Prosessen med krystallisering av metallegeringer og de relaterte regelmessighetene i strukturen til legeringer er beskrevet ved hjelp av faselikevektsdiagrammer. Disse diagrammene viser fasesammensetningen og strukturen i en praktisk grafisk form som en funksjon av temperatur og konsentrasjon. Diagrammene er konstruert for likevektsforhold; likevektstilstanden tilsvarer minimumsverdien av den frie energien.
Betraktning av tilstandsdiagrammer gjør det mulig å bestemme fasetransformasjoner under forhold med svært langsom avkjøling eller oppvarming. Endringsmønsteret i antall faser i et heterogent system bestemmes av faseregelen.
Fase- en homogen del av systemet, atskilt fra andre deler av systemet (fasene) av grensesnittet, når den passerer gjennom hvilken den kjemiske sammensetningen eller strukturen til stoffet endres brått.
Når man studerer fysiske og kjemiske likevekter, tas temperatur og trykk som eksterne faktorer som påvirker legeringens tilstand. Ved å bruke faseregelen på metaller, er det i mange tilfeller mulig å ta bare én ekstern faktor, temperaturen, som skiftende. trykk, bortsett fra et veldig høyt, har liten effekt på faselikevekten i fast og flytende tilstand. Deretter blir de generelle lovene som styrer eksistensen av stabile faser som oppfyller likevektsbetingelsene uttrykt i matematisk form av faseregelen (Gibbs-regelen) og ved konstant trykk uttrykkes med følgende ligning:
C \u003d K + 1 - ,
Hvor TIL– antall komponenter i systemet; - antall faser; MED er antall frihetsgrader (varians av systemet).
Antall frihetsgrader C er antall uavhengige interne variabler (fasesammensetning) og eksterne (temperatur, trykk) faktorer som kan endres uten å endre antall faser i likevekt. Under fasetransformasjoner i legeringer har den nydannede fasen ikke nødvendigvis et lavere nivå av fri energi enn den opprinnelige, men den frie energien til systemet som helhet må avta under fasetransformasjonen.
Frienergikurver kan brukes til å geometrisk konstruere hovedtypene av tilstandsdiagrammer. De er bygget i temperatur-konsentrasjonskoordinater i vektprosent.
Termisk analyse utviklet av N.S. brukes til å konstruere tilstandsdiagrammer. Kurnakov. Kjølekurver for individuelle legeringer oppnås eksperimentelt, og deres bøyninger eller stopp knyttet til de termiske effektene av transformasjoner brukes til å bestemme temperaturen til de tilsvarende transformasjonene. Disse temperaturene kalles kritiske punkter.
Ved studier av transformasjoner i fast tilstand brukes ulike metoder for fysisk-kjemisk analyse, mikroanalyse, røntgendiffraksjon, dilatometriske, magnetiske analyser, etc.
I flytende tilstand oppløses de fleste metaller på ubestemt tid i hverandre, og danner en enfaset flytende løsning. Eventuelle faser dannet i legeringen avviker i sammensetning fra den opprinnelige flytende løsningen. Derfor krever dannelsen av en stabil kjerne ikke bare heterogene fluktuasjoner, men også konsentrasjonssvingninger. Konsentrasjonssvingninger kalles midlertidige avvik i den kjemiske sammensetningen av legeringen i separate små volumer av en flytende løsning fra dens gjennomsnittlige sammensetning. Slike fluktuasjoner oppstår som et resultat av diffusjonsbevegelsen til atomene i stoffet og på grunn av termiske bevegelser i en flytende løsning. Kjernen til en ny fase kan bare oppstå i de mikrovolumene i den innledende fasen hvis sammensetning, som et resultat av svingninger i konsentrasjonen og arrangementet av atomer, tilsvarer sammensetningen og strukturen til den nye krystalliseringsfasen.
Veksthastigheten til krystaller i flytende løsninger er mindre enn i rene metaller. Dette forklares av det faktum at veksten av krystaller krever diffusjonsbevegelse av atomene til komponentene i den flytende løsningen.
Tilstandsdiagrammet er delt inn i områder med linjer. Separate områder kan bestå av bare én fase, og noen - av to, med forskjellige sammensetninger, strukturer og egenskaper.
