A fémötvözetek kristályosodásának folyamatát és az ötvözetek számos kapcsolódó szerkezeti mintáját fázisegyensúlyi diagramok segítségével írják le. Ezek a diagramok kényelmes grafikus formában mutatják be a fázis összetételét és szerkezetét a hőmérséklet és a koncentráció függvényében. A diagramokat az egyensúlyi feltételekre ábrázoltuk; az egyensúlyi állapot a minimális szabadenergia-értéknek felel meg.
A fázisdiagramok vizsgálata lehetővé teszi a fázisátalakulások meghatározását nagyon lassú hűtés vagy fűtés esetén. A fázisszám változásának mintázatát egy heterogén rendszerben a fázisszabály határozza meg.
Fázis- a rendszer homogén része, amelyet a rendszer többi részétől (fázisaitól) határfelület választ el, az átmenet során az anyag kémiai összetétele vagy szerkezete hirtelen megváltozik.
A fiziko-kémiai egyensúlyok tanulmányozása során a hőmérsékletet és a nyomást az ötvözet állapotát befolyásoló külső tényezőknek tekintik. A fázisszabályt fémekre alkalmazva sok esetben csak egy külső tényezőt fogadhatunk el változóként - a hőmérsékletet, mert a nyomás, kivéve a nagyon nagy nyomást, csekély hatással van a fázisegyensúlyra szilárd és folyékony halmazállapotban. Ekkor az egyensúlyi feltételeknek megfelelő stabil fázisok létezésének általános törvényeit a fázisszabállyal (Gibbs-szabály) matematikai formában, állandó nyomáson pedig a következő egyenlettel fejezzük ki:
C = K + 1 - ,
Ahol TO– a rendszer elemeinek száma; - fázisok száma; VEL– a szabadságfokok száma (rendszerváltozékonyság).
A C szabadsági fokok száma a független belső változók (fázisösszetétel) és külső (hőmérséklet, nyomás) tényezők száma, amelyek az egyensúlyi fázisok számának megváltoztatása nélkül változtathatók. Az ötvözetek fázisátalakulása során az újonnan kialakuló fázisnak nem kell feltétlenül alacsonyabb szabadenergiájúnak lennie, mint az eredeti, de a rendszer egészének szabadenergiájának szükségszerűen csökkennie kell a fázisátalakulás folyamata során.
A szabadenergia-görbékből geometriailag megszerkeszthetők a fázisdiagramok fő típusai. A hőmérséklet-koncentráció koordinátáiban tömegszázalékban vannak ábrázolva.
A fázisdiagramok elkészítéséhez az N.S. által kifejlesztett hőelemzést használják. Kurnakov. Az egyes ötvözetek hűtési görbéit kísérleti úton kapják meg, és az átalakulások hőhatásaihoz kapcsolódó hajlításaik vagy megállásaik alapján meghatározzák a megfelelő átalakulások hőmérsékletét. Ezeket a hőmérsékleteket kritikus pontoknak nevezzük.
A szilárd halmazállapotú átalakulások tanulmányozásakor különféle fizikai-kémiai elemzési módszereket, mikroanalízist, röntgendiffrakciót, dilatometrikus, mágneses elemzést stb.
Folyékony állapotban a legtöbb fém korlátlanul oldódik egymásban, és egyfázisú folyékony oldatot képez. Az ötvözetben képződött bármely fázis összetételében különbözik az eredeti folyékony oldattól. Ezért a stabil embrió kialakulásához nemcsak heterogén fluktuációkra van szükség, hanem koncentráció-ingadozások. A koncentráció-ingadozások az ötvözet kémiai összetételének átmeneti eltérései az egyes kis térfogatú folyékony oldatokban az átlagos összetételtől. Az ilyen ingadozások egy anyag atomjainak diffúziós mozgása és a folyékony oldatban történő hőmozgás eredményeként jönnek létre. Az új fázis magja csak a kezdeti fázis azon mikrotérfogataiban keletkezhet, amelyek összetétele az atomok koncentrációjának és elrendezésének ingadozása következtében megfelel az új kristályosodási fázis összetételének és szerkezetének.
A kristálynövekedés sebessége folyékony oldatokban kisebb, mint a tiszta fémekben. Ez azzal magyarázható, hogy a kristálynövekedés megköveteli a komponensatomok diffúziós mozgását egy folyékony oldatban.
Az állapotdiagram vonalakkal van felosztva területekre. Egyes területek csak egy fázisból, mások pedig két fázisból állhatnak, amelyek összetétele, szerkezete és tulajdonságai eltérőek.
