Metal alaşımlarının kristalleşme süreci ve alaşımların birçok ilişkili yapısal modeli, faz dengesi diyagramları kullanılarak açıklanmaktadır. Bu diyagramlar, sıcaklığın ve konsantrasyonun bir fonksiyonu olarak faz bileşimini ve yapısını uygun grafik biçiminde gösterir. Diyagramlar denge koşulları için çizilmiştir; denge durumu minimum serbest enerji değerine karşılık gelir.
Faz diyagramlarının incelenmesi, çok yavaş soğutma veya ısıtma koşulları altında faz dönüşümlerinin belirlenmesine olanak sağlar. Heterojen bir sistemdeki faz sayısındaki değişimlerin şekli faz kuralıyla belirlenir.
Faz- geçiş sırasında maddenin kimyasal bileşiminin veya yapısının aniden değiştiği, sistemin diğer kısımlarından (fazlardan) bir arayüzle ayrılan sistemin homojen bir kısmı.
Fizikokimyasal dengeler incelenirken alaşımın durumunu etkileyen dış faktörler olarak sıcaklık ve basınç alınır. Faz kuralını metallere uyguladığımızda çoğu durumda değişen tek bir dış faktörün sıcaklık olduğunu kabul etmek mümkündür, çünkü Basıncın, çok yüksek basınç dışında, katı ve sıvı hallerde faz dengesi üzerinde çok az etkisi vardır. Daha sonra denge koşullarını karşılayan kararlı fazların varlığının genel yasaları, faz kuralı (Gibbs kuralı) ile matematiksel biçimde ifade edilir ve sabit basınçta aşağıdaki denklemle ifade edilir:
C = K + 1 - ,
Nerede İLE– sistemdeki bileşenlerin sayısı; - faz sayısı; İLE– serbestlik derecesi sayısı (sistem değişkenliği).
Serbestlik derecesi sayısı C, dengedeki faz sayısını değiştirmeden değiştirilebilen bağımsız iç değişkenlerin (faz bileşimi) ve dış (sıcaklık, basınç) faktörlerin sayısıdır. Alaşımlardaki faz dönüşümleri sırasında, yeni oluşan fazın orijinal fazdan daha düşük bir serbest enerji seviyesine sahip olması şart değildir, ancak faz dönüşümü süreci sırasında bir bütün olarak sistemin serbest enerjisinin mutlaka azalması gerekir.
Serbest enerji eğrilerinden temel faz diyagramları geometrik olarak oluşturulabilir. Kütle yüzdesi olarak sıcaklık-konsantrasyon koordinatlarında çizilirler.
Faz diyagramlarını oluşturmak için N.S. tarafından geliştirilen termal analiz kullanılır. Kurnakov. Bireysel alaşımların soğuma eğrileri deneysel olarak elde edilir ve dönüşümlerin termal etkileriyle ilişkili bükülmeleri veya durmaları temel alınarak karşılık gelen dönüşümlerin sıcaklığı belirlenir. Bu sıcaklıklara kritik noktalar denir.
Katı haldeki dönüşümleri incelerken çeşitli fizikokimyasal analiz, mikroanaliz, X-ışını kırınımı, dilatometrik, manyetik analiz vb. yöntemler kullanılır.
Sıvı halde çoğu metal birbiri içinde süresiz olarak çözünür ve tek fazlı bir sıvı çözelti oluşturur. Alaşımda oluşan herhangi bir fazın bileşimi orijinal sıvı çözeltiden farklıdır. Bu nedenle stabil bir embriyonun oluşması için sadece heterojen dalgalanmalar değil, aynı zamanda konsantrasyon dalgalanmaları. Konsantrasyon dalgalanmaları, bir alaşımın kimyasal bileşiminde, bireysel küçük hacimlerdeki bir sıvı çözeltinin ortalama bileşiminden geçici sapmalardır. Bu tür dalgalanmalar, bir maddenin atomlarının difüzyon hareketinin bir sonucu olarak ve bir sıvı çözeltideki termal hareketler nedeniyle ortaya çıkar. Yeni bir fazın çekirdeği, yalnızca ilk fazın mikro hacimlerinde ortaya çıkabilir; bunun bileşimi, atomların konsantrasyonu ve düzenlenmesindeki dalgalanmaların bir sonucu olarak, yeni kristalleşme fazının bileşimine ve yapısına karşılık gelir.
Sıvı çözeltilerde kristal büyüme hızı saf metallere göre daha azdır. Bu, kristal büyümesinin, bileşen atomlarının sıvı bir çözelti içinde difüzyon hareketini gerektirmesi gerçeğiyle açıklanmaktadır.
Durum diyagramı çizgilerle alanlara bölünmüştür. Bazı alanlar tek fazdan oluşabileceği gibi bazıları da farklı bileşim, yapı ve özelliklere sahip iki fazdan oluşabilir.
