Metalliseosten kiteytysprosessia ja monia siihen liittyviä metalliseosten rakennemalleja kuvataan faasitasapainokaavioita käyttämällä. Nämä kaaviot esittävät sopivassa graafisessa muodossa faasikoostumuksen ja rakenteen lämpötilan ja pitoisuuden funktiona. Kaaviot on piirretty tasapainoolosuhteille; tasapainotila vastaa pienintä vapaan energian arvoa.

Vaihekaavioiden tarkastelu mahdollistaa vaihemuutosten määrittämisen erittäin hitaita jäähtymisen tai lämmityksen olosuhteissa. Vaiheiden lukumäärän muutosmalli heterogeenisessä järjestelmässä määräytyy vaihesäännön mukaan.

Vaihe– järjestelmän homogeeninen osa, joka on erotettu järjestelmän muista osista (vaiheista) rajapinnalla ja jonka aikana aineen kemiallinen koostumus tai rakenne muuttuu äkillisesti.

Fysikaalis-kemiallisia tasapainoja tutkittaessa lämpötila ja paine otetaan lejeeringin tilaan vaikuttaviksi ulkoisiksi tekijöiksi. Kun vaihesääntöä sovelletaan metalleihin, on monissa tapauksissa mahdollista hyväksyä muuttuvaksi vain yksi ulkoinen tekijä - lämpötila, koska paineella, lukuun ottamatta erittäin korkeaa painetta, on vain vähän vaikutusta faasitasapainoon kiinteässä ja nestemäisessä tilassa. Sitten tasapainoehdot täyttävien stabiilien faasien olemassaolon yleiset lait ilmaistaan ​​matemaattisessa muodossa vaihesäännöllä (Gibbs-sääntö) ja vakiopaineessa seuraava yhtälö:

C = K + 1 - ,

Missä TO– järjestelmän komponenttien lukumäärä; - vaiheiden lukumäärä; KANSSA– vapausasteiden lukumäärä (järjestelmän vaihtelu).

Vapausasteiden lukumäärä C on riippumattomien sisäisten muuttujien (faasikoostumus) ja ulkoisten (lämpötila, paine) tekijöiden lukumäärä, joita voidaan muuttaa muuttamatta tasapainofaasien lukumäärää. Seosten vaihemuunnoksissa vastikään muodostuvan faasin vapaan energian ei välttämättä tarvitse olla alhaisempi kuin alkuperäisessä, vaan koko järjestelmän vapaan energian täytyy välttämättä pienentyä faasimuunnosprosessin aikana.

Vapaan energian käyristä voidaan muodostaa geometrisesti päätyypit vaihekaavioita. Ne on merkitty lämpötila-konsentraatiokoordinaateiksi massaprosentteina.

Vaihekaavioiden muodostamiseen käytetään N.S.:n kehittämää lämpöanalyysiä. Kurnakov. Yksittäisten metalliseosten jäähtymiskäyrät saadaan kokeellisesti ja niiden muunnosten lämpövaikutuksiin liittyvien taivutusten tai pysähdysten perusteella määritetään vastaavien muutosten lämpötila. Näitä lämpötiloja kutsutaan kriittisiksi pisteiksi.

Tutkittaessa muunnoksia kiinteässä tilassa käytetään erilaisia ​​fysikaalis-kemiallisen analyysin menetelmiä, mikroanalyysiä, röntgendiffraktiota, dilatometristä, magneettista analyysiä jne.

Nestemäisessä tilassa useimmat metallit liukenevat loputtomasti toisiinsa muodostaen yksifaasisen nesteliuoksen. Kaikki lejeeringissä muodostuneet faasit eroavat koostumukseltaan alkuperäisestä nesteliuoksesta. Siksi vakaan alkion muodostamiseksi tarvitaan heterogeenisten vaihteluiden lisäksi myös keskittymisen vaihtelut. Konsentraatiovaihtelut ovat tilapäisiä poikkeamia lejeeringin kemiallisessa koostumuksessa yksittäisissä pienissä tilavuuksissa nestemäistä liuosta sen keskimääräisestä koostumuksesta. Tällaiset heilahtelut syntyvät aineen atomien diffuusioliikkeen ja nesteliuoksen lämpöliikkeiden seurauksena. Uuden faasin ydin voi syntyä vain niissä alkufaasin mikrotilavuuksissa, joiden koostumus atomien pitoisuuden ja järjestelyn vaihteluiden seurauksena vastaa uuden kiteytysfaasin koostumusta ja rakennetta.

Kiteen kasvunopeus nestemäisissä liuoksissa on pienempi kuin puhtaissa metalleissa. Tämä selittyy sillä, että kiteen kasvu vaatii komponenttiatomien diffuusioliikettä nesteliuoksessa.

Tilakaavio on jaettu viivoilla alueisiin. Jotkut alueet voivat koostua vain yhdestä faasista, ja jotkut voivat koostua kahdesta faasista, joilla on erilaiset koostumukset, rakenteet ja ominaisuudet.

