结构推理
Bi在多晶体Cu的晶界上偏聚后使Cu变脆。①估算室温下Bi在晶内的浓度为多大?设Cu的晶粒直径约为0.01mm.Bi在Cu晶界上的畸变能可忽略,设Bi原子在晶内引起的畸变能为,晶界为单原子层,。原子体积约为。②估计在Cu中Bi的平均浓度多大时能发生这种现象。
【正确答案】解:①晶界偏聚的浓度公式是:,其中是在晶界的原子位置分数;和分别是晶界中和晶内的溶质原子分数;是溶质原子在晶界与在晶内的自由能差。上式可以改写成
现在,故
即
结果
②关于平均浓度,首先要把单位晶体内所有溶质原子数计算出来。以立方体表示一个晶粒,设原子体积为,则单位体积中的总原子数为;晶界厚度约为、晶粒直径为(立方体的边长)d、单位体积中晶界体积为,则单位体积中晶界的原子位置数为;单位体积中晶粒内的体积为,则单位体积中晶界的原子位置数为。平均浓度等于在单位体积中在晶界的Bi原子数加上单位体积中在晶内的Bi原子数再除以单位体积中的总原子数,即
这个结果说明很低的平均浓度下就会发生这种危害的偏聚。
【答案解析】