Faz diyagramını analiz ederek, belirli bir bileşen sisteminin alaşımlarının spesifik özellikleri ve bileşime bağlı olarak bunların değişikliklerinin doğası, ayrıca alaşımların ısıl işlem olasılığı ve Bunun için ısıtma sıcaklığı.
Diyagramın türü, sıvı ve katı hallerdeki bileşenler arasında ortaya çıkan etkileşimlerin doğasına göre belirlenir.
Saf bileşenlerin karışımlarını oluşturan alaşımlar için faz diyagramı
Alaşımın her iki bileşeni de sıvı halde sonsuz çözünür ve katı halde çözünmez ve kimyasal bileşikler oluşturmaz ve polimorfik dönüşümlere sahip değildir. Şekil 2'deki diyagramın genel görünümü. 3. Fazlar: sıvı - L, kristaller - A ve B.
Astar DIA– kristalleşmenin başlangıç çizgisi çizgidir sıvılaşma; astar DSE– kristalleşmenin bitiş çizgisi çizgidir katılaşma. Çevrimiçi klima kristaller öne çıkmaya başlıyor A;çevrimiçi kuzeydoğu– kristaller İÇİNDE; çevrimiçi DSE sıvı konsantrasyonundan İLE kristaller aynı anda serbest bırakılır A Ve İÇİNDE. Bir sıvıdan aynı anda kristalleşen iki tür kristalin ötektik karışımına denir. ötektik.
Pirinç. 3. Alaşımların durum diyagramının ve soğuma eğrilerinin genel görünümü: 1 – ötektik ötesi; 2 – ötektik altı; 3 – ötektik.
Şek. Şekil 4, farklı kristalleşme anlarında alaşımın yapısını şematik olarak göstermektedir.
Pirinç. 4. Alaşımların yapısı
Bir faz diyagramına sahip olarak, herhangi bir alaşımın faz dönüşümlerini izleyebilir ve herhangi bir sıcaklıkta fazların bileşimini ve niceliksel oranını belirtebilirsiniz. Bu, segment kuralıyla belirlenir.
Belirli bir noktadan iki fazdaki bileşenlerin konsantrasyonunu belirlemek A(Şekil 3.), alaşımın durumunu karakterize eden, bu alanı sınırlayan çizgilerle kesişene kadar yatay bir çizgi çizin. Kesişme noktalarının projeksiyonları V Ve İle faz bileşimleri diyagramın yatay ekseninde gösterilecektir V 1 Ve İle 1 . Bu çizginin nokta arasındaki bölümleri A ve noktalar V Ve İle Fazların bileşimlerini belirleyen bu fazların miktarları ile ters orantılıdır:
VE=ac/bc; B=ab/bc.
Bu kurallar faz diyagramının herhangi iki fazlı bölgesi için geçerlidir.
Alaşımın mukavemeti ve diğer özellikleri değerlendirilirken, alaşımın ötektik tarafından temsil edilen kısmının, fazla fazın daha büyük tanecikleri ile temsil edilen kısımdan daha yüksek bir mukavemete sahip olduğu akılda tutulmalıdır.
Katı halde sınırsız çözünürlüğe sahip alaşımlar için faz diyagramı
Şek. Şekil 5, sıvı ve katı haldeki bileşenlerin birbirleri içinde sınırsız çözünürlüğüne sahip, aynı tip kafeslere ve dış elektron kabuklarının benzer yapısına sahip olan alaşımlar için bir faz diyagramını göstermektedir.
Astar AMV- astar sıvılaşma; astar ANİÇİNDE- astar katılaşma; faz, bileşenlerin katı bir çözümüdür A Ve İÇİNDE, bu fazın taneleri tek bir kristal kafeye sahiptir, ancak farklı bileşimlerdeki alaşımlarda bileşen atomlarının sayısı A Ve İÇİNDE Kafesin birim hücrelerinde farklıdır.
Çeşitli türlerdeki alaşımlarda α-fazlarının kristalleşmesi segment kuralına göre gerçekleşir. Alaşımın yeterince düşük bir soğutma hızında meydana gelen denge kristalizasyonu durumunda, kristalizasyonun sonunda nihai olarak oluşan fazın bileşimi A 4 orijinal alaşım bileşimine uygun olmalıdır İÇİNDE 1 (bu durumda alaşım I). Bunun nedeni her iki faz arasında sürekli olarak meydana gelen difüzyondur.
Pirinç. 5. Alaşımın durum diyagramının ve soğuma eğrisinin genel görünümü.
Alaşımın kristalizasyon sırasında hızlandırılmış soğuması durumunda difüzyon işlemlerinin tamamlanması için zaman yoktur. Bu bağlamda, her bir taneciğin orta kısmının daha dayanıklı bir bileşenle zenginleştirildiği ortaya çıkıyor. İÇİNDE, ve çevresel olan düşük erime noktalı bir bileşendir A. Bu fenomene denir dendritik sıvılaşma alaşımların mukavemetini ve diğer özelliklerini azaltır.