Faasikaaviota analysoimalla saadaan käsitys tietyn komponenttijärjestelmän metalliseosten erityisominaisuuksista ja niiden muutosten luonteesta koostumuksesta riippuen sekä seosten lämpökäsittelyn mahdollisuudesta ja sen lämmityslämpötila.

Kaavion tyyppi määräytyy nestemäisessä ja kiinteässä tilassa olevien komponenttien välisten vuorovaikutusten luonteen mukaan.

Vaihekaavio metalliseoksille, jotka muodostavat puhtaiden komponenttien seoksia

Molemmat lejeeringin komponentit ovat rajattomasti liukenevia nestemäisessä tilassa ja liukenemattomia kiinteässä tilassa eivätkä muodosta kemiallisia yhdisteitä eikä niissä ole polymorfisia muutoksia. Yleiskuva kuvion kaaviosta. 3. Faasit: neste - L, kiteet - A ja B.

Linja DIA– kiteytymisen alkamisviiva on viiva likvidus; linja DSE– kiteytymisen lopun viiva on viiva solidus. On line AC kiteet alkavat erottua A; verkossa NE– kristalleja SISÄÄN; verkossa DSE nesteen pitoisuudesta KANSSA kiteet vapautuvat samanaikaisesti A Ja SISÄÄN. Kahden tyyppisen kiteen eutektista seosta, jotka kiteytyvät samanaikaisesti nesteestä, kutsutaan eutektinen.

Riisi. 3. Yleiskuva seosten tilakaaviosta ja jäähtymiskäyristä: 1 – hypereutektinen; 2 – hypoeutektinen; 3 – eutektinen.

Kuvassa Kuvio 4 esittää kaaviomaisesti lejeeringin rakenteen eri kiteytyshetkellä.

Riisi. 4. Seosten rakenne

Vaihekaavion avulla voit jäljittää minkä tahansa lejeeringin faasimuunnoksia ja osoittaa faasien koostumuksen ja kvantitatiivisen suhteen missä tahansa lämpötilassa. Tämä määräytyy segmenttien säännön mukaan.

Komponenttien pitoisuuden määrittäminen kahdessa vaiheessa tietyn pisteen läpi A(Kuva 3.), joka kuvaa lejeeringin tilaa, piirrä vaakasuora viiva, kunnes se leikkaa tätä aluetta rajoittavien viivojen kanssa. Leikkauspisteiden projektiot V Ja Kanssa faasikoostumukset näytetään kaavion vaaka-akselilla V 1 Ja Kanssa 1 . Tämän suoran segmentit pisteen välillä A ja pisteitä V Ja Kanssa, jotka määrittävät faasien koostumuksen, ovat kääntäen verrannollisia näiden faasien määriin:

JA=ac/bc; B = ab/bc.

Nämä säännöt ovat voimassa kaikille vaihekaavion kaksivaiheisille alueille.

Lejeerinkin lujuutta ja muita ominaisuuksia arvioitaessa on pidettävä mielessä, että seoksen osa, jota eutektiikka edustaa, on vahvempi kuin se osa, jota edustavat ylimääräisen faasin suuremmat rakeet.

Vaihekaavio seoksille, joiden liukoisuus on rajoittamaton kiinteässä tilassa

Kuvassa Kuvio 5 esittää faasidiagrammia metalliseoksille, joissa komponenttien liukoisuus on rajoittamaton nestemäisessä ja kiinteässä tilassa ja joissa on samantyyppiset hilat ja samanlainen ulkoisten elektronikuorten rakenne.

Linja AMV– linja likvidus; linja ANSISÄÄN– linja solidus; faasi on kiinteä aineosien liuos A Ja SISÄÄN, tämän faasin rakeissa on yksikidehila, mutta koostumukseltaan eri seoksissa komponenttiatomien lukumäärä A Ja SISÄÄN hilan yksikkösoluissa on erilainen.

α-faasien kiteytyminen eri tyyppisissä seoksissa tapahtuu segmenttien säännön mukaisesti. Tasapainokiteytymisen tapauksessa, joka tapahtuu riittävän alhaisella lejeeringin jäähtymisnopeudella, kiteytymisen lopussa lopulta muodostuneen faasin koostumus A 4 on vastattava alkuperäistä seoksen koostumusta SISÄÄN 1 (tässä tapauksessa seos I). Tämä johtuu jatkuvasta diffuusiosta molempien faasien välillä.

Riisi. 5. Yleiskuva lejeeringin tilakaaviosta ja jäähdytyskäyrästä.

Seoksen nopeutetun jäähdytyksen tapauksessa kiteytymisen aikana diffuusioprosesseilla ei ole aikaa valmistua. Tässä suhteessa kunkin jyvän keskiosa osoittautuu rikastuneeksi tulenkestävämmällä komponentilla SISÄÄN, ja perifeerinen komponentti on matalassa lämpötilassa sulava komponentti A. Tätä ilmiötä kutsutaan dendriittiliuos, mikä vähentää seosten lujuutta ja muita ominaisuuksia.