A fázisdiagram elemzésével képet kaphatunk egy adott komponensrendszer ötvözeteinek sajátos tulajdonságairól és azok összetételtől függő változásainak természetéről, valamint az ötvözetek hőkezelésének lehetőségéről és a fűtési hőmérséklet hozzá.
A diagram típusát a folyékony és szilárd halmazállapotú komponensek között létrejövő kölcsönhatások jellege határozza meg.
Tiszta komponensek keverékét alkotó ötvözetek fázisdiagramja
Az ötvözet mindkét komponense folyékony halmazállapotban végtelenül oldódik, szilárd állapotban pedig oldhatatlan, és nem képez kémiai vegyületeket, és nincs polimorf átalakulásuk. ábrán látható diagram általános képe. 3. Fázisok: folyékony - L, kristályok - A és B.
Vonal DIA– a kristályosodás kezdetének vonala a vonal likvidus; vonal DSE– a kristályosodás végének vonala a vonal solidus. Online AC kristályok kezdenek kiemelkedni A; a vonalon NE– kristályok IN; a vonalon DSE a folyadékkoncentrációtól VEL egyidejűleg kristályok szabadulnak fel AÉs IN. Kétféle, folyadékból egyidejűleg kristályosodó kristály eutektikus keverékét nevezzük eutektikus.
Rizs. 3. Az ötvözetek állapotdiagramjának és hűtési görbéinek általános képe: 1 – hipereutektikus; 2 – hipoeutektikus; 3 – eutektikus.
ábrán. A 4. ábra sematikusan mutatja az ötvözet szerkezetét a kristályosodás különböző pillanataiban.
Rizs. 4. Az ötvözetek szerkezete
Fázisdiagrammal nyomon követheti bármely ötvözet fázisátalakulását, és bármilyen hőmérsékleten jelezheti a fázisok összetételét és mennyiségi arányát. Ezt a szegmensek szabálya határozza meg.
A komponensek koncentrációjának meghatározása két fázisban egy adott ponton keresztül A(3. ábra), az ötvözet állapotát jellemezve, húzzon egy vízszintes vonalat, amíg az nem metszi ezt a területet határoló vonalakat. A metszéspontok vetületei VÉs Vel fázisösszetételek a diagram vízszintes tengelyén jelennek meg V 1 És Vel 1 . Ennek az egyenesnek a pont közötti szakaszai Aés pontok VÉs Vel, amelyek meghatározzák a fázisok összetételét, fordítottan arányosak ezen fázisok mennyiségével:
ÉS=ac/bc; B=ab/bc.
Ezek a szabályok a fázisdiagram bármely kétfázisú tartományára érvényesek.
Az ötvözet szilárdságának és egyéb tulajdonságainak értékelésekor figyelembe kell venni, hogy az ötvözet azon része, amelyet az eutektika képvisel, nagyobb szilárdságú, mint a többletfázis nagyobb szemcséi által képviselt rész.
A szilárd halmazállapotban korlátlan oldhatóságú ötvözetek fázisdiagramja
ábrán. Az 5. ábra a folyékony és szilárd halmazállapotú komponensek egymásban korlátlan oldhatóságával rendelkező ötvözetek fázisdiagramját mutatja, amelyek azonos típusú rácsokkal és a külső elektronhéjak hasonló szerkezetével rendelkeznek.
Vonal AMV– vonal likvidus; vonal ANIN– vonal solidus; fázis komponensek szilárd oldata AÉs IN, ennek a fázisnak a szemcséinek egyetlen kristályrácsa van, de a különböző összetételű ötvözetekben a komponens atomok száma AÉs IN a rács egységcelláiban eltérő.
Az α-fázisok kristályosodása különféle ötvözetekben a szegmensek szabályának megfelelően megy végbe. Egyensúlyi kristályosodás esetén, amely az ötvözet kellően alacsony hűtési sebessége mellett megy végbe, a kristályosodás végére a végül kialakult fázis összetétele A 4 meg kell felelnie az eredeti ötvözet-összetételnek IN 1 (ebben az esetben az I. ötvözet). Ez a két fázis között folyamatosan előforduló diffúziónak köszönhető.
Rizs. 5. Az ötvözet állapotdiagramjának és hűtési görbéjének általános képe.
Az ötvözet kristályosodás közbeni gyorsított hűtése esetén a diffúziós folyamatoknak nincs idejük befejeződni. Ebben a tekintetben az egyes szemek központi része egy tűzállóbb komponenssel gazdagodik IN, a perifériás pedig alacsony olvadáspontú komponens A. Ezt a jelenséget az ún dendrites likválás, csökkentve az ötvözetek szilárdságát és egyéb tulajdonságait.