Dendritik ayrışma uzun süreli tavlama ile ortadan kaldırılabilir. Bu tavlamaya difüzyon tavlaması denir. Bu durumda meydana gelen difüzyon süreçleri, tanelerdeki kimyasal bileşimi dengeler.
Katı bir çözelti oluştuğunda, yeterince yüksek bir süneklik korunurken çekme mukavemeti, akma mukavemeti ve sertlik artar. Bu, çözünmüş elementin atomlarının, dislokasyonların ilerlemesini engelleyen kafesin çarpık bölgelerinde gruplanmasıyla açıklanmaktadır.
FAZ DİYAGRAMI, bir veya daha fazla belirli maddeden (sistemin bağımsız bileşenleri) oluşan bir denge termodinamik sisteminde, maddenin homojen durumlarının (fazlar) mevcut olduğu koşulların (sıcaklık, basınç, kimyasal bileşim vb.) grafiksel temsili farklı fizikokimyasal özelliklere sahiptir. “Durum diyagramı” terimi, “faz diyagramı” terimine eşdeğer olarak kullanılır (özellikle Rusya ve Almanya'da). Bununla birlikte, özellikle İngilizce literatürde, bir faz diyagramına sıklıkla sistemdeki faz dengesini doğrudan yansıtmayan grafikler de denir.
Fazlar, bağımsız termodinamik değişkenlerin uzayında yer alan eğriler veya yüzeylerle sınırlanan bölgeler şeklinde bir faz diyagramında temsil edilir. Genellikle bu, sıcaklık T, basınç P, sistem x bileşenlerinin mol kesirleri, bunların fonksiyonları ve bileşenlerin miktarları veya konsantrasyonları oranları, yoğunluklar p veya molar hacimler Vm, kısmi basınçlar veya maddelerin kimyasal potansiyelleri gibi diğer değişkenlerdir. μ. Dış kuvvet alanlarının yokluğunda, bileşenleri olan açık bir sistemin tam faz diyagramının koordinat eksen sayısı c+2'ye eşittir. Bir düzlem üzerinde çok boyutlu faz diyagramlarını göstermek için, bazı bağımsız değişkenlere uygulanan belirli kısıtlamalar altında oluşturulan kesitleri ve izdüşümleri kullanılır ve genellikle özel olarak seçilmiş koordinat sistemleriyle (Jenicke koordinatları, Gibbs-Rosebohm üçgenleri vb.) kombinasyon halinde oluşturulur. Faz diyagramı şunları gösterir: sistemin belirli bileşenlerini hangi bireysel maddelerin, sıvı, katı veya gaz çözeltilerinin oluşturduğu; bu tür fazlar ve bunların heterojen karışımları hangi koşullar altında termodinamik olarak stabildir; Sistemde maddelerin faz dönüşümleri termodinamik değişkenlerin hangi değerlerinde meydana gelir. Fazların kimyasal bileşimine ilişkin verileri içeren faz diyagramları aynı zamanda bir arada bulunan fazların bağıl miktarlarının belirlenmesini de mümkün kılar. Bu tür bilgiler birçok bilimsel ve pratik problemin çözümü için gereklidir ve kimya, metalurji, malzeme bilimi, jeokimya ve diğer bilim ve teknoloji alanlarında yaygın olarak kullanılmaktadır.
Faz diyagramının koordinatları iki tip termodinamik değişken olabilir - denge sisteminin tüm kısımlarında aynı değerlere sahip olan termal, mekanik ve kimyasal denge T, P, μ parametreleri veya (genellikle farklı fazlarda farklı) ) x, p , Vm gibi kapsamlı özelliklerin genelleştirilmiş yoğunlukları ve ekstensif miktarların sistemdeki maddenin miktarına, kütlesine veya hacmine oranına eşit diğer özellikler. Bu bağlamda üç tip faz diyagramı ayırt edilir. Aynı tipteki diyagramlar izomorfiktir: bileşen sayısından ve koordinat eksenlerindeki belirli değişkenlerin değerlerinden bağımsız olarak aynı topolojik özelliklere sahiptirler.
Yoğun denge parametrelerine sahip (T, P), (T, μ i), (μ i, μ j) ve benzeri türdeki faz diyagramlarında, yalnızca faz bölgeleri ve bunları ayıran çizgiler (yüzeyler) sunulur. bireysel aşamaların stabilite sınırlarını gösterir Doğruların kesişme noktaları ikiden fazla fazın denge koşullarına karşılık gelir. Dolayısıyla, tek bileşenli bir sistemin (T, P) diyagramındaki üçlü nokta, üç fazın kararlı bir şekilde bir arada bulunmasının koşullarını gösterir.