Ved å analysere tilstandsdiagrammet kan man få en ide om de spesifikke egenskapene til legeringer til et gitt system av komponenter og arten av endringene deres avhengig av sammensetningen, samt muligheten for varmebehandling av legeringer og oppvarmingstemperaturen for implementeringen av den. .
Type diagram bestemmes av arten av interaksjonene som oppstår mellom komponentene i flytende og fast tilstand.
Tilstandsdiagram for legeringer som danner blandinger av rene komponenter
Begge komponentene i legeringen i flytende tilstand er ubegrenset løselige, mens de i fast tilstand er uløselige og danner ikke kjemiske forbindelser og har ikke polymorfe transformasjoner. Generell visning av diagrammet i fig. 3. Faser: væske - Zh, krystaller - A og B.
Linje DIA- linjen for begynnelsen av krystallisering, er linjen likvidus; linje DSE- linjen til slutten av krystallisering, er linjen solidus. På nett AC krystaller begynner å dannes EN; på nett SW– krystaller I; på nett DSE fra væskekonsentrasjon MED krystaller frigjøres samtidig EN Og I. Den eutektiske blandingen av to typer krystaller som samtidig krystalliserer fra en væske kalles eutektisk.
Ris. Fig. 3. Generell oversikt over tilstandsdiagrammet og kjølekurver for legeringer: 1 – hypereutektisk; 2 - hypoeutektisk; 3 - eutektisk.
På fig. 4 viser skjematisk strukturen til legeringen ved forskjellige krystalliseringsmomenter.
Ris. 4. Struktur av legeringer
Ved å ha et fasediagram kan man spore fasetransformasjonene til enhver legering og indikere sammensetningen og kvantitative forholdet mellom fasene ved enhver temperatur. Dette bestemmes av segmentregelen.
For å bestemme konsentrasjonen av komponenter i to faser gjennom et gitt punkt EN(Fig. 3.), som karakteriserer legeringens tilstand, tegnes en horisontal linje til den skjærer linjene som begrenser dette området. Kryssprojeksjoner V Og Med på den horisontale aksen til diagrammet vil vise sammensetningen av fasene V 1 Og Med 1 . Segmentene av denne linjen mellom punktet EN og prikker V Og Med, som bestemmer sammensetningen av fasene, er omvendt proporsjonal med mengden av disse fasene:
OG=ac/bc; B=ab/bc.
Disse reglene er gyldige for alle tofasede områder av tilstandsdiagrammet.
Ved vurdering av styrken og andre egenskaper til legeringen, bør det tas i betraktning at den delen av legeringen, som er representert av eutektikken, har en høyere styrke enn delen representert av større korn av overskuddsfasen.
Tilstandsdiagram for legeringer med ubegrenset faststoffløselighet
På fig. Figur 5 viser tilstandsdiagrammet for legeringer med ubegrenset løselighet av komponenter i hverandre i flytende og fast tilstand, med samme typer gitter og lignende struktur av de ytre elektronskallene.
Linje AMV- linje likvidus; linje ENNI- linje solidus; fase er en fast løsning av komponenter EN Og I, kornene i denne fasen har et enkelt krystallgitter, men i legeringer med forskjellige sammensetninger, antall atomer til komponentene EN Og I i de elementære cellene i gitteret er annerledes.
Krystallisering av α-faser i legeringer av ulike slag skjer i henhold til segmentregelen. I tilfelle av likevektskrystallisering som skjer ved en tilstrekkelig lav avkjølingshastighet av legeringen, ved slutten av krystalliseringen, sammensetningen av den endelig dannede fasen EN 4 må samsvare med den opprinnelige sammensetningen av legeringen I 1 (i dette tilfellet legering I). Dette skyldes kontinuerlig diffusjon mellom de to fasene.
Ris. Fig. 5. Generelt bilde av tilstandsdiagrammet og kjølekurven til legeringen.