Dendriittien erottuminen voidaan eliminoida pitkäaikaisella hehkutuksella. Tätä hehkutusta kutsutaan diffuusiohehkutukseksi. Tässä tapauksessa tapahtuvat diffuusioprosessit tasoittavat jyvien kemiallista koostumusta.

Kun muodostuu kiinteä liuos, vetolujuus, myötöraja ja kovuus kasvavat säilyttäen samalla riittävän korkean sitkeyden. Tämä selittyy sillä, että liuenneen alkuaineen atomit on ryhmitelty hilan vääristyneille alueille, mikä häiritsee dislokaatioiden etenemistä.

VAIHEKAAVIO, graafinen esitys olosuhteista (lämpötila, paine, kemiallinen koostumus jne.), joissa yhdestä tai useammasta annetusta aineesta (järjestelmän itsenäisistä komponenteista) koostuvassa termodynaamisessa tasapainojärjestelmässä esiintyy homogeenisia ainetiloja (faaseja) joilla on erilaiset fysikaalis-kemialliset ominaisuudet. Termiä "tilakaavio" käytetään vastaavana termiä "vaihekaavio" (pääasiassa Venäjällä ja Saksassa). Vaihekaaviota kutsutaan kuitenkin usein, varsinkin englanninkielisessä kirjallisuudessa, myös kaavioiksi, jotka eivät suoraan heijasta järjestelmän vaihetasapainoja.

Vaiheet esitetään vaihekaaviossa itsenäisten termodynaamisten muuttujien avaruudessa sijaitsevien käyrien tai pintojen rajoittamien alueiden muodossa. Yleensä tämä on lämpötila T, paine P, järjestelmän x komponenttien mooliosuudet, näiden ja muiden muuttujien funktiot, kuten komponenttien määrien tai pitoisuuksien suhteet, tiheydet p tai moolitilavuudet V m, aineiden osapaineet tai kemialliset potentiaalit μ. Ulkoisten voimakenttien puuttuessa avoimen komponenttijärjestelmän täydellisen vaihekaavion koordinaattiakselien lukumäärä on c+2. Moniulotteisten vaihekaavioiden kuvaamiseen tasossa käytetään niiden poikkileikkauksia ja projektioita, jotka on rakennettu tietyille riippumattomille muuttujille asetettujen rajoitusten alaisina, usein yhdistettynä erityisesti valittuihin koordinaattijärjestelmiin (Jenicken koordinaatit, Gibbs-Rosebohmin kolmiot jne.). Vaihekaavio näyttää: mitkä yksittäiset aineet, nestemäiset, kiinteät tai kaasuliuokset muodostavat tietyt järjestelmän komponentit; missä olosuhteissa tällaiset faasit ja niiden heterogeeniset seokset ovat termodynaamisesti stabiileja; millä termodynaamisten muuttujien arvoilla aineiden faasimuunnoksia tapahtuu järjestelmässä. Faasidiagrammit, jotka sisältävät tietoa faasien kemiallisesta koostumuksesta, mahdollistavat myös rinnakkaisten faasien suhteellisten määrien määrittämisen. Tällaista tietoa tarvitaan monien tieteellisten ja käytännön ongelmien ratkaisemiseen, ja sitä käytetään laajasti kemiassa, metallurgiassa, materiaalitieteessä, geokemiassa ja muilla tieteen ja teknologian aloilla.

Vaihekaavion koordinaatit voivat olla kahden tyyppisiä termodynaamisia muuttujia - termisen, mekaanisen ja kemiallisen tasapainon parametreja T, P, μ, joilla on samat arvot tasapainojärjestelmän kaikissa osissa, tai (yleensä erilaisia ​​eri vaiheissa ) ekstensiivisten ominaisuuksien yleistetyt tiheydet, kuten x, p , V m ja muut ominaisuudet, jotka vastaavat ekstensiivisten suureiden suhdetta järjestelmän aineen määrään, massaan tai tilavuuteen. Tässä suhteessa erotetaan kolme tyyppiä vaihekaavioita. Samantyyppiset kaaviot ovat isomorfisia: niillä on samat topologiset ominaisuudet riippumatta komponenttien lukumäärästä ja koordinaattiakseleiden tiettyjen muuttujien arvoista.

Tyyppisiä (T, P), (T, μ i), (μ i, μ j) ja vastaavia vaihekaavioita, joissa on intensiiviset tasapainoparametrit, esitetään vain vaihealueet ja niitä erottavat viivat (pinnat), jotka osoittavat yksittäisten vaiheiden stabiilisuuden rajat Viivojen leikkauspisteet vastaavat useamman kuin kahden vaiheen tasapainoolosuhteita. Siten yksikomponenttisen järjestelmän (T, P) kaavion kolmoispiste ilmaisee olosuhteet kolmen vaiheen stabiilille rinnakkaiselolle.