Örneğin faz diyagramında (T, x), (P, x), (μ i, x), (T, p), faz bölgeleri gibi konsantrasyonların, molar özelliklerin, yoğunlukların bir ekseni varsa stabilite, denge fazlarının heterojen karışımlarının varlığını yansıtan diğer bölgelerle ayrılır. İki bileşenli bir kadmiyum-çinko sistemi için bu tip bir faz diyagramı şekilde gösterilmiştir. Bu iki bileşenli sistemin şeması, +2 ile yukarıdaki ifadenin gerektirdiği gibi dört değil, iki koordinat eksenine sahiptir, çünkü yapımında P'nin sabitlik koşulu ve Cd ve Zn miktarının iki bağımsız değişkeni kullanılmıştır. bir konsantrasyon x Zn (x Cd = 1 - x Zn) ile değiştirildi. Şeklin üst kısmı sıvı-buhar denge diyagramıdır. Saf bileşenlerin erime noktalarını birleştiren kesikli eğriye likidüs çizgisi denir; sistemin "eriyebilirlik diyagramını" gösterir. Konsantrasyon eksenine paralel olarak bir arada bulunan iki fazın sınırları arasında böyle bir faz diyagramının heterojen bölgesinde çizilen düz çizgiler (konodlar), sistemin herhangi bir belirli bileşen bileşimi için, miktarların belirlenmesine olanak tanır birlikte var olan aşamaların (“kaldıraç kuralı”).
Üçüncü türün faz diyagramında - (xi, xj), (xi, p), (molar entropi, x), (molar entalpi, x), vb. - koordinatlar yalnızca kapsamlı termodinamik özelliklerin genelleştirilmiş yoğunluklarıdır. Bu diyagramlar aynı zamanda fazların ve konodların heterojen karışımlarını da temsil eder, ancak diğer iki tip faz diyagramından farklı olarak bu durumda heterojen karışımların durumu düz veya hacimsel bir şekil (üçgen, tetrahedron) ile gösterilir ve belirlemek mümkündür. Üç ve daha fazla fazın dengesindeki sistemin niceliksel faz bileşimi (şeklin “ağırlık merkezi kuralı”).
Faz diyagramları deneysel olarak incelenir ve sistemi oluşturan maddelerin termodinamik özelliklerine ilişkin verilere dayanarak kimyasal termodinamik yöntemler kullanılarak hesaplanır. Faz diyagramlarını oluşturmanın teorik temeli 1880'lerde J. Gibbs tarafından verildi. Ayrıca, faz dengeleri ve faz diyagramlarının deneysel çalışmasında yaygın olarak kullanılan "faz kuralını" (bkz. Gibbs faz kuralı) formüle etti: sabit T ve P için, bir arada bulunan denge fazlarının sayısı f, bileşenlerin sayısını aşamaz. sistem ikiden fazla, f ≤ c + 2.
Kaynak: Palatnik L. S., Landau A. I. Çok bileşenli sistemlerde faz dengesi. Har., 1961; Kaufman L., Bernstein H. Bilgisayar kullanılarak [metalik sistemlerin] durum diyagramlarının hesaplanması. M., 1972; Fiziksel metalurji / Düzenleyen: R. Kahn, P. Haazen. M., 1987.T.2.
Şekil 3.3, P–V koordinatlarında faz diyagramını gösterir ve Şekil 3.4, T–S koordinatlarında faz diyagramını gösterir.
Şekil 3.3. Faz P-V diyagramı Şekil 3.4. Faz T-S diyagramı
Tanımlar:
t + l – katı ve sıvının bir arada bulunduğu denge bölgesi
t + p - katı ve buharın bir arada bulunduğu denge bölgesi
l + n - sıvı ve buharın bir arada bulunduğu denge bölgesi
P–T diyagramında iki fazlı durumların alanları eğriler olarak gösteriliyorsa, P–V ve T–S diyagramlarında bunlar bazı alanlardır.
AKF çizgisine sınır eğrisi denir. Bu da sırasıyla bir alt sınır eğrisine (AK kesiti) ve bir üst sınır eğrisine (KF kesiti) bölünür.
Şekil 3.3 ve 3.4'te, iki fazlı üç durumun bölgelerinin buluştuğu BF çizgisi, Şekil 3.1 ve 3.2'deki uzatılmış üçlü T noktasıdır.
Buharlaşma gibi sabit bir sıcaklıkta meydana gelen bir madde eridiğinde, katı ve sıvı fazların iki fazlı bir denge karışımı oluşur. İki fazlı bir karışımın bileşimindeki sıvı fazın spesifik hacminin değerleri, Şekil 3.3'te AN eğrisinden ve katı fazın spesifik hacminin değerleri - BE eğrisinden alınmıştır. .