Ved akselerert avkjøling av legeringen under krystallisering har ikke diffusjonsprosessene tid til å fullføres. I denne forbindelse er den sentrale delen av hvert korn beriket med en mer ildfast komponent I, og perifer - lavtsmeltende komponent EN. Dette fenomenet kalles dendritisk segregering, som reduserer styrken og andre egenskaper til legeringer.
Dendritisk segregering kan elimineres ved langvarig gløding. Denne utglødningen kalles diffusjonsgløding. Diffusjonsprosessene som foregår i dette tilfellet utjevner den kjemiske sammensetningen i kornene.
Når en fast løsning dannes, øker strekkfastheten, flytestyrken og hardheten samtidig som en tilstrekkelig høy plastisitet opprettholdes. Dette forklares av det faktum at atomene til det oppløste elementet er gruppert i forvrengte områder av gitteret, noe som forhindrer fremgang av dislokasjoner.
FASEDIAGRAM, en grafisk representasjon av forholdene (temperatur, trykk, kjemisk sammensetning, etc.) under hvilke det i et termodynamisk likevektssystem som består av ett eller flere gitte stoffer (uavhengige komponenter i systemet), er homogene tilstander til et stoff ( fase) med forskjellige fysisk-kjemiske egenskaper. Som ekvivalent med begrepet "fasediagram", brukes begrepet "statsdiagram" (hovedsakelig i Russland og Tyskland). Et tilstandsdiagram blir imidlertid ofte, spesielt i engelskspråklig litteratur, også omtalt som grafer som ikke direkte reflekterer faselikevekter i systemet.
Faser er representert på fasediagrammet som områder avgrenset av kurver eller overflater plassert i rommet til uavhengige termodynamiske variabler. Vanligvis er dette temperatur T, trykk P, molfraksjoner av systemkomponenter x, funksjoner til disse og andre variabler, slik som forhold mellom mengder eller konsentrasjoner av komponenter, tettheter p eller molare volumer V m, partialtrykk eller kjemiske potensialer for stoffer μ. I fravær av ytre kraftfelt er antallet koordinatakser til det komplette diagrammet til et faseåpent system c med komponenter lik c+2. For å skildre flerdimensjonale fasediagrammer på et plan, brukes deres seksjoner og projeksjoner, bygget under visse begrensninger pålagt noen av de uavhengige variablene, ofte i kombinasjon med spesielt utvalgte koordinatsystemer (Jenike-koordinater, Gibbs-Rosebaum-trekanter, etc.). Fasediagrammet viser: hvilke individuelle stoffer, flytende, faste eller gassløsninger som utgjør de gitte komponentene i systemet; under hvilke forhold er slike faser og deres heterogene blandinger termodynamisk stabile; ved hvilke verdier av termodynamiske variabler forekommer fasetransformasjoner av stoffer i systemet. Fasediagrammer som inneholder data om den kjemiske sammensetningen av faser gjør det også mulig å bestemme de relative mengder av sameksisterende faser. Slik informasjon er nødvendig for å løse mange vitenskapelige og praktiske problemer og er mye brukt innen kjemi, metallurgi, materialvitenskap, geokjemi og andre områder innen vitenskap og teknologi.
Koordinatene til fasediagrammet kan være termodynamiske variabler av to typer - parametrene for termisk, mekanisk og kjemisk likevekt T, P, μ, som har samme verdier i alle deler av likevektssystemet, eller (vanligvis forskjellige i forskjellige faser) generaliserte tettheter av omfattende egenskaper, slik som x, p, V m og andre egenskaper lik forholdet mellom omfattende mengder og mengden, massen eller volumet av stoff i systemet. I denne forbindelse er det tre typer fasediagrammer. Diagrammer av samme type er isomorfe: de har de samme topologiske egenskapene uavhengig av antall komponenter og verdiene til spesifikke variabler på koordinataksene.
På fasediagrammer av typen (Т, Р), (Т, μ i), (μ i , μ j) og lignende, med intensive likevektsparametere, presenteres kun faseregioner og linjer (overflater) som skiller dem, som indikerer grensene for stabilitet til individuelle faser. Skjæringspunktene til linjene tilsvarer likevektsforholdene for mer enn to faser. Trippelpunktet på (T, P)-diagrammet til et enkomponentsystem indikerer således betingelsene for stabil sameksistens av tre faser.
