مخططات الأطوار والتحولات
تُظهر مخططات الأطوار الأطوار الصلبة والسائلة والغازية المستقرة كدالة للتركيب ودرجة الحرارة، وتصف تحولات الأطوار كيفية انتقال المادة بينها.
Definition
مخطط الأطوار هو تمثيل بياني للأطوار المستقرة ديناميكيًا حراريًا لنظام ما كدوال للتركيب ودرجة الحرارة والضغط؛ وتحول الطور هو العملية، التي تحكمها الديناميكا الحرارية والحركية، والتي تتغير بها المادة من طور أو بنية مجهرية إلى أخرى.
Scope
يغطي هذا الموضوع مخططات الأطوار المتوازنة المستخدمة للتنبؤ بالأطوار الموجودة في مادة ما عند تركيب ودرجة حرارة معينين — الأنظمة اليوتكتية والبيريتكتية والمحاليل الصلبة — بالإضافة إلى قاعدة الرافعة وقاعدة جيبس للأطوار التي تفسرها. كما يغطي حركية التحول: التنوّي والنمو، والتحولات الانتشارية مقابل التحولات غير الانتشارية (المارتنسيتية)، وكيف تتحكم مسارات التبريد في البنية المجهرية التي تتشكل بالفعل.
Core questions
- ما هي الأطوار المستقرة عند تركيب ودرجة حرارة معينين؟
- كيف تحدد قاعدة الرافعة وقاعدة الأطوار كميات الأطوار ودرجات الحرية؟
- ما الذي يميز السلوك اليوتكتي والبيريتكتي والمحلول الصلب؟
- كيف تحدد حركية التنوّي والنمو البنية المجهرية التي يتم الحصول عليها عند التبريد؟
Key concepts
- قاعدة جيبس للأطوار
- قاعدة الرافعة
- تفاعلات اليوتكتيك والبيريتكتيك
- المحاليل الصلبة
- التنوّي والنمو
- التحول المارتنسيتي
Key theories
- مخططات الأطوار المتوازنة وقاعدة الأطوار
- تربط قاعدة جيبس للأطوار عدد الأطوار المتواجدة معًا بدرجات حرية التركيب ودرجة الحرارة؛ وتُضمّن مخططات الأطوار الثنائية ذلك، وتقرأ قاعدة الرافعة الكميات النسبية للأطوار المتواجدة معًا عند نقطة معينة.
- التنوّي والنمو وحركية التحول
- يتطلب تغير الطور تنوّي الطور الجديد ضد حاجز طاقة السطح البيني يليه نمو انتشاري؛ ويحدد التنافس بين القوة الدافعة الديناميكية الحرارية والحركية الذرية معدل التحول، ومن خلال مسار التبريد، البنية المجهرية النهائية.
Mechanisms
تتقدم التحولات الانتشارية عن طريق تنوّي طور جديد ونمو ذرة بذرة عبر واجهة متحركة، مما يتطلب انتشارًا بعيد المدى؛ وتتقدم التحولات غير الانتشارية (المارتنسيتية) عن طريق قص منسق للشبكة دون تغيير في التركيب، وتحدث بشكل شبه فوري تحت درجة حرارة حرجة.
Clinical relevance
تُعد مخططات الأطوار خرائط عمل لمعالجة المواد: فهي توجه المعالجة الحرارية للسبائك والسيراميك، وتتنبأ بسلوك الحرق لأنظمة الأكاسيد والزجاج، وتفسر لماذا ينتج التبريد المتحكم فيه بنى مجهرية صلبة أو لينة، هشة أو متينة من نفس التركيب.
History
قدمت قاعدة جيبس للأطوار في سبعينيات القرن التاسع عشر الأساس الديناميكي الحراري للتنبؤ بعدد الأطوار التي يمكن أن تتواجد معًا. طبقها روزيبوم وآخرون تجريبيًا لبناء مخططات الأطوار حوالي عام 1900، وأضاف عمل القرن العشرين حول نظرية التنوّي وحركية التحول البعد الزمني، وربط مخططات التوازن بالبنى المجهرية التي تنتج بالفعل في المعالجة.
Key figures
- J. Willard Gibbs
- Hendrik Roozeboom
Related topics
Seminal works
- callister2018
- porter2009
Frequently asked questions
- ما هي النقطة اليوتكتية؟
- النقطة اليوتكتية هي التركيب ودرجة الحرارة التي يتحول عندها السائل مباشرة إلى خليط من طورين صلبين عند التبريد. وهي أدنى نقطة انصهار في النظام وتنتج بنية مجهرية دقيقة مميزة من طورين.
- لماذا قد يفشل مخطط الأطوار في التنبؤ بالبنية المجهرية التي تحصل عليها بالفعل؟
- يُظهر مخطط الأطوار الأطوار المتوازنة، لكن الوصول إلى التوازن يتطلب وقتًا كافيًا وحركية ذرية. يمكن أن يؤدي التبريد السريع إلى قمع الانتشار وحبس البنى المجهرية شبه المستقرة أو غير المتوازنة، لذا فإن الحركية، وليس فقط الديناميكا الحرارية، هي التي تحدد النتيجة الحقيقية.