A dendrites szegregáció kiküszöbölhető hosszan tartó lágyítással. Ezt az izzítást diffúziós lágyításnak nevezik. Az ilyenkor fellépő diffúziós folyamatok kiegyenlítik a szemcsék kémiai összetételét.
Szilárd oldat képződésekor a szakítószilárdság, a folyáshatár és a keménység növekszik, miközben a kellően magas alakíthatóság megmarad. Ez azzal magyarázható, hogy az oldott elem atomjai a rács torzított régióiban csoportosulnak, ami zavarja a diszlokációk előrehaladását.
FÁZISDIAGRAM, azon feltételek (hőmérséklet, nyomás, kémiai összetétel stb.) grafikus ábrázolása, amelyek között egy vagy több adott anyagból (a rendszer független komponenséből) álló egyensúlyi termodinamikai rendszerben homogén halmazállapotok (fázisok) léteznek. eltérő fizikai-kémiai tulajdonságokkal. Az „állapotdiagram” kifejezést a „fázisdiagram” kifejezéssel egyenértékűként használják (főleg Oroszországban és Németországban). A fázisdiagramot azonban gyakran – különösen az angol nyelvű szakirodalomban – gráfoknak is nevezik, amelyek nem tükrözik közvetlenül a rendszer fázisegyensúlyait.
A fázisokat fázisdiagramon ábrázoljuk görbék által határolt régiók vagy független termodinamikai változók terében elhelyezkedő felületek formájában. Általában ez a T hőmérséklet, P nyomás, az x rendszer komponenseinek móltörtjei, ezeknek és más változóknak a függvényei, mint például a komponensek mennyiségeinek vagy koncentrációinak aránya, p sűrűség vagy V m moláris térfogat, anyagok parciális nyomása vagy kémiai potenciálja. μ. Külső erőterek hiányában egy komponensekkel rendelkező nyitott rendszer teljes fázisdiagramjának koordinátatengelyeinek száma egyenlő c+2-vel. A többdimenziós fázisdiagramok síkon történő ábrázolásához metszeteiket és vetületeiket használják, amelyeket egyes független változókra meghatározott korlátozások mellett, gyakran speciálisan kiválasztott koordinátarendszerekkel (Jenicke-koordináták, Gibbs-Rosebohm-háromszögek stb.) kombinálva alkotnak. A fázisdiagram megmutatja: milyen egyedi anyagok, folyékony, szilárd vagy gázoldatok alkotják a rendszer adott komponenseit; milyen körülmények között termodinamikailag stabilak az ilyen fázisok és heterogén keverékeik; milyen termodinamikai változók értékein mennek végbe az anyagok fázisátalakulása a rendszerben. A fázisdiagramok, amelyek a fázisok kémiai összetételére vonatkozó adatokat tartalmaznak, lehetővé teszik az egymás mellett létező fázisok relatív mennyiségének meghatározását is. Az ilyen információk számos tudományos és gyakorlati probléma megoldásához szükségesek, és széles körben használják a kémiában, a kohászatban, az anyagtudományban, a geokémiában és a tudomány és a technológia más területein.
A fázisdiagram koordinátái kétféle termodinamikai változók lehetnek - T, P, μ termikus, mechanikai és kémiai egyensúlyi paraméterek, amelyek az egyensúlyi rendszer minden részében azonos értékekkel rendelkeznek, vagy (általában eltérőek a különböző fázisokban ) extenzív tulajdonságok általánosított sűrűségei, mint például x, p , V m és egyéb tulajdonságok, amelyek megegyeznek az extenzív mennyiségek és a rendszerben lévő anyag mennyiségének, tömegének vagy térfogatának arányával. Ebben a tekintetben háromféle fázisdiagramot különböztetünk meg. Az azonos típusú diagramok izomorfak: ugyanazokkal a topológiai jellemzőkkel rendelkeznek, függetlenül a komponensek számától és a koordinátatengelyeken lévő konkrét változók értékétől.
A (T, P), (T, μ i), (μ i, μ j) és hasonló típusú fázisdiagramokon intenzív egyensúlyi paraméterekkel csak a fázisrégiók és az azokat elválasztó vonalak (felületek) szerepelnek, amelyek jelzik az egyes fázisok stabilitásának határait Az egyenesek metszéspontjai több mint két fázis egyensúlyi feltételeinek felelnek meg. Így egy egykomponensű rendszer (T, P) diagramján a hármaspont három fázis stabil együttélésének feltételeit jelzi.