AKF sınırıyla sınırlanan alanın içinde madde iki fazın karışımıdır: kaynayan sıvı (L) ve kuru doymuş buhar (P).
Hacmin ilavesi nedeniyle, böyle iki fazlı bir karışımın spesifik hacmi formülle belirlenir.
spesifik entropi:
Faz diyagramlarının tekil noktaları
Üçlü nokta
Üçlü nokta, üç fazın denge eğrilerinin birleştiği noktadır. Şekil 3.1 ve 3.2'de bu T noktasıdır.
Katı agregasyon halindeki kükürt, karbon vb. gibi bazı saf maddelerin birkaç fazı (modifikasyonları) vardır.
Sıvı ve gaz hallerinde herhangi bir değişiklik yoktur.
Denklem (1.3)'e göre, tek bileşenli bir termal deformasyon sisteminde aynı anda üçten fazla faz dengede olamaz.
Bir maddenin katı halde birkaç modifikasyonu varsa, o zaman maddenin toplam faz sayısı üçü aşar ve böyle bir maddenin birkaç üçlü noktası olması gerekir. Örnek olarak, Şekil 3.5 katı agregasyon durumunda iki modifikasyona sahip bir maddenin P-T faz diyagramını göstermektedir.
Şekil 3.5. Faz P-T diyagramı
iki kristalli maddeler
hangi aşamalar
Tanımlar:
ben – sıvı faz;
II – gaz fazı;
III 1 ve III 2 - katı toplama durumundaki değişiklikler
(kristalin fazlar)
T 1 üçlü noktasında aşağıdakiler dengededir: gaz, sıvı ve kristal fazlar III 2. Bu nokta temel üçlü nokta.
T2 üçlü noktasında aşağıdakiler dengededir: sıvı ve iki kristal faz.
T3 üçlü noktasında gaz ve iki kristal faz dengededir.
Suyun bilinen beş kristal modifikasyonu (fazı) vardır: III 1, III 2, III 3, III 5, III 6.
Sıradan buz, kristal faz III 1'dir ve diğer modifikasyonlar, binlerce MPa'lık çok yüksek basınçlarda oluşturulur.
Sıradan buz, 204,7 MPa basınca ve 22 0 C sıcaklığa kadar mevcuttur.
Geriye kalan modifikasyonlar (fazlar) sudan daha yoğun buzdur. Bu buzlardan biri olan “sıcak buz” 2000 MPa basınçtan +80 0 C sıcaklığa kadar gözlendi.
Termodinamik parametreler temel suyun üçlü noktası aşağıdaki:
T tr = 273,16 K = 0,01 0 C;
Ptr = 610,8 Pa;
Vtr = 0,001 m3 /kg.
Erime eğrisi anomalisi ( 
) yalnızca normal buz için mevcuttur.
giriiş
Faz diyagramları, farklı malzemelerin etkileşiminden bahsederken malzeme özelliklerine ilişkin herhangi bir tartışmanın ayrılmaz bir parçasıdır. Faz diyagramları mikroelektronikte özellikle önemlidir, çünkü Kurşunların ve pasivasyon katmanlarının üretimi için çok çeşitli farklı malzemelerin kullanılması gerekir. Entegre devrelerin üretiminde silikon çeşitli metallerle yakın temas halindedir; silikonun bileşenlerden biri olarak göründüğü faz diyagramlarına özellikle dikkat edeceğiz.
Bu özette ne tür faz diyagramlarının olduğu, faz geçişi kavramı, katı çözünürlük ve mikroelektronik için en önemli madde sistemleri tartışılmaktadır.
Faz diyagramı türleri
Tek fazlı faz diyagramları, basınca, hacme ve sıcaklığa bağlı olarak yalnızca bir malzemenin faz durumunu gösteren grafiklerdir. İki boyutlu bir düzlemde üç boyutlu bir grafik çizmek genellikle alışılmış bir şey değildir - sıcaklık-basınç düzlemine projeksiyonunu gösterirler. Tek fazlı durum diyagramının bir örneği Şekil 2'de verilmiştir. 1.
Pirinç. 1.
Diyagram, malzemenin katı, sıvı veya gaz olarak yalnızca tek faz halinde bulunabileceği alanları açıkça göstermektedir. Sınırlandırılmış çizgiler boyunca, bir madde birbiriyle bağlamda olan iki faz durumuna (iki faz) sahip olabilir. Kombinasyonlardan herhangi biri gerçekleşir: katı - sıvı, katı - buhar, sıvı - buhar. Diyagramın çizgilerinin kesiştiği noktada, yani üçlü nokta olarak adlandırılan noktada, üç fazın tümü aynı anda mevcut olabilir. Üstelik bu tek bir sıcaklıkta mümkündür, dolayısıyla üçlü nokta sıcaklıklar için iyi bir referans noktası görevi görür. Tipik olarak referans noktası suyun üçlü noktasıdır (örneğin, referans bağlantı noktasının buzlu su-buhar sistemi ile temas halinde olduğu termokupllar kullanılarak yapılan hassas ölçümlerde).