I nærvær av en akse av konsentrasjoner, molare egenskaper, tettheter, som for eksempel i fasediagrammet (T, x), (P, x), (μ i, x), (T, p), fasen stabilitetsregioner er atskilt av andre regioner, som gjenspeiler eksistensen av heterogene blandinger av likevektsfaser. Et fasediagram av denne typen for et tokomponent kadmium-sinksystem er vist i figuren. Diagrammet til dette to-komponentsystemet har to koordinatakser, og ikke fire, som kreves av uttrykket ovenfor c + 2, siden betingelsen for konstant P ble brukt i konstruksjonen og to uavhengige variabler av mengden Cd og Zn ble erstattet ved én konsentrasjon x Zn (x Cd = 1 - xZn). Den øvre delen av figuren er et væske-damp-likevektsdiagram. Den brutte kurven som forbinder smeltepunktene til rene komponenter kalles likviduslinjen og viser "smeltediagrammet" til systemet. Rette linjer (konoder) tegnet i det heterogene området av et slikt fasediagram mellom grensene til to sameksisterende faser parallelt med konsentrasjonsaksen (se den eutektiske konoden i figuren) gjør det mulig for enhver gitt komponentsammensetning av systemet å bestemme antall sameksisterende faser ("leverregel").
I fasediagrammet av den tredje typen - (xi, x j), (xi, p), (molar entropi, x), (molar entalpi, x) og andre - er bare generaliserte tettheter av omfattende termodynamiske egenskaper koordinater. Disse diagrammene viser også heterogene blandinger av faser og konoder, men i motsetning til de to andre typene fasediagrammer vises i dette tilfellet tilstanden til heterogene blandinger som en flat eller tredimensjonal figur (trekant, tetraeder) og det er mulig å bestemme den kvantitative fasesammensetningen til systemet når tre og flere faser (figurens "tyngdepunktsregel").
Fasediagrammer studeres eksperimentelt og beregnes etter metodene for kjemisk termodynamikk i henhold til data om de termodynamiske egenskapene til stoffene som utgjør systemet. Det teoretiske grunnlaget for å konstruere fasediagrammer ble gitt av J. Gibbs på 1880-tallet. Han formulerte også "faseregelen" (se Gibbs faseregel), som er mye brukt i den eksperimentelle studien av faselikevekter og fasediagrammer: ved faste T og P kan ikke antall likevektsfaser f overstige antallet system komponenter med mer enn to, f ≤ c + 2.
Lit.: Palatnik L. S., Landau A. I. Faselikevekter i flerkomponentsystemer. Har., 1961; Kaufman L., Bernstein H. Beregning av tilstandsdiagrammer [av metallsystemer] ved hjelp av en datamaskin. M., 1972; Fysisk metallurgi / Redigert av R. Kahn, P. Haazen. M., 1987. T. 2.
Figur 3.3 viser fasediagrammet i P-V-koordinater, og i Figur 3.4 - i T-S-koordinater.
Fig.3.3. Fase P-V diagram Fig.3.4. Fase T-S diagram
Notasjon:
m + w er området for likevekts sameksistens av fast og væske
m + p er området for likevekts sameksistens av fast stoff og damp
l + p er området for likevekts sameksistens av væske og damp
Hvis på P - T-diagrammet områdene av tofasetilstander ble avbildet av kurver, så er P - V- og T - S-diagrammene noen områder.
Linjen AKF kalles grensekurven. Den er på sin side delt inn i en nedre grensekurve (seksjon AK) og en øvre grensekurve (seksjon KF).
I figur 3.3 og 3.4 er linjen BF, der områdene i tre tofasetilstander møtes, det strakte trippelpunktet T fra figur 3.1 og 3.2.
Når et stoff smelter, som i likhet med fordampning fortsetter ved konstant temperatur, dannes det en likevekts tofaseblanding av faste og flytende faser. Verdiene for det spesifikke volumet av væskefasen i sammensetningen av tofaseblandingen er tatt i fig. 3.3 med AN-kurven, og verdiene for det spesifikke volumet til den faste fasen er tatt med BE kurve.