Ha van koncentráció-tengely, moláris tulajdonságok, sűrűségek, mint például a fázisdiagramban (T, x), (P, x), (μi, x), (T, p), a fázis régiói A stabilitást más régiók választják el, amelyek az egyensúlyi fázisok heterogén keverékeinek létezését tükrözik. A kétkomponensű kadmium-cink rendszer ilyen típusú fázisdiagramja az ábrán látható. Ennek a kétkomponensű rendszernek a diagramjának két koordinátatengelye van, és nem négy, ahogy a fenti + 2-es kifejezés megköveteli, mivel a felépítésénél a P állandóságának feltételét és a Cd és Zn mennyiségének két független változóját használták. helyett egy koncentrációjú x Zn (x Cd = 1 - x Zn). Az ábra felső része egy folyadék-gőz egyensúlyi diagram. A tiszta komponensek olvadáspontját összekötő törött görbét likviduszvonalnak nevezzük, amely a rendszer „olvadási diagramját” mutatja. Egy ilyen fázisdiagram heterogén tartományában húzott egyenesek (konódák) a koncentráció tengellyel párhuzamos két együttélő fázis határai között (lásd az ábrán az eutektikus konódot) lehetővé teszik a rendszer bármely adott komponensösszetétele esetén a mennyiségek meghatározását. egymás mellett létező fázisok („tőkeáttételi szabály”).
A harmadik típus fázisdiagramján - (x i, x j), (x i, p), (moláris entrópia, x), (moláris entalpia, x) stb. - a koordináták csak kiterjedt termodinamikai tulajdonságú általánosított sűrűségek. Ezek a diagramok a fázisok és konódok heterogén elegyeit is ábrázolják, de a másik két fázisdiagramtípustól eltérően ebben az esetben a heterogén keverékek állapotát lapos vagy térfogati ábra (háromszög, tetraéder) jeleníti meg, és meghatározható a a rendszer kvantitatív fázisösszetétele három és több fázis egyensúlyában (az ábra „súlypontjának szabálya”).
A fázisdiagramokat kísérletileg tanulmányozzák és kémiai termodinamikai módszerekkel számítják ki a rendszert alkotó anyagok termodinamikai tulajdonságaira vonatkozó adatok alapján. A fázisdiagramok készítésének elméleti alapját J. Gibbs adta meg az 1880-as években. Megfogalmazta a „fázisszabályt” is (lásd Gibbs-féle fázisszabály), amelyet széles körben használnak a fázisegyensúlyok és fázisdiagramok kísérleti vizsgálatában: fix T és P esetén az egyensúlyi együttélő f fázisok száma nem haladhatja meg a fázisegyensúlyok komponenseinek számát. a rendszer kettőnél többel, f ≤ c + 2.
Lit.: Palatnik L. S., Landau A. I. Phase equilibries in multicomponent systems. Har., 1961; Kaufman L., Bernstein H. Állapotdiagramok számítása [fémes rendszerek] számítógép segítségével. M., 1972; Fizikai kohászat / Szerk.: R. Kahn, P. Haazen. M., 1987. T. 2.
A 3.3. ábra a fázisdiagramot mutatja P–V koordinátákkal, a 3.4. ábra a fázisdiagramot T–S koordinátákkal.
3.3. ábra. Fázis P-V diagram 3.4. ábra. Fázis T-S diagram
Megnevezések:
t + l – szilárd és folyadék egyensúlyi együttélési tartománya
t + p – szilárd anyag és gőz egyensúlyi együttélési tartománya
l + n – folyadék és gőz egyensúlyi együttélési tartománya
Ha a P–T diagramon a kétfázisú állapotok területeit görbékként ábrázoltuk, akkor a P–V és T–S diagramokon ezek néhány terület.
Az AKF vonalat határgörbének nevezzük. Ez viszont fel van osztva egy alsó határgörbére (AK szakasz) és egy felső határgörbére (KF szakasz).
A 3.3. és 3.4. ábrán a BF vonal, ahol a három kétfázisú állapot tartományai találkoznak, a 3.1. és 3.2.
Amikor egy anyag megolvad, ami a párolgáshoz hasonlóan állandó hőmérsékleten megy végbe, szilárd és folyékony fázisok egyensúlyi kétfázisú keveréke jön létre. A kétfázisú keverék összetételében a folyékony fázis fajlagos térfogatának értékeit a 3.3. ábra az AN görbéből, a szilárd fázis fajlagos térfogatának értékeit pedig a BE görbéből vettük. .