İkili faz diyagramı (ikili sistem faz diyagramı), iki bileşenli bir sistemin durumunu temsil eder. Bu tür diyagramlarda, sıcaklık ordinat ekseni boyunca çizilir ve karışımın bileşenlerinin yüzdesi apsis ekseni boyunca çizilir (genellikle ya toplam kütlenin bir yüzdesi (% ağırlık) ya da toplam sayının bir yüzdesidir) atomların sayısı (at.%)). Basıncın genellikle 1 atm olduğu varsayılır. Sıvı ve katı fazlar dikkate alınırsa hacim ölçümleri ihmal edilir. Şek. Şekil 2, ağırlık veya atomik yüzde kullanılarak A ve B bileşenleri için tipik bir iki fazlı faz diyagramını gösterir.
Pirinç. 2.
Bir mektup mu? A maddesinin çözünen B ile fazı belirtilir, ? içinde A maddesinin çözündüğü B maddesinin bir fazı anlamına geliyor, değil mi? +? bu aşamaların bir karışımı anlamına gelir. (Sıvıdan gelen) harfi sıvı faz anlamına gelir ve L+?? ve L+? sıvı faz artı faz veya sırasıyla anlamına gelir. Fazlarları ayıran çizgiler, yani bir maddenin farklı fazlarının bulunabileceği çizgiler şu adlara sahiptir: katılaşma - fazların aynı anda var olduğu çizgi? veya? L+ fazlı mı? ve L+? sırasıyla; solvus - hangi aşamaların aynı anda bir arada var olduğu bir çizgi? Ve? +? veya? Ve? + ? ve likidüs L ve L+ fazlarının hangisinde yer alan çizgidir? veya L+?
İki sıvılaşma çizgisinin kesiştiği nokta genellikle A ve B maddelerinin tüm olası kombinasyonları için en düşük erime noktasıdır ve ötektik nokta olarak adlandırılır. Ötektik noktada bileşenlerin oranına sahip bir karışıma ötektik karışım (veya basitçe ötektik) adı verilir.
Bir karışımın sıvı durumdan (eriyik) katı duruma nasıl geçtiğini ve faz diyagramının belirli bir sıcaklıkta mevcut tüm fazların denge bileşimini tahmin etmeye nasıl yardımcı olduğunu düşünelim. Şekil 2'ye bakalım. 3.
Pirinç. 3.
Karışımın başlangıçta T1 sıcaklığında C M bileşimine sahip olduğunu, T1 ila T2 arasındaki sıcaklıklarda bir sıvı fazın bulunduğunu ve T2 sıcaklığında L ve ? fazlarının aynı anda mevcut olduğunu varsayalım. Mevcut L fazının bileşimi C M, fazın bileşimi? C ?1 var. Sıcaklığın T3'e daha da düşmesiyle, sıvının bileşimi likidüs eğrisi boyunca değişir ve fazın bileşimi? - katılaşma eğrisi boyunca izoterm (yatay çizgi) T3 ile kesişene kadar. Şimdi L fazının bileşimi C L'dir ve fazın bileşimi C ?2'dir. C?2 bileşiminin yalnızca ?'de faza geçen maddeyi içermemesi gerektiğine dikkat edilmelidir. T3 sıcaklığında ama aynı zamanda faza geçen tüm madde? daha yüksek bir sıcaklıkta C-2 bileşimine sahip olmalıdır. Bileşimlerin bu eşitlenmesi, A bileşeninin mevcut a fazına katı hal difüzyonu ile gerçekleşmelidir, böylece T3 sıcaklığına ulaşıldığında, fazdaki tüm madde Cβ2 bileşimine sahip olacaktır. Sıcaklığın daha da azalması bizi ötektik noktaya getirir. Aşamaları var mı? Ve? sıvı faz ile aynı anda bulunur. Daha düşük sıcaklıklarda sadece fazlar mı var? Ve?. Bir faz karışımı mı oluşuyor? Ve? agregalı C E bileşimi? başlangıç bileşimi C?3 ile. Daha sonra bu karışımın ötektik sıcaklığın altındaki bir sıcaklıkta uzun süre tutulmasıyla katı bir madde elde edilebilir. Ortaya çıkan katı iki fazdan oluşacaktır. Her fazın bileşimi, izotermin karşılık gelen solvus çizgisiyle kesiştiği noktada belirlenebilir.