Konsentraatioiden, molaaristen ominaisuuksien, tiheyksien akselin läsnä ollessa, kuten esimerkiksi faasikaaviossa (T, x), (P, x), (μ i, x), (T, p), alueet faasistabiilisuuden erottavat muut alueet, jotka heijastavat tasapainofaasien heterogeenisten seosten olemassaoloa. Tämän tyyppinen vaihekaavio kaksikomponenttiselle kadmium-sinkkijärjestelmälle on esitetty kuvassa. Tämän kaksikomponenttisen järjestelmän kaaviossa on kaksi koordinaattiakselia, ei neljä, kuten yllä oleva lauseke + 2:lla vaatii, koska sen rakentamisessa käytettiin P:n vakion ehtoa ja kahta riippumatonta Cd:n määrän muuttujaa ja Zn korvattiin yhdellä pitoisuudella x Zn (x Cd = 1 - x Zn). Kuvan yläosa on neste-höyry-tasapainokaavio. Puhtaiden komponenttien sulamispisteitä yhdistävää katkonaista käyrää kutsutaan likvidusviivaksi, se esittää järjestelmän ”sulamiskaaviota”. Tällaisen faasikaavion heterogeeniselle alueelle piirretyt suorat viivat (konodit) kahden rinnakkaisen faasin rajojen välille, jotka ovat samansuuntaisia ​​pitoisuusakselin kanssa (katso kuvassa eutektinen konodi), mahdollistavat järjestelmän minkä tahansa tietyn komponenttikoostumuksen määrittämisen. rinnakkaiset vaiheet ("vipuvaikutussääntö").

Kolmannen tyypin vaihekaaviossa - (x i, x j), (x i, p), (moolientropia, x), (moolientalpia, x) jne. - koordinaatit ovat vain laajojen termodynaamisten ominaisuuksien yleistettyjä tiheyksiä. Nämä kaaviot esittävät myös heterogeenisiä faasien ja konodien seoksia, mutta toisin kuin kahdessa muussa faasikaaviotyypissä, tässä tapauksessa heterogeenisten seosten tila näytetään litteällä tai tilavuuskuvalla (kolmio, tetraedri) ja on mahdollista määrittää järjestelmän kvantitatiivinen faasikoostumus kolmen tai useamman vaiheen tasapainossa (kuvan ”painopisteen sääntö”).

Faasidiagrammeja tutkitaan kokeellisesti ja lasketaan kemiallisen termodynamiikan menetelmillä, jotka perustuvat järjestelmän muodostavien aineiden termodynaamisia ominaisuuksia koskeviin tietoihin. Teoreettisen perustan vaihekaavioiden rakentamiselle antoi J. Gibbs 1880-luvulla. Hän muotoili myös "vaihesäännön" (katso Gibbsin vaihesääntö), jota käytetään laajalti vaihetasapainojen ja vaihekaavioiden kokeellisessa tutkimuksessa: kiinteälle T:lle ja P:lle rinnakkaisten tasapainovaiheiden f lukumäärä ei voi ylittää faasitasapainon komponenttien lukumäärää. järjestelmää enemmän kuin kahdella, f ≤ c + 2.

Lit.: Palatnik L. S., Landau A. I. Vaihetasapainot monikomponenttijärjestelmissä. Har., 1961; Kaufman L., Bernstein H. [Metallisten järjestelmien] tilakaavioiden laskenta tietokoneella. M., 1972; Fysikaalinen metallurgia / Toimittanut R. Kahn, P. Haazen. M., 1987. T. 2.

Kuvassa 3.3 on vaihekaavio P–V-koordinaateissa ja kuvassa 3.4 vaihekaavio T–S-koordinaateissa.

Kuva 3.3. Vaiheen P-V kaavio Kuva 3.4. Vaiheen T-S kaavio

Nimitykset:

t + l – kiinteän ja nesteen rinnakkaiselon tasapainoalue

t + p – kiinteän aineen ja höyryn rinnakkaiselon tasapainoalue

l + n – nesteen ja höyryn rinnakkaiselon tasapainoalue

Jos P–T-kaaviossa kaksivaiheisten tilojen alueet on kuvattu käyrinä, niin P–V- ja T–S-kaavioissa nämä ovat joitain alueita.

Suoraa AKF kutsutaan rajakäyräksi. Se puolestaan ​​on jaettu alarajakäyrään (osuus AK) ja ylärajakäyrään (osuus KF).

Kuvissa 3.3 ja 3.4 viiva BF, jossa kolmen kaksivaiheisen tilan alueet kohtaavat, on laajennettu kolmoispiste T kuvista 3.1 ja 3.2.

Kun aine sulaa, mikä, kuten höyrystyminen, tapahtuu vakiolämpötilassa, muodostuu tasapainoinen kaksifaasinen kiinteiden ja nestemäisten faasien seos. Nestefaasin ominaistilavuuden arvot kaksifaasiseoksen koostumuksessa on otettu kuvassa 3.3 AN-käyrältä ja kiinteän faasin ominaistilavuuden arvot - BE-käyrältä. .