Az AKF-kontúr által határolt területen belül az anyag két fázis keveréke: forrásban lévő folyadék (L) és száraz telített gőz (P).
A térfogat additivitása miatt egy ilyen kétfázisú keverék fajlagos térfogatát a képlet határozza meg
fajlagos entrópia:
A fázisdiagramok szinguláris pontjai
Hármas pont
A hármaspont az a pont, ahol a három fázis egyensúlyi görbéi konvergálnak. A 3.1 és 3.2 ábrán ez a T pont.
Egyes tiszta anyagok, például kén, szén stb., szilárd halmazállapotú aggregációban több fázissal (módosulással) rendelkeznek.
Folyékony és gáz halmazállapotban nincs változás.
Az (1.3) egyenletnek megfelelően egy egykomponensű termikus deformációs rendszerben legfeljebb három fázis lehet egyidejűleg egyensúlyban.
Ha egy anyag szilárd halmazállapotában több módosulással rendelkezik, akkor az anyag összes fázisának száma meghaladja a hármat, és egy ilyen anyagnak több hármasponttal kell rendelkeznie. Példaként a 3.5. ábra egy olyan anyag P–T fázisdiagramját mutatja be, amelynek szilárd halmazállapotában két módosulása van.
3.5. Fázis P-T diagram
két kristályos anyagokat
milyen fázisok
Megnevezések:
I – folyékony fázis;
II – gázfázis;
III 1 és III 2 – módosulások az aggregáció szilárd állapotában
(kristályos fázisok)
A T 1 hármaspontban a következők vannak egyensúlyban: gáznemű, folyékony és kristályos fázisok III 2. Ez a pont alapvető hármas pont.
A T2 hármaspontban a következők vannak egyensúlyban: folyékony és két kristályos fázis.
A T3 hármaspontban a gáznemű és a két kristályos fázis egyensúlyban van.
A víznek öt kristálymódosulata (fázisa) ismert: III 1, III 2, III 3, III 5, III 6.
A közönséges jég a kristályos fázis III 1, és más módosulások nagyon magas, több ezer MPa nyomáson képződnek.
A közönséges jég 204,7 MPa nyomásig és 22 0 C hőmérsékletig létezik.
A fennmaradó módosítások (fázisok) jégsűrűbbek, mint a víz. Az egyik ilyen jeget, a „forró jeget”, 2000 MPa nyomáson és + 80 0 C hőmérsékleten figyelték meg.
Termodinamikai paraméterek alapvető hármas vízpont a következőket:
T tr = 273,16 K = 0,01 0 C;
P tr = 610,8 Pa;
Vtr = 0,001 m 3 /kg.
Olvadási görbe anomália ( 
) csak normál jég esetén létezik.
Bevezetés
A fázisdiagramok szerves részét képezik az anyagtulajdonságok minden tárgyalásának, amikor a különböző anyagok kölcsönhatásáról beszélünk. A fázisdiagramok különösen fontosak a mikroelektronikában, mert A vezetékek és passzivációs rétegek gyártásához különféle anyagok széles skáláját kell használni. Az integrált áramkörök gyártása során a szilícium szorosan érintkezik különböző fémekkel, különös figyelmet fordítunk azokra a fázisdiagramokra, amelyekben a szilícium az egyik komponensként jelenik meg.
Ez az absztrakt bemutatja, hogy milyen típusú fázisdiagramok léteznek, a fázisátalakulás fogalmát, a szilárd anyag oldhatóságát és a mikroelektronika legfontosabb anyagrendszereit.
A fázisdiagramok típusai
Az egyfázisú fázisdiagramok olyan grafikonok, amelyek csak egy anyag fázisállapotát ábrázolják a nyomástól, térfogattól és hőmérséklettől függően. Általában nem szokás háromdimenziós grafikont kétdimenziós síkra rajzolni - ábrázolják a vetületét a hőmérséklet - nyomás síkra. ábra egy egyfázisú állapotdiagram példája látható. 1.
Rizs. 1.
A diagram egyértelműen lehatárolja azokat a területeket, ahol az anyag csak egy fázisban létezhet - szilárd, folyékony vagy gáz formájában. A határvonalak mentén egy anyagnak két fázisállapota (két fázisa) lehet, amelyek kontextusban állnak egymással. A kombinációk bármelyike előfordul: szilárd - folyékony, szilárd - gőz, folyadék - gőz. A diagram vonalainak metszéspontjában, az úgynevezett hármaspontban mindhárom fázis egyidejűleg létezhet. Ráadásul ez egyetlen hőmérsékleten lehetséges, így a hármaspont jó referenciapontként szolgál a hőmérsékletekhez. A referenciapont jellemzően a víz hármaspontja (például hőelemes precíziós méréseknél, ahol a referencia csomópont érintkezik a jég-víz-gőz rendszerrel).