Inne i området avgrenset av AKF-konturen er stoffet en blanding av to faser: kokende væske (L) og tørr mettet damp (P).
På grunn av volumadditiviteten bestemmes det spesifikke volumet til en slik tofaseblanding av formelen
spesifikk entropi:
Enkeltpunkter i fasediagrammer
trippelpunkt
Trippelpunktet er punktet der likevektskurvene til de tre fasene konvergerer. I figurene 3.1 og 3.2 er dette punkt T.
Noen rene stoffer, for eksempel svovel, karbon, etc., har flere faser (modifikasjoner) i den faste aggregeringstilstanden.
Det er ingen modifikasjoner i flytende og gassformig tilstand.
I henhold til ligning (1.3) kan ikke mer enn tre faser samtidig være i likevekt i et en-komponent termisk deformasjonssystem.
Hvis et stoff i fast tilstand har flere modifikasjoner, overstiger det totale antallet faser av stoffet totalt tre, og et slikt stoff må ha flere trippelpunkter. Som et eksempel viser Fig. 3.5 P-T fasediagrammet for et stoff som har to modifikasjoner i fast aggregeringstilstand.
Fig.3.5. Fase P-T diagram
stoffer med to krystallinske
hvilke faser
Notasjon:
I - flytende fase;
II - gassfase;
III 1 og III 2 - modifikasjoner i den faste aggregeringstilstanden
(krystallinske faser)
Ved trippelpunktet T 1 er følgende i likevekt: gassformig, flytende og krystallinsk fase III 2. Dette punktet er grunnleggende trippelpunkt.
Ved trippelpunktet T 2 i likevekt er: flytende og to krystallinske faser.
Ved trippelpunktet T 3 er gassfasen og de to krystallinske fasene i likevekt.
Vann har fem krystallinske modifikasjoner (faser): III 1, III 2, III 3, III 5, III 6.
Vanlig is er en krystallinsk fase III 1, og de resterende modifikasjonene dannes ved svært høye trykk, som utgjør tusenvis av MPa.
Vanlig is eksisterer opp til et trykk på 204,7 MPa og en temperatur på 22 0 C.
De resterende modifikasjonene (fasene) er is tettere enn vann. En av disse isene - "varm is" ble observert ved et trykk på 2000 MPa opp til en temperatur på + 80 0 C.
Termodynamiske parametere grunnleggende trippelpunktsvann følgende:
T tr \u003d 273,16 K \u003d 0,01 0 C;
P tr \u003d 610,8 Pa;
V tr \u003d 0,001 m 3 / kg.
Smeltekurve anomali ( 
) eksisterer bare for vanlig is.
Introduksjon
Fasediagrammer er en integrert del av enhver diskusjon om materialers egenskaper når det kommer til samspillet mellom ulike materialer. Fasediagrammer er spesielt viktige i mikroelektronikk, fordi for fremstilling av ledninger og passiveringslag må det brukes et stort sett med forskjellige materialer der. Ved produksjon av integrerte kretser er silisium i nær kontakt med forskjellige metaller; vi vil være spesielt oppmerksomme på de fasediagrammene der silisium fremstår som en av komponentene.
Dette essayet diskuterer hvilke typer fasediagrammer, konseptet faseovergang, fast løselighet, de viktigste stoffene for mikroelektronikk.
Typer fasediagrammer
Enfasetilstandsdiagrammer er grafer som, avhengig av trykk, volum og temperatur, viser fasetilstanden til kun ett materiale. Det er vanligvis ikke vanlig å tegne en tredimensjonal graf på et todimensjonalt plan - de viser dens projeksjon på temperatur-trykkplanet. Et eksempel på et enfasetilstandsdiagram er gitt i fig. 1.
Ris. 1.
Diagrammet avgrenser tydelig områdene der materialet kan eksistere i bare én fasetilstand - som fast stoff, væske eller gass. Langs de avgrensede linjene kan et stoff ha to fasetilstander (to faser) i sammenheng med hverandre. Enhver av kombinasjonene finner sted: fast - væske, fast - damp, væske - damp. Ved skjæringspunktet mellom linjene i diagrammet, det såkalte trippelpunktet, kan alle tre fasene eksistere samtidig. Dessuten er dette mulig ved en enkelt temperatur, så trippelpunktet fungerer som et godt temperaturreferansepunkt. Vanligvis er referansepunktet vannets trippelpunkt (for eksempel i presisjonsmålinger ved bruk av termoelementer, hvor referansekrysset er i kontakt med is-vann-damp-systemet).