AKF-ääriviivan rajoittaman alueen sisällä aine on kahden faasin seos: kiehuva neste (L) ja kuiva kyllästetty höyry (P).

Tilavuuden additiivisuuden vuoksi tällaisen kaksifaasisen seoksen ominaistilavuus määritetään kaavalla

spesifinen entropia:

1. Vaihekaavioiden yksittäispisteet

1. Kolmoispiste

Kolmoispiste on piste, jossa kolmen vaiheen tasapainokäyrät konvergoivat. Kuvissa 3.1 ja 3.2 tämä on piste T.

Joillakin puhtailla aineilla, esimerkiksi rikillä, hiilellä jne., kiinteässä aggregaatiotilassa on useita faaseja (muunnelmia).

Nestemäisessä ja kaasumaisessa tilassa ei ole muutoksia.

Yhtälön (1.3) mukaisesti yksikomponenttisessa lämpömuodonmuutosjärjestelmässä voi olla enintään kolme faasia samanaikaisesti tasapainossa.

Jos aineella on useita muunnelmia kiinteässä olomuodossa, niin aineen faasien kokonaismäärä ylittää kolme ja sellaisella aineella on oltava useita kolmoispisteitä. Esimerkkinä kuvassa 3.5 on P–T-faasikaavio aineesta, jolla on kaksi modifikaatiota kiinteässä aggregaatiotilassa.

Kuva 3.5. Vaiheen P-T kaavio

aineet, joissa on kaksi kiteistä

mitkä vaiheet

Nimitykset:

I – nestefaasi;

II – kaasufaasi;

III 1 ja III 2 – muutokset kiinteässä aggregaatiotilassa

(kiteiset faasit)

Kolmoispisteessä T 1 ovat tasapainossa: kaasu-, neste- ja kiteinen faasi III 2. Tämä piste on perus kolmoispiste.

Kolmoispisteessä T2 ovat tasapainossa: neste ja kaksi kidefaasia.

Kolmoispisteessä T3 kaasumainen ja kaksi kiteistä faasia ovat tasapainossa.

Vedessä tunnetaan viisi kiteistä muunnelmaa (faasia): III 1, III 2, III 3, III 5, III 6.

Tavallinen jää on kiteinen faasi III 1, ja muita modifikaatioita muodostuu erittäin korkeissa tuhansien MPa:n paineissa.

Tavallista jäätä on olemassa 204,7 MPa:n paineeseen ja 22 0 C lämpötilaan asti.

Loput modifikaatiot (faasit) ovat jäätä tiheämpiä kuin vesi. Yksi näistä jäästä, "kuuma jää", havaittiin 2000 MPa:n paineessa + 80 0 C:n lämpötilaan.

Termodynaamiset parametrit perus kolminkertainen vesipiste seuraavat:

T tr = 273,16 K = 0,01 0 C;

Ptr = 610,8 Pa;

Vtr = 0,001 m3/kg.

Sulamiskäyrän poikkeama (
) on olemassa vain tavalliselle jäälle.

Johdanto

Vaihekaaviot ovat olennainen osa materiaalien ominaisuuksista käytävää keskustelua, kun puhutaan eri materiaalien vuorovaikutuksesta. Vaihekaaviot ovat erityisen tärkeitä mikroelektroniikassa, koska Johtojen ja passivointikerrosten valmistuksessa on käytettävä laajaa valikoimaa erilaisia ​​materiaaleja. Integroitujen piirien valmistuksessa pii on läheisessä kosketuksessa eri metallien kanssa, kiinnitämme erityistä huomiota niihin vaihekaavioihin, joissa pii esiintyy yhtenä komponenttina.

Tässä tiivistelmässä käsitellään faasikaavioiden tyyppejä, faasisiirtymän käsitettä, kiintoaineliukoisuutta ja mikroelektroniikan tärkeimpiä ainejärjestelmiä.

Vaihekaavioiden tyypit

Yksivaiheiset vaihekaaviot ovat kaavioita, jotka kuvaavat vain yhden materiaalin faasitilaa paineesta, tilavuudesta ja lämpötilasta riippuen. Yleensä ei ole tapana piirtää kolmiulotteista kuvaajaa kaksiulotteiselle tasolle - ne kuvaavat sen projektiota lämpötila-painetasolle. Esimerkki yksivaiheisesta tilakaaviosta on kuvassa. 1.

Riisi. 1.