Mevcut fazların her birinin bileşiminin nasıl belirleneceği gösterilmiştir. Şimdi her fazdaki madde miktarını belirleme problemini düşünün. Şekil 2'de karışıklığı önlemek için. 4. Basit bir iki fazlı diyagram yeniden gösterilmektedir. T 1 sıcaklığında eriyiğin bileşiminin C M (bileşen B anlamına gelir) olduğunu, o zaman T 2'de L fazının CL bileşimine sahip olduğunu varsayalım ve faz? C bileşimine sahip olacaktır. M L katı haldeki bir maddenin kütlesi olsun ve M S katı haldeki bir maddenin kütlesi olsun. Toplam kütlenin korunumu koşulu aşağıdaki denkleme yol açar:
(M L + M S)C M = M L C L + M S C S .
Pirinç. 4.
Bir maddenin T1 sıcaklığındaki toplam kütlesinin B yüzdesi ile çarpımı, B maddesinin toplam kütlesi olduğu gerçeğini yansıtır. Bu sıcaklıkta sıvı ve katı fazda bulunan B maddesinin kütlelerinin toplamına eşittir. T2. Bu denklemi çözersek şunu elde ederiz:
Bu ifadeye "seviye kuralı" adı verilir. Bu kuralı kullanarak, eriyiğin başlangıç bileşimini ve toplam kütlesini bilerek, iki faz diyagramının herhangi bir bölümü için her iki fazın kütlelerini ve herhangi bir fazdaki B maddesi miktarını belirlemek mümkündür. Tam olarak aynı şekilde hesaplayabiliriz
Şek. 5. Eriyik katılaşmasına başka bir örnek verilmiştir. Sıcaklığın T1'den T2'ye düşmesi, L ve? C M ve C bileşimi ile ? . Daha fazla soğuma meydana geldikçe, L bileşimi sıvılaşma boyunca değişir ve bileşim? - daha önce açıklandığı gibi katılaşma boyunca. Sıcaklık T3'e ulaştığında bileşim? CM'ye eşit olacak ve seviye kuralından da anlaşılacağı gibi T3'ün altındaki bir sıcaklıkta sıvı faz mevcut olamaz. T4'ün altındaki sıcaklıklarda fazlar var mı? Ve? faz agregatları olarak var mı? Ve?. Örneğin, T 5 fazlı agregatların sıcaklığında? T5 izotermi ile solvusun kesişimiyle belirlenen bir bileşime sahip olacak mı? Birleştirmek? benzer şekilde belirlenir - izoterm ve solvusun kesişimiyle?
Pirinç. 5.
İki fazlı diyagramın bölümleri hala adlandırılıyor mu? ve?, katı çözünürlük alanları: bölgede mi? A ve B çözünmüştür. Belirli bir sıcaklıkta B içinde çözünebilen maksimum A miktarı sıcaklığa bağlıdır. Ötektik veya daha yüksek sıcaklıklarda, A ve B'nin hızlı füzyonu gerçekleşebilir. Eğer elde edilen alaşım keskin bir şekilde soğutulursa, A'nın atomları B'nin kafesinde "sıkışabilir". Ancak oda sıcaklığında katı çözünürlüğü çok fazlaysa. daha düşükse (bu, bu sıcaklıkta söz konusu yaklaşımın pek uygun olmadığını gösterir), o zaman alaşımda, özelliklerini önemli ölçüde etkileyen güçlü gerilimler ortaya çıkabilir (önemli gerilimlerin varlığında, aşırı doymuş katı çözeltiler ortaya çıkar ve sistem bir denge durumudur ve diyagram yalnızca denge durumları hakkında bilgi sağlar). Bazen bu etki arzu edilir; örneğin martenzit üretmek için çeliğin su verme yoluyla sertleştirilmesi sırasında. Ancak mikroelektronikte bunun sonucu yıkıcı olacaktır. Bu nedenle doping yani difüzyondan önce silikona katkı maddelerinin eklenmesi, aşırı alaşımlama nedeniyle yüzey hasarını önleyecek şekilde yüksek sıcaklıklarda gerçekleştirilir. Substrattaki katkı maddesi miktarı herhangi bir sıcaklıkta katı çözünürlük sınırından yüksekse, ikinci bir faz ve buna bağlı deformasyon ortaya çıkar.
Pirinç. 2.3. Çok bileşenli bir gazın durum diyagramı.