Tofasediagrammet (dobbelt systemtilstandsdiagram) representerer tilstanden til et system med to komponenter. I slike diagrammer er temperaturen plottet langs ordinataksen, og prosentandelen av blandingskomponentene er plottet langs abscisseaksen (vanligvis er det enten en prosentandel av den totale massen (vekt%), eller en prosentandel av det totale antallet av atomer (at.%)). Trykket antas vanligvis å være 1 atm. Hvis flytende og faste faser vurderes, neglisjeres volummålingen. På fig. 2. viser et typisk tofasetilstandsdiagram for komponentene A og B ved bruk av vekt eller atomprosent.
Ris. 2.
Brev? fasen av stoff A med oppløst stoff B er betegnet, ? betyr fasen av stoff B med stoff A oppløst i det, ikke sant? +? betyr en blanding av disse fasene. Bokstaven (fra væske - væske) betyr væskefasen, og L + ?? og L+? bety væskefasen pluss fase eller hhv. Linjene som skiller fasene, det vil si linjene som ulike faser av et stoff kan eksistere på, har følgende navn: solidus - en linje på hvilke faser eksisterer samtidig? eller? med fasene L+? og L+? henholdsvis; solvus - en linje på hvilke faser sameksisterer samtidig? Og? +? eller? Og? + ?, og likvidus er linjen hvor fasen L og fasen L+? eller L+?.
Skjæringspunktet mellom to likviduslinjer er ofte det laveste smeltepunktet for alle mulige kombinasjoner av stoffene A og B og kalles det eutektiske punktet. En blanding med et forhold mellom komponenter ved det eutektiske punktet kalles en eutektisk blanding (eller ganske enkelt et eutektisk).
La oss vurdere hvordan overgangen til en blanding fra en flytende tilstand (smelte) til en fast en skjer og hvordan fasediagrammet hjelper til med å forutsi likevektssammensetningen til alle faser som eksisterer ved en gitt temperatur. La oss gå til fig. 3.
Ris. 3.
La oss anta at blandingen i begynnelsen hadde sammensetningen C M ved en temperatur T 1 , ved en temperatur fra T 1 til T 2 er det en væskefase, og ved en temperatur T 2 er det samtidig fasene L og?. Sammensetningen av den foreliggende fase L er C M, sammensetningen av fasen? er C-1. Ved ytterligere temperaturnedgang til T 3 endres væskesammensetningen langs likviduskurven, og fasens sammensetning? - langs solidus-kurven til skjæringspunktet med isotermen (horisontal linje) T 3 . Nå er sammensetningen av fasen L CL, og sammensetningen av fasen er C -2. Det skal bemerkes at sammensetningen C ved en temperatur T 3 , men også alt stoffet som har gått over i fasen? ved høyere temperatur, bør ha en sammensetning på C < 2 . Denne innrettingen av sammensetningene bør skje ved faststoffdiffusjon av komponent A inn i den eksisterende fasen A, slik at når temperaturen T3 er nådd, vil alt stoffet i fasen A ha sammensetningen C22. En ytterligere nedgang i temperaturen bringer oss til det eutektiske punktet. Har den faser? Og? eksisterer samtidig med væskefasen. Ved lavere temperaturer eksisterer bare faser? Og?. En blanding av faser dannes? Og? sammensetning C E med tilslag? med den opprinnelige sammensetning C <3. Deretter, ved å holde denne blandingen i lang tid ved en temperatur under eutektikken, kan du få et fast stoff. Det resulterende faste legemet vil bestå av to faser. Sammensetningen av hver av fasene kan bestemmes ved skjæringspunktet mellom isotermen og den tilsvarende solvuslinjen.