Kaaviossa on selkeästi rajattu alueet, joilla materiaali voi esiintyä vain yhdessä faasitilassa - kiinteänä, nesteenä tai kaasuna. Rajaviivaa pitkin aineella voi olla kaksi faasitilaa (kaksi faasia), jotka ovat yhteydessä toisiinsa. Mikä tahansa yhdistelmistä tapahtuu: kiinteä - neste, kiinteä - höyry, neste - höyry. Kohdassa, jossa kaavion viivat leikkaavat, niin sanotussa kolmoispisteessä, kaikki kolme vaihetta voivat olla olemassa samanaikaisesti. Lisäksi tämä on mahdollista yhdessä lämpötilassa, joten kolmoispiste toimii hyvänä vertailupisteenä lämpötiloissa. Tyypillisesti vertailupisteenä on veden kolmoispiste (esimerkiksi tarkkuusmittauksissa termoelementeillä, joissa referenssiliitos on kosketuksessa jäävesi-höyryjärjestelmään).

Binäärivaihekaavio (binäärijärjestelmän vaihekaavio) edustaa kahden komponentin järjestelmän tilaa. Tällaisissa kaavioissa lämpötila piirretään ordinaatta-akselia pitkin ja seoksen komponenttien prosenttiosuus abskissa-akselia pitkin (yleensä tämä on joko prosenttiosuus kokonaismassasta (paino-%) tai prosenttiosuus kokonaismassasta atomien lukumäärä (at. %)). Paineen oletetaan yleensä olevan 1 atm. Jos otetaan huomioon neste- ja kiinteä faasi, tilavuusmittaukset jätetään huomioimatta. Kuvassa 2. esittää tyypillisen kaksivaiheisen vaihekaavion komponenteille A ja B paino- tai atomiprosentteina.

Riisi. 2.

Kirje? aineen A faasi liuenneen aineen B kanssa on osoitettu, ? tarkoittaa aineen B faasia, johon aine A on liuennut, vai mitä? + ? tarkoittaa näiden faasien seosta. Kirjain (nesteestä) tarkoittaa nestefaasia ja L+?? ja L+? tarkoittaa nestefaasi plus faasi tai vastaavasti. Faaseja erottavilla viivoilla eli viivoilla, joilla aineen eri faaseja voi esiintyä, on seuraavat nimet: solidus - viiva, jolla faaseja esiintyy samanaikaisesti? tai? L+-vaiheilla? ja L+? vastaavasti; solvus - linja, jolla vaiheet esiintyvät samanaikaisesti? Ja? + ? tai? Ja? + ?, ja likvidus on viiva, jolla vaihe L ja vaihe L+? tai L+?.

Piste, jossa kaksi likvidusviivaa leikkaavat, on usein kaikkien mahdollisten aineiden A ja B yhdistelmien alin sulamispiste, ja sitä kutsutaan eutektiseksi pisteeksi. Seosta, jonka komponenttien suhde on eutektisessa kohdassa, kutsutaan eutektiseksi seokseksi (tai yksinkertaisesti eutektiseksi).

Tarkastellaan kuinka seos siirtyy nestetilasta (sula) kiinteään tilaan ja kuinka faasikaavio auttaa ennustamaan kaikkien tietyssä lämpötilassa esiintyvien faasien tasapainokoostumusta. Siirrytään kuvaan. 3.

Riisi. 3.

Oletetaan, että alun perin seoksen koostumus oli C M lämpötilassa T1, lämpötiloissa T1 - T2 on nestefaasi ja lämpötilassa T2 esiintyy samanaikaisesti faasit L ja 2. Läsnä olevan faasin L koostumus on C M, faasin L koostumus? siellä on C?1. Kun lämpötila laskee edelleen arvoon T3, nesteen koostumus muuttuu likviduskäyrää pitkin ja faasin koostumus muuttuu? - Solidus-käyrää pitkin, kunnes se leikkaa isotermin (vaakaviivan) T 3 . Nyt faasin L koostumus on CL ja faasin koostumus on C>2. On huomattava, että koostumuksessa C 22 ei pitäisi olla vain ainetta, joka on siirtynyt faasiin klo. lämpötilassa T 3, mutta myös kaikki faasiin siirtynyt aine? korkeammassa lämpötilassa sen koostumuksen tulisi olla C>2. Tämä koostumusten tasaaminen on tapahduttava komponentin A kiinteän olomuodon diffuusiolla olemassa olevaan faasiin, niin että siihen mennessä, kun lämpötila T3 saavutetaan, koko faasin aineella on koostumus C22. Lämpötilan lasku vie meidät eutektiseen pisteeseen. Onko siinä vaiheita? Ja? esiintyvät samanaikaisesti nestefaasin kanssa. Alemmissa lämpötiloissa on olemassa vain faaseja? Ja?. Muodostuuko faasien seos? Ja? koostumus C E kiviainesten kanssa? alkuperäisellä koostumuksella C33. Sitten pitämällä tätä seosta pitkään eutektisen lämpötilan alapuolella, voidaan saada kiinteä aine. Tuloksena oleva kiinteä aine koostuu kahdesta faasista. Kunkin faasin koostumus voidaan määrittää isotermin ja vastaavan solvus-viivan leikkauspisteessä.