Saf bir maddenin aksine, çok bileşenli sistemler için, iki fazlı bölgedeki hacim değişikliğine basınçta bir değişiklik eşlik eder (Şekil 2.3, o). Bir sıvının tamamen buharlaşması için basıncın sürekli olarak düşürülmesi gerekir ve bunun tersine, gazın tamamen yoğunlaştırılması için basıncın sürekli olarak arttırılması gerekir. Dolayısıyla çok bileşenli bir sistem için buharlaşmanın başladığı noktanın basıncı, yoğuşmanın başladığı ve faz diyagramının koordinatlarda yeniden oluşturulduğu noktadaki basınçtan daha yüksektir.
buharlaşma başlangıç noktalarının ve çiğlenme noktalarının basınç - sıcaklık eğrileri çakışmıyor. Saf bir maddenin faz diyagramıyla karşılaştırıldığında bu koordinatlardaki diyagram bir döngü şeklindedir (Şekil 2.3,6). Maddenin sıvı ve iki fazlı bölgelerini ayıran sınır olan buharlaşmanın başlangıç noktalarının eğrisi ile iki fazlı bölgeyi buharlaşma bölgesinden ayıran çiğlenme noktası eğrisi birbirine bağlanır. kritik nokta C'de. Bu durumda kritik nokta, aynı anda iki fazın var olabileceği maksimum basınç ve sıcaklık noktası değil, saf madde durumunda olduğu gibi kritik noktada yoğunluğu ve bileşimidir. aşamalar aynıdır.
Çok bileşenli bir sistem için nokta M iki fazlı durumun mümkün olduğu maksimum sıcaklığa denir krikondentermo, bir nokta N'ler uygun basınç - cricondenbaroy. Bu noktalar ile kritik nokta arasında karışımın davranışının saf maddenin davranışından farklı olduğu iki bölge vardır. İzotermal sıkıştırma sırasında, örneğin G sıcaklığında, çizgi boyunca EA, noktadan geçtikten sonra karışım eçiğ noktası çizgisi kısmen yoğunlaşır ve iki fazlı bir duruma girer. Basınçtaki daha fazla artışla sıvı fazın oranı artar, ancak bu sadece noktaya karşılık gelen belirli bir basınç için geçerlidir. D. Noktadan itibaren basınçta daha sonra artış D asıl noktaya İÇİNDE sıvı fazın oranında bir azalmaya yol açar ve daha sonra karışım buhar durumuna döner. Nokta basıncı D, Maksimum miktarda sıvı fazın oluştuğu noktaya maksimum yoğunlaşma basıncı denir.
Hat boyunca bir sıvının izobarik ısıtılması sırasında da benzer olaylar gözlenir LNGB. Başlangıçta karışım tek fazlı sıvı haldedir. Buharlaşmanın başladığı nokta çizgisini geçtikten sonra L Karışımda miktarı o noktaya kadar artan bir buhar fazı belirir. N. Sıcaklıktaki müteakip bir artış, madde o noktada sıvı duruma dönene kadar buhar fazının hacminde bir azalmaya yol açar. G.
Saf maddenin faz dönüşümlerinin tersi yönde yoğunlaşma ve buharlaşmanın meydana geldiği alanlara gerileme alanları denir (bunlar Şekil 2.3.6'da gölgelendirilmiştir). Bu bölgelerde meydana gelen olaylara retrograd (ters) buharlaşma ve retrograd (ters) yoğuşma denir. Bu olgu, gaz yoğuşmasının maksimum düzeyde ayrılmasını sağlayan koşulların seçilmesi için saha içi gaz arıtma proseslerinde yaygın olarak kullanılmaktadır.
Döngü şeklindeki faz diyagramı (Şekil 2.3, B) tüm çok bileşenli karışımlar için tipiktir, ancak ilmeğin şekli, kritik noktanın konumu ve geriye dönük bölgeler karışımın bileşimine bağlıdır. Rezervuar karışımının bileşimi, krikondentermin rezervuar sıcaklığına karşılık gelen izotermin solunda yer alması durumunda (çizgi) ft]), daha sonra saha geliştirme sırasında basınç azaldıkça bu karışım yalnızca tek fazlı gaz halinde olacaktır. Bu bileşimdeki hidrokarbonların karışımları gaz birikintileri oluşturur. Karışımın bileşimi, rezervuar sıcaklığının kritik sıcaklık ile kriyokondenterm sıcaklığı arasında olmasını sağlayacak şekilde ise (hat AT^), daha sonra bu tür hidrokarbon karışımları gaz yoğunlaşma alanları oluşturur. Rezervuar sıcaklığındaki basıncın azaltılması sürecinde, onlardan bir sıvı faz açığa çıkacaktır - yoğuşma.
Petrol sahaları için kritik nokta, rezervuar sıcaklığı izoterminin sağında yer alır (çizgi) GTi). Başlangıç rezervuar basıncına ve rezervuar sıcaklığına karşılık gelen koordinatlara sahip G noktası, buharlaşmanın başladığı çizginin üzerinde yer alıyorsa, bu durumda petrol, tek fazlı sıvı haldedir ve gaza yetersiz doymuştur. Yalnızca basınç doyma basıncının altına düştüğünde (nokta D) Hidrokarbon karışımının bileşimi, başlangıç rezervuar basıncı (K noktası) doyma basıncının altında olacak şekilde olan petrol sahaları, birikmiş bir gaz fazı olan bir gaz başlığına sahiptir. depozitonun üst kısmında.