Det er nettopp vist hvordan man bestemmer sammensetningen av hver av fasene som er tilstede. Vurder nå problemet med å bestemme mengden stoff i hver fase. For å unngå forvirring, i fig. 4. Igjen vises et enkelt to-fase diagram. Anta at ved temperatur T 1 er sammensetningen av smelten C M (som betyr komponent B), så ved T 2 har fase L sammensetning CL , og fase? vil ha sammensetning C s . La M L være massen til et stoff i fast tilstand, og M S være massen til stoffet i fast tilstand. Betingelsen for bevaring av den totale massen fører til følgende ligning
(M L + M S) C M = M L C L + M S C S.
Ris. 4.
Det gjenspeiler det faktum at den totale massen til et stoff ved en temperatur T 1, multiplisert med prosenten B, er den totale massen til et stoff B. Den er lik summen av massene til et stoff B som finnes i væske og faste faser ved en temperatur T2. Å løse denne ligningen, får vi
Dette uttrykket er kjent som "nivåregelen". Ved å bruke denne regelen, ved å kjenne den opprinnelige sammensetningen av smelten og dens totale masse, er det mulig å bestemme massene til begge fasene og mengden av stoff B i en hvilken som helst fase for en hvilken som helst del av tofasediagrammet. På samme måte kan man regne
På fig. 5. viser et annet eksempel på smeltestørkning. Senking av temperaturen fra T 1 til T 2 fører til blanding av fasene L og? med komposisjonen C M og C ? . Ved ytterligere avkjøling endres sammensetningen av L langs liquidusen, og sammensetningen? - langs solidus, som beskrevet tidligere. Ved å nå temperaturen T 3 sammensetning? blir lik C M, og, som følger av nivåregelen, ved en temperatur lavere enn T 3 kan ikke væskefasen eksistere. Ved en temperatur lavere enn T 4 fase? Og? eksisterer som aggregater av faser? Og?. For eksempel, ved en temperatur T 5 fase aggregater? vil ha en sammensetning bestemt av skjæringspunktet mellom T5-isotermen og solvus?. Sammensatt? bestemmes på samme måte - av skjæringspunktet mellom isotermen og solvus?.
Ris. 5.
Deler av tofasediagrammet, kalt så langt? og ?, er områder med fast løselighet: i området? A og B er oppløst. Maksimal mengde A som kan løses i B ved en gitt temperatur er temperaturavhengig. Ved eutektiske eller høyere temperaturer kan rask fusjon av A og B finne sted. Hvis den resulterende legeringen avkjøles raskt, kan A-atomer "fanges" i B-gitteret. Men hvis den faste løseligheten ved romtemperatur er mye lavere (dette indikerer at ved denne temperaturen er den betraktede tilnærmingen lite egnet), da kan det oppstå sterke spenninger i legeringen, noe som påvirker dens egenskaper betydelig (i nærvær av betydelige spenninger oppstår overmettede faste løsninger, og systemet er ikke i likevekt tilstand, og diagrammet gir kun informasjon om likevektstilstander). Noen ganger er en slik effekt ønskelig, for eksempel ved herding av stål ved herding for å oppnå martensitt. Men i mikroelektronikk vil resultatet være ødeleggende. Derfor utføres doping, dvs. tilsetning av tilsetningsstoffer til silisium før diffusjon, ved forhøyede temperaturer på en slik måte at man forhindrer skade på overflaten på grunn av overdreven legering. Hvis mengden av dopingmiddel i substratet er høyere enn fast løselighetsgrensen ved en hvilken som helst temperatur, vises en andre fase og deformasjonen forbundet med den.
Ris. 2.3. Tilstandsdiagram av en flerkomponentgass.