Juuri on osoitettu, kuinka kunkin läsnä olevan faasin koostumus määritetään. Harkitse nyt ongelmaa aineen määrän määrittämisessä kussakin vaiheessa. Sekaannusten välttämiseksi kuvassa. 4. Esitetään jälleen yksinkertainen kaksivaiheinen kaavio. Oletetaan, että lämpötilassa T 1 sulatteen koostumus on C M (tarkoittaa komponenttia B), sitten T 2 faasilla L on koostumus C L, ja faasi? tulee olemaan sävellys C s. Olkoon M L kiinteässä tilassa olevan aineen massa ja M S kiinteässä tilassa olevan aineen massa. Kokonaismassan säilymisen ehto johtaa seuraavaan yhtälöön

(M L + M S)C M = M L C L + M S C S.

Riisi. 4.

Se kuvastaa sitä tosiasiaa, että aineen kokonaismassa lämpötilassa T1 kerrottuna prosenttiosuudella B on aineen B kokonaismassa. Se on yhtä suuri kuin nestemäisessä ja kiinteässä faasissa lämpötilassa esiintyvän aineen B massojen summa. T2. Ratkaisemalla tämän yhtälön saamme

Tätä ilmaisua kutsutaan "tasosäännöksi". Tätä sääntöä käyttämällä, kun tiedetään sulatteen alkuperäinen koostumus ja sen kokonaismassa, on mahdollista määrittää molempien faasien massat ja aineen B määrä missä tahansa faasissa kaksivaihekaavion mille tahansa jaksolle. Täsmälleen samalla tavalla voimme laskea

Kuvassa 5. Toinen esimerkki sulakiinteytymisestä on annettu. Lämpötilan lasku T1:stä T2:ksi johtaa faasien L ja? koostumuksella C M ja C ? . Kun edelleen jäähtyy, koostumus L muuttuu nestettä pitkin, ja koostumus? - solidusta pitkin, kuten aiemmin on kuvattu. Kun lämpötila saavuttaa T 3, koostumus? tulee yhtä suureksi kuin C M, ja kuten tasosäännöstä seuraa, alle T 3:n lämpötilassa nestefaasia ei voi olla olemassa. Alle T4 lämpötiloissa faasit? Ja? olemassa vaiheaggregaatteina? Ja?. Esimerkiksi lämpötilassa T 5 faasiaggregaatteja? on T5-isotermin ja solvus?:n leikkauspisteen määräämä koostumus. Yhdiste? määräytyy samalla tavalla - isotermin ja solvus?:n leikkauspisteellä.

Riisi. 5.

Kaksivaiheisen kaavion osia kutsutaan edelleen? ja?, ovatko kiinteän liukoisuuden alueet: alueella? A ja B ovat liuenneet. A:n enimmäismäärä, joka voi liueta B:hen tietyssä lämpötilassa, riippuu lämpötilasta. Eutektisissa tai korkeammissa lämpötiloissa voi tapahtua nopea A:n ja B:n fuusio. Jos syntynyt seos jäähdytetään jyrkästi, niin A-atomit voivat jäädä B:n hilaan. Mutta jos kiinteän aineen liukoisuus huoneenlämpötilassa on paljon alhaisempi (tämä viittaa siihen, että tässä lämpötilassa tarkasteltava lähestymistapa ei ole kovin sopiva), lejeeringissä voi syntyä voimakkaita jännityksiä, jotka vaikuttavat merkittävästi sen ominaisuuksiin (merkittävien jännitysten läsnäollessa syntyy ylikylläisiä kiinteitä liuoksia, eikä järjestelmä ole tasapainotila, ja kaavio antaa tietoa vain tasapainotiloista ). Joskus tällainen vaikutus on toivottava, esimerkiksi lujitettaessa terästä karkaisulla martensiitin tuottamiseksi. Mutta mikroelektroniikassa sen tulos on tuhoisa. Siksi seostus, eli lisäaineiden lisääminen piihin ennen diffuusiota, suoritetaan korotetuissa lämpötiloissa siten, että estetään liiallisesta seostuksesta johtuvat pintavauriot. Jos seostusepäpuhtauden määrä substraatissa on suurempi kuin kiinteän aineen liukoisuusraja missä tahansa lämpötilassa, ilmaantuu toinen vaihe ja siihen liittyvä muodonmuutos.

Riisi. 2.3. Monikomponenttisen kaasun tilakaavio.

Toisin kuin puhtaassa aineessa, monikomponenttijärjestelmissä tilavuuden muutokseen kaksivaiheisella alueella liittyy paineen muutos (kuva 2.3, o). Nesteen täydelliseksi haihduttamiseksi on tarpeen jatkuvasti laskea painetta ja päinvastoin kaasun täydelliseksi kondensoimiseksi on tarpeen jatkuvasti lisätä painetta. Siksi sen pisteen paine, jossa höyrystyminen alkaa monikomponenttijärjestelmässä, on korkeampi kuin paine kohdassa, jossa kondensaatio alkaa ja kun vaihekaavio rekonstruoidaan koordinaateissa