A bináris fázisdiagram (bináris rendszer fázisdiagramja) egy kétkomponensű rendszer állapotát ábrázolja. Az ilyen diagramokon a hőmérsékletet az ordináta tengely mentén, a keverék komponenseinek százalékos arányát pedig az abszcissza tengely mentén ábrázoljuk (általában ez vagy a teljes tömeg százaléka (tömeg%) vagy a teljes szám százaléka. atomok (at.%)). A nyomást általában 1 atm-nek feltételezik. Ha folyékony és szilárd fázisokat vesszük figyelembe, a térfogatméréseket figyelmen kívül hagyjuk. ábrán. A 2. ábra egy tipikus kétfázisú fázisdiagramot mutat az A és B komponensekre tömeg vagy atomszázalék felhasználásával.
Rizs. 2.
Egy levél? az A anyag fázisa B oldott anyaggal jelzi, ? a B anyag egy fázisát jelenti, amelyben A anyag van feloldva, mi? + ? A kifejezés ezen fázisok keverékét jelenti. A betű (folyadékból) a folyékony fázist jelenti, és L+?? és L+? folyékony fázis plusz fázis, ill. A fázisokat elválasztó vonalak, vagyis azok a vonalak, amelyeken egy anyag különböző fázisai létezhetnek, a következő elnevezéssel bírnak: solidus - olyan vonal, amelyen fázisok egyidejűleg léteznek? vagy? L+ fázisokkal? és L+? illetőleg; solvus - egy vonal, amelyen a fázisok egyidejűleg léteznek? És? + ? vagy? És? + ?, és a likvidusz az az egyenes, amelyen az L fázis és az L+ fázis? vagy L+?.
Az a pont, ahol két likviduszvonal metszi egymást, gyakran az A és B anyagok összes lehetséges kombinációjának legalacsonyabb olvadáspontja, és ezt eutektikus pontnak nevezik. Az eutektikus ponton komponensek arányát tartalmazó keveréket eutektikus keveréknek (vagy egyszerűen eutektikusnak) nevezzük.
Nézzük meg, hogyan alakul át egy keverék folyékony halmazállapotból (olvadékból) szilárd halmazállapotba, és hogyan segít a fázisdiagram megjósolni az adott hőmérsékleten létező összes fázis egyensúlyi összetételét. Nézzük az ábrát. 3.
Rizs. 3.
Tegyük fel, hogy a keverék kezdetben T1 hőmérsékleten C M összetételű volt, T1 és T2 közötti hőmérsékleten folyékony fázis van, T2 hőmérsékleten pedig L és? A jelenlévő L fázis összetétele C M, a fázis összetétele? van C ?1. A hőmérséklet további T 3-ra csökkenésével a folyadék összetétele a likviduszgörbe mentén változik, és a fázis összetétele? - a szolidusz görbe mentén, amíg az nem metszi a T 3 izotermát (vízszintes vonalat). Most az L fázis összetétele C L, és a fázis összetétele C<2. Meg kell jegyezni, hogy a C α2 összetételnek nemcsak azt az anyagot kell tartalmaznia, amely a T 3 hőmérsékleten, hanem az összes olyan anyag is, amely átment a fázisba? magasabb hőmérsékleten C ?2 összetételűnek kell lennie. A kompozíciók ezen kiegyenlítésének az A komponens szilárd fázisba történő diffúziójával kell megtörténnie, hogy mire a T3 hőmérsékletet elérjük, a fázisban lévő összes anyag C22 összetételű legyen. A hőmérséklet további csökkenése elvezet minket az eutektikus ponthoz. Vannak fázisai? És? a folyékony fázissal egyidejűleg léteznek. Alacsonyabb hőmérsékleten csak fázisok léteznek? És?. Fázisok keveréke képződik? És? összetétel C E aggregátumokkal? a C33 kiindulási összetétellel. Ezután, ha ezt a keveréket hosszú ideig az eutektikum alatti hőmérsékleten tartjuk, szilárd anyagot kaphatunk. A kapott szilárd anyag két fázisból áll. Az egyes fázisok összetétele az izoterma és a megfelelő solvus egyenes metszéspontjában határozható meg.