I motsetning til et rent stoff for flerkomponentsystemer, er en volumendring i et tofaseområde ledsaget av en trykkendring (fig. 2.3, o). For fullstendig fordampning av væsken er det nødvendig å kontinuerlig senke trykket, og omvendt, for fullstendig kondensering av gassen, er det nødvendig å kontinuerlig øke trykket. Derfor er trykket til fordampningsstartpunktet for et flerkomponentsystem høyere enn trykket til kondensasjonsstartpunktet, og når fasediagrammet bygges om i koordinater
trykk - temperaturkurver for start av fordampning og duggpunkter stemmer ikke overens. Sammenlignet med fasediagrammet til et rent stoff, har diagrammet i disse koordinatene form av en løkke (fig. 2.3.6). Kurven for punktene for begynnelsen av fordampningen, som er grensen som skiller regionene i væske- og tofasetilstandene til et stoff, og kurven for duggpunktene, som skiller tofaseområdet fra fordampningsområdet, er koblet til kritisk punkt C. I dette tilfellet er det kritiske punktet ikke et punkt med maksimalt trykk og temperatur, der begge to fasene kan eksistere, men, som i tilfellet med et rent stoff, ved det kritiske punktet, tettheten og sammensetningen av fasene er den samme.
For et flerkomponentsystem er poenget M med den maksimale temperaturen der en tofasetilstand er mulig kalles crikondenterma, en prikk N s passende trykk - krikondenbara. Mellom disse punktene og det kritiske punktet er det to områder hvor oppførselen til blandingen er forskjellig fra den rene substansen. Under isotermisk kompresjon, for eksempel ved en temperatur T, langs linjen EA, blanding etter kryssing ved et punkt E Duggpunktlinjene kondenserer delvis og går inn i en tofasetilstand. Med ytterligere trykkøkning øker brøkdelen av væskefasen, men bare for et visst trykk som tilsvarer punktet D. Den påfølgende økningen i trykk fra punktet D til punktet I fører til en reduksjon i andelen av væskefasen, og deretter går blandingen igjen over i damptilstand. Punkttrykk D, hvor den maksimale mengden av væskefasen dannes kalles trykket for maksimal kondensasjon.
Lignende fenomener observeres også under isobarisk oppvarming av en væske langs linjen LNGB. Til å begynne med er blandingen i en enfaset flytende tilstand. Etter å ha krysset linjen av punkter av begynnelsen av fordampning ved punktet L en dampfase vises i blandingen, mengden av denne vokser til punkt N. En påfølgende økning i temperaturen fører til en reduksjon i volumet av dampfasen inntil stoffet går tilbake til flytende tilstand ved punktet G.
Områdene der kondensasjon og fordampning skjer i motsatt retning av fasetransformasjonene til et rent stoff kalles retrograde områder (de er skravert i fig. 2.3.6). Fenomenene som oppstår i disse områdene kalles retrograd (revers) fordampning og retrograd (revers) kondensasjon. Disse fenomenene er mye brukt i gassbehandlingsprosesser i felten for å velge forholdene under hvilke maksimal separasjon av gasskondensat sikres.
Den sløyfeformede formen til fasediagrammet (fig. 2.3, b) karakteristisk for alle flerkomponentblandinger, men formen på løkken, posisjonen til det kritiske punktet og retrograde områder avhenger av blandingens sammensetning. Hvis sammensetningen av reservoarblandingen er slik at cricondentermen er plassert til venstre for isotermen tilsvarende reservoartemperaturen (linjer ft]), da trykket avtar under utviklingen av feltet, vil denne blandingen kun være i en enfaset gassform. Hydrokarbonblandinger av denne sammensetningen danner gassfelt. Hvis sammensetningen av blandingen er slik at formasjonstemperaturen er mellom den kritiske temperaturen og temperaturen til cricondenthermen (linje AT^), da danner slike hydrokarbonblandinger gasskondensatfelt. I prosessen med trykkreduksjon ved reservoartemperatur, vil en væskefase - kondensat - frigjøres fra dem.
For oljefelt er det kritiske punktet plassert til høyre for formasjonstemperaturisotermen (linje GTi). Hvis punkt G med koordinater som tilsvarer det innledende reservoartrykket og reservoartemperaturen er plassert over fordampningsstartlinjen, er oljen i en enfaset flytende tilstand og er undermettet med gass. Bare når trykket faller under metningstrykket (punkt D) gassfasen begynner å skille seg fra olje Oljefelt, hvis sammensetning av hydrokarbonblandingen er slik at det innledende reservoartrykket (punkt K) er under metningstrykk, har en gasshette, som er en gassfase akkumulert i den øvre delen av reservoaret.