paine - haihtumisen aloituspisteiden ja kastepisteiden lämpötilakäyrät eivät täsmää. Verrattuna puhtaan aineen faasidiagrammiin, kaavio näissä koordinaateissa on silmukan muotoinen (kuva 2.3,6). Höyrystymisen alkamispisteiden käyrä, joka on raja, joka erottaa aineen nestemäisen ja kaksifaasisen tilan alueet, ja kastepistekäyrä, joka erottaa kaksivaiheisen alueen höyrystymisalueesta, ovat yhteydessä toisiinsa. kriittisessä pisteessä C. Tässä tapauksessa kriittinen piste ei ole maksimipaineen ja -lämpötilan piste, jossa voi esiintyä samanaikaisesti kaksi faasia, vaan, kuten puhtaan aineen tapauksessa, kriittisen pisteen tiheys ja koostumus vaiheet ovat samat.

Jos kyseessä on monikomponenttijärjestelmä, osoita M kutsutaan maksimilämpötilalla, jossa kaksivaiheinen tila on mahdollinen Cricondenthermoy, piste N s sopiva paine - cricondenbaroy. Näiden pisteiden ja kriittisen pisteen välillä on kaksi aluetta, joissa seoksen käyttäytyminen eroaa puhtaan aineen käyttäytymisestä. Isotermisen puristuksen aikana, esimerkiksi lämpötilassa G, linjaa pitkin EA, sekoitus pisteen ylityksen jälkeen E kastepisteviiva tiivistyy osittain ja siirtyy kaksivaiheiseen tilaan. Paineen lisäyksen myötä nestefaasin osuus kasvaa, mutta vain tietyllä pistettä vastaavalla paineella D. Myöhempi paineen nousu pisteestä D asiaan SISÄÄN johtaa nestefaasin osuuden vähenemiseen, ja sitten seos palaa höyrytilaan. Pistepaine D, jossa suurin määrä nestefaasia muodostuu, kutsutaan maksimikondensaatiopaineeksi.

Samanlaisia ​​ilmiöitä havaitaan nesteen isobaarisen kuumennuksen aikana linjaa pitkin LNGB. Aluksi seos on yksifaasinen nestemäinen. Ylitettyään pisteiden linjan, jossa höyrystyminen alkaa kohdasta L seokseen ilmaantuu höyryfaasi, jonka määrä kasvaa pisteeseen asti N. Myöhempi lämpötilan nousu johtaa höyryfaasin tilavuuden pienenemiseen, kunnes aine palaa nestemäiseen tilaan kohdassa G.

Alueita, joilla kondensaatiota ja haihtumista tapahtuu puhtaan aineen faasimuutoksia vastakkaiseen suuntaan, kutsutaan retrogradisiksi alueiksi (ne on varjostettu kuvassa 2.3.6). Näillä alueilla esiintyviä ilmiöitä kutsutaan retrogradiseksi (käänteiseksi) haihtumiseksi ja retrogradiseksi (käänteiseksi) kondensaatioksi. Näitä ilmiöitä käytetään laajasti kentällä tapahtuvissa kaasunkäsittelyprosesseissa sellaisten olosuhteiden valitsemiseksi, jotka varmistavat kaasukondensaatin maksimaalisen erottelun.

Silmukan muotoinen vaihekaavio (kuva 2.3, b) on tyypillinen kaikille monikomponenttiseoksille, mutta silmukan muoto, kriittisen pisteen sijainti ja retrogradiset alueet riippuvat seoksen koostumuksesta. Jos säiliöseoksen koostumus on sellainen, että krikondentermi sijaitsee säiliön lämpötilaa vastaavan isotermin vasemmalla puolella (viiva ft]), sitten, kun paine laskee kenttäkehityksen aikana, tämä seos on vain yksivaiheisessa kaasutilassa. Tämän koostumuksen hiilivetyjen seokset muodostavat kaasukertymiä. Jos seoksen koostumus on sellainen, että säiliön lämpötila on kriittisen lämpötilan ja krykondentermin lämpötilan välillä (viiva AT^), sitten tällaiset hiilivetyseokset muodostavat kaasukondensaattikenttiä. Painetta laskettaessa säiliön lämpötilassa niistä vapautuu nestefaasi - kondensaatti.

Öljykentillä kriittinen piste sijaitsee säiliön lämpötila-isotermin oikealla puolella (viiva GTi). Jos piste G, jonka koordinaatit vastaavat alkuperäistä säiliön painetta ja säiliön lämpötilaa, sijaitsee sen viivan yläpuolella, josta höyrystyminen alkaa, niin öljy on yksifaasisessa nestemäisessä tilassa ja alikyllästynyt kaasulla. Vain kun paine laskee kyllästyspaineen alapuolelle (kohta D) kaasufaasi alkaa vapautua öljystä Öljykentillä, joiden hiilivetyseoksen koostumus on sellainen, että säiliön alkupaine (piste K) on kyllästyspaineen alapuolella, on kaasutulppa, joka on kertynyt kaasufaasi talletuksen yläosassa.