प्रावस्था आरेख और रूपांतरण

प्रावस्था आरेख यह दर्शाते हैं कि संघटन और तापमान के फलन के रूप में कौन सी ठोस, तरल और गैसीय प्रावस्थाएँ स्थिर होती हैं, और प्रावस्था रूपांतरण यह वर्णन करते हैं कि एक सामग्री उनके बीच कैसे परिवर्तित होती है।

Definition

एक प्रावस्था आरेख संघटन, तापमान और दबाव के फलन के रूप में एक प्रणाली की थर्मोडायनामिक रूप से स्थिर प्रावस्थाओं का एक ग्राफिकल प्रतिनिधित्व है; एक प्रावस्था रूपांतरण वह प्रक्रिया है, जो थर्मोडायनामिक्स और गतिकी द्वारा नियंत्रित होती है, जिसके द्वारा एक सामग्री एक प्रावस्था या सूक्ष्मसंरचना से दूसरी में बदल जाती है।

Scope

यह विषय संतुलन प्रावस्था आरेखों को शामिल करता है जिनका उपयोग किसी दिए गए संघटन और तापमान पर सामग्री में मौजूद प्रावस्थाओं की भविष्यवाणी करने के लिए किया जाता है — यूटेक्टिक, पेरिटेक्टिक और ठोस-विलयन प्रणालियाँ — साथ ही उन्हें समझने वाले लीवर नियम और गिब्स प्रावस्था नियम को भी। इसमें रूपांतरण की गतिकी भी शामिल है: न्यूक्लिएशन और वृद्धि, विसरणीय बनाम विसरणहीन (मार्टेन्सिटिक) रूपांतरण, और शीतलन पथ वास्तव में बनने वाली सूक्ष्मसंरचना को कैसे नियंत्रित करता है।

Core questions

• किसी दिए गए संघटन और तापमान पर कौन सी प्रावस्थाएँ स्थिर होती हैं?
• लीवर नियम और प्रावस्था नियम प्रावस्था की मात्रा और स्वतंत्रता की डिग्री को कैसे निर्धारित करते हैं?
• यूटेक्टिक, पेरिटेक्टिक और ठोस-विलयन व्यवहार में क्या अंतर है?
• न्यूक्लिएशन और वृद्धि की गतिकी शीतलन पर प्राप्त सूक्ष्मसंरचना को कैसे निर्धारित करती है?

Key concepts

• गिब्स प्रावस्था नियम
• लीवर नियम
• यूटेक्टिक और पेरिटेक्टिक अभिक्रियाएँ
• ठोस विलयन
• न्यूक्लिएशन और वृद्धि
• मार्टेन्सिटिक रूपांतरण

Key theories

संतुलन प्रावस्था आरेख और प्रावस्था नियम

गिब्स प्रावस्था नियम सह-अस्तित्व वाली प्रावस्थाओं की संख्या को संघटन और तापमान की स्वतंत्रता की डिग्री से संबंधित करता है; बाइनरी प्रावस्था आरेख इसे एन्कोड करते हैं, और लीवर नियम एक दिए गए बिंदु पर सह-अस्तित्व वाली प्रावस्थाओं की सापेक्ष मात्रा को पढ़ता है।

न्यूक्लिएशन, वृद्धि और रूपांतरण गतिकी

प्रावस्था परिवर्तन के लिए एक इंटरफेशियल ऊर्जा बाधा के विरुद्ध नई प्रावस्था के न्यूक्लिएशन की आवश्यकता होती है जिसके बाद विसरणीय वृद्धि होती है; थर्मोडायनामिक प्रेरक बल और परमाणु गतिशीलता के बीच प्रतिस्पर्धा रूपांतरण दर और, शीतलन पथ के माध्यम से, अंतिम सूक्ष्मसंरचना को निर्धारित करती है।

Mechanisms

विसरणीय रूपांतरण एक नई प्रावस्था के न्यूक्लिएशन और एक गतिशील इंटरफ़ेस पर परमाणु-दर-परमाणु वृद्धि द्वारा आगे बढ़ते हैं, जिसके लिए लंबी दूरी के विसरण की आवश्यकता होती है; विसरणहीन (मार्टेन्सिटिक) रूपांतरण जालक के एक समन्वित अपरूपण द्वारा आगे बढ़ते हैं जिसमें संघटन परिवर्तन नहीं होता है, जो एक क्रांतिक तापमान से नीचे लगभग तात्कालिक रूप से होता है।

Clinical relevance

प्रावस्था आरेख सामग्री प्रसंस्करण के कार्यशील मानचित्र हैं: वे मिश्र धातुओं और सिरेमिक के ऊष्मा उपचार का मार्गदर्शन करते हैं, ऑक्साइड और ग्लास प्रणालियों के फायरिंग व्यवहार की भविष्यवाणी करते हैं, और बताते हैं कि नियंत्रित शीतलन एक ही संघटन से कठोर या नरम, भंगुर या कठोर सूक्ष्मसंरचना क्यों उत्पन्न करता है।

History

1870 के दशक के गिब्स के प्रावस्था नियम ने यह भविष्यवाणी करने के लिए थर्मोडायनामिक आधार प्रदान किया कि कितनी प्रावस्थाएँ सह-अस्तित्व में रह सकती हैं। रूज़ेबूम और अन्य ने लगभग 1900 में प्रावस्था आरेख बनाने के लिए इसे प्रयोगात्मक रूप से लागू किया, और न्यूक्लिएशन सिद्धांत और रूपांतरण गतिकी पर बीसवीं सदी के काम ने समय आयाम जोड़ा, संतुलन आरेखों को प्रसंस्करण में वास्तव में उत्पादित सूक्ष्मसंरचनाओं से जोड़ा।

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Hendrik Roozeboom

Seminal works

• callister2018
• porter2009

Frequently asked questions

यूटेक्टिक बिंदु क्या है?

एक यूटेक्टिक बिंदु वह संघटन और तापमान है जिस पर एक तरल शीतलन पर सीधे दो ठोस प्रावस्थाओं के मिश्रण में परिवर्तित होता है। यह प्रणाली में सबसे कम गलनांक है और एक विशिष्ट महीन द्वि-प्रावस्था सूक्ष्मसंरचना उत्पन्न करता है।

एक प्रावस्था आरेख उस सूक्ष्मसंरचना की भविष्यवाणी करने में विफल क्यों हो सकता है जो आपको वास्तव में मिलती है?

एक प्रावस्था आरेख संतुलन प्रावस्थाओं को दर्शाता है, लेकिन संतुलन तक पहुँचने के लिए पर्याप्त समय और परमाणु गतिशीलता की आवश्यकता होती है। तीव्र शीतलन विसरण को दबा सकता है और मेटास्टेबल या गैर-संतुलन सूक्ष्मसंरचनाओं को फंसा सकता है, इसलिए केवल थर्मोडायनामिक्स ही नहीं, बल्कि गतिकी भी वास्तविक परिणाम निर्धारित करती है।