えられる。密度汎関数理論や原子間ポテンシャルを用いた理論計算により、高精度に<math>\Delta G</math>を評価できる。

== 脚注 ==
{{脚注ヘルプ}}
{{Reflist}}

{{デフォルトソート:へんせき}}
[[Category:物質科学]]
[[Category:表面科学]]