Most mutatták be, hogyan határozható meg az egyes jelenlévő fázisok összetétele. Most nézzük meg az anyagmennyiség meghatározásának problémáját az egyes fázisokban. A félreértések elkerülése érdekében az ábrán. 4. Ismét egy egyszerű kétfázisú diagram látható. Tegyük fel, hogy T 1 hőmérsékleten az olvadék összetétele C M (jelentése B komponens), akkor T 2 hőmérsékleten az L fázis összetétele C L, és fázis? C s összetételű lesz. Legyen M L egy szilárd halmazállapotú anyag tömege, M S pedig egy szilárd halmazállapotú anyag tömege. A teljes tömeg megmaradásának feltétele a következő egyenlethez vezet
(M L + M S)C M = M L C L + M S C S .
Rizs. 4.
Azt a tényt tükrözi, hogy egy anyag teljes tömege T1 hőmérsékleten, szorozva B százalékával, a B anyag össztömege. Egyenlő a hőmérsékleten a folyékony és szilárd fázisban lévő B anyag tömegének összegével. T2. Ezt az egyenletet megoldva azt kapjuk
Ezt a kifejezést "szintszabálynak" nevezik. Ezt a szabályt alkalmazva, az olvadék kezdeti összetételének és össztömegének ismeretében, a kétfázisú diagram bármely szakaszára meghatározható mindkét fázis tömege és a B anyag mennyisége bármely fázisban. Pontosan ugyanígy tudunk számolni
ábrán. 5. Adunk egy másik példát az olvadékszilárdulásra. A hőmérséklet csökkenése T 1-ről T 2-re az L és? a C M és C összetétellel? . A további lehűlés során az L összetétel a likvidusz mentén változik, és az összetétel? - a solidus mentén, a korábban leírtak szerint. Amikor a hőmérséklet eléri a T 3-at, az összetétel? egyenlővé válik C M-mel, és a szintszabályból következően T 3 alatti hőmérsékleten a folyékony fázis nem létezhet. T4 alatti hőmérsékleten fázisok? És? fázis-aggregátumként léteznek? És?. Például T 5 hőmérsékleten fázis aggregálódik? összetételét a T5 izoterma és a solvus? metszéspontja határozza meg. Összetett? hasonlóan határozza meg - az izoterma és a solvus? metszéspontja.
Rizs. 5.
A kétfázisú diagram metszeteit még mindig hívják? és?, szilárd oldhatóságú területek: a területen? A és B feloldódik, hogy adott hőmérsékleten mennyi A maximálisan oldható B-ben a hőmérséklettől függ. Eutektikus vagy magasabb hőmérsékleten A és B gyors fúziója mehet végbe. Ha a kapott ötvözetet élesen lehűtik, akkor az A atomok „csapdába eshetnek” a B rácsába. De ha a szilárd oldhatóság szobahőmérsékleten sok. alacsonyabb (ez arra utal, hogy ezen a hőmérsékleten a vizsgált megközelítés nem túl megfelelő), akkor az ötvözetben erős feszültségek keletkezhetnek, amelyek jelentősen befolyásolják annak tulajdonságait (jelentős feszültségek jelenlétében túltelített szilárd oldatok keletkeznek, és a rendszer nem egyensúlyi állapot, és a diagram csak az egyensúlyi állapotokról ad információt). Néha kívánatos egy ilyen hatás, például amikor az acélt hűtéssel erősítik martenzit előállításához. De a mikroelektronikában ennek eredménye pusztító lesz. Ezért az adalékolást, azaz a diffúzió előtti adalékanyagok hozzáadását a szilíciumhoz emelt hőmérsékleten végezzük oly módon, hogy elkerüljük a túlzott ötvözés miatti felületi károsodást. Ha az adalékolt szennyeződés mennyisége az aljzatban bármely hőmérsékleten nagyobb, mint a szilárdanyag oldhatósági határértéke, akkor megjelenik egy második fázis és az ezzel járó deformáció.
Rizs. 2.3. Többkomponensű gáz állapotdiagramja.
A tiszta anyaggal ellentétben többkomponensű rendszerek esetén a kétfázisú tartomány térfogatváltozása nyomásváltozással jár (2.3. ábra, o). A folyadék teljes elpárologtatásához folyamatosan csökkenteni kell a nyomást, és fordítva, a gáz teljes lecsapódásához folyamatosan növelni kell a nyomást. Ezért egy többkomponensű rendszerben a párologtatás kezdeti pontjának nyomása nagyobb, mint azon a ponton a nyomás, ahol a kondenzáció kezdődik, és amikor a fázisdiagramot a koordinátákban rekonstruálják.
nyomás - a párolgás kezdőpontjai és a harmatpontok hőmérsékleti görbéi nem esnek egybe. A tiszta anyag fázisdiagramjához képest ezekben a koordinátákban a diagram hurok alakú (2.3,6. ábra). Összefügg a párolgás kezdeti pontjainak görbéje, amely az anyag folyékony és kétfázisú halmazállapotának tartományát elválasztó határvonal, valamint a kétfázisú régiót a párolgási tartománytól elválasztó harmatpont görbe. A kritikus pontban C. Ebben az esetben a kritikus pont nem a maximális nyomás és hőmérséklet azon pontja, amelyen egyidejűleg két fázis létezhet, hanem, mint egy tiszta anyag esetében, a kritikus pontban az anyag sűrűsége és összetétele. a fázisok ugyanazok.
Többkomponensű rendszer esetén pont M azzal a maximális hőmérséklettel, amelyen kétfázisú állapot lehetséges cricondenthermoy, egy pontot N s megfelelő nyomás - cricondenbaroy. E pontok és a kritikus pont között két olyan tartomány van, amelyben a keverék viselkedése eltér a tiszta anyag viselkedésétől. Izoterm kompresszió során, például G hőmérsékleten, a vonal mentén EA, keverék egy ponton való átkelés után E a harmatpont vonala részben lecsapódik és kétfázisú állapotba kerül. További nyomásnövekedéssel a folyadékfázis aránya nő, de csak a pontnak megfelelő bizonyos nyomásig D. Ezt követő nyomásnövekedés a ponttól D a lényegre IN a folyékony fázis arányának csökkenéséhez vezet, majd a keverék visszaáll gőzállapotba. Pontnyomás D, amelynél a maximális mennyiségű folyadékfázis képződik, a maximális kondenzáció nyomásának nevezzük.
Hasonló jelenségek figyelhetők meg folyadék izobárikus melegítése során a vonal mentén LNGB. Kezdetben a keverék egyfázisú folyékony állapotban van. Miután átlépte azon pontok vonalát, ahol a párolgás azon a ponton kezdődik L gőzfázis jelenik meg a keverékben, melynek mennyisége pontig növekszik N. A hőmérséklet ezt követő emelkedése a gőzfázis térfogatának csökkenéséhez vezet, amíg az anyag a ponton vissza nem tér folyékony állapotába. G.
Azokat a területeket, ahol a kondenzáció és a párolgás a tiszta anyag fázisátalakulásával ellentétes irányban megy végbe, retrográd területeknek nevezzük (a 2.3.6. ábrán árnyékolva vannak). Az ezeken a területeken előforduló jelenségeket retrográd (fordított) párolgásnak és retrográd (fordított) kondenzációnak nevezik. Ezeket a jelenségeket széles körben alkalmazzák a helyszíni gázkezelési eljárásokban a gázkondenzátum maximális leválasztását biztosító körülmények kiválasztására.
Hurok alakú fázisdiagram (2.3. ábra, b) minden többkomponensű keverékre jellemző, de a hurok alakja, a kritikus pont helyzete és a retrográd régiók a keverék összetételétől függenek. Ha a tartálykeverék összetétele olyan, hogy a krikondenterma a tartály hőmérsékletének megfelelő izotermától balra helyezkedik el (vonal ft]), majd a terepi fejlesztés során a nyomás csökkenésével ez a keverék csak egyfázisú gázállapotú lesz. Az ilyen összetételű szénhidrogének keverékei gázlerakódásokat képeznek. Ha a keverék összetétele olyan, hogy a tartály hőmérséklete a kritikus hőmérséklet és a krikondenterm hőmérséklet között van (vonal AT^), akkor az ilyen szénhidrogén-elegyek gázkondenzátummezőket képeznek. A nyomáscsökkentés során a tartály hőmérsékletén egy folyékony fázis szabadul fel belőlük - kondenzátum.
Az olajmezők esetében a kritikus pont a tározó hőmérsékleti izotermától jobbra található (vonal GTi). Ha a G pont a kezdeti tartálynyomásnak és a tartály hőmérsékletének megfelelő koordinátákkal azon vonal felett helyezkedik el, ahol a párolgás kezdődik, akkor az olaj egyfázisú folyékony állapotban van, és gázzal alultelített. Csak akkor, ha a nyomás a telítési nyomás alá esik (pont D) Az olajmezőkből a gázfázis elkezd kiszabadulni, amelynek szénhidrogén-elegyének összetétele olyan, hogy a kezdeti tartálynyomás (K pont) a telítési nyomás alatt van, gázsapkával, ami egy gázfázis felhalmozódik. a lerakódás felső részében.