Diagram dan Transformasi Fase

Diagram fase memetakan fase padat, cair, dan gas mana yang stabil sebagai fungsi komposisi dan suhu, dan transformasi fase menjelaskan bagaimana suatu material bergerak di antara fase-fase tersebut.

Definition

Diagram fase adalah representasi grafis dari fase-fase stabil secara termodinamika dari suatu sistem sebagai fungsi komposisi, suhu, dan tekanan; transformasi fase adalah proses, yang diatur oleh termodinamika dan kinetika, di mana suatu material berubah dari satu fase atau mikrostruktur ke fase atau mikrostruktur lainnya.

Scope

Topik ini mencakup diagram fase kesetimbangan yang digunakan untuk memprediksi fase yang ada dalam suatu material pada komposisi dan suhu tertentu — sistem eutektik, peritektik, dan larutan padat — bersama dengan aturan pengungkit (lever rule) dan aturan fase Gibbs yang menginterpretasikannya. Ini juga mencakup kinetika transformasi: nukleasi dan pertumbuhan, transformasi difusional versus tanpa difusi (martensitik), dan bagaimana jalur pendinginan mengontrol mikrostruktur yang sebenarnya terbentuk.

Core questions

• Fase mana yang stabil pada komposisi dan suhu tertentu?
• Bagaimana aturan pengungkit dan aturan fase mengukur jumlah fase dan derajat kebebasan?
• Apa yang membedakan perilaku eutektik, peritektik, dan larutan padat?
• Bagaimana kinetika nukleasi dan pertumbuhan menentukan mikrostruktur yang diperoleh saat pendinginan?

Key concepts

• Aturan fase Gibbs
• Aturan pengungkit
• Reaksi eutektik dan peritektik
• Larutan padat
• Nukleasi dan pertumbuhan
• Transformasi martensitik

Key theories

Diagram fase kesetimbangan dan aturan fase

Aturan fase Gibbs menghubungkan jumlah fase yang hidup berdampingan dengan derajat kebebasan komposisi dan suhu; diagram fase biner mengkodekan ini, dan aturan pengungkit membaca jumlah relatif fase yang hidup berdampingan pada titik tertentu.

Nukleasi, pertumbuhan, dan kinetika transformasi

Perubahan fase membutuhkan nukleasi fase baru terhadap penghalang energi antarmuka diikuti oleh pertumbuhan difusional; persaingan antara gaya pendorong termodinamika dan mobilitas atom menentukan laju transformasi dan, melalui jalur pendinginan, mikrostruktur akhir.

Mechanisms

Transformasi difusional berlangsung melalui nukleasi fase baru dan pertumbuhan atom demi atom melintasi antarmuka yang bergerak, membutuhkan difusi jarak jauh; transformasi tanpa difusi (martensitik) berlangsung melalui geser terkoordinasi dari kisi tanpa perubahan komposisi, terjadi hampir seketika di bawah suhu kritis.

Clinical relevance

Diagram fase adalah peta kerja pemrosesan material: diagram ini memandu perlakuan panas paduan dan keramik, memprediksi perilaku pembakaran sistem oksida dan kaca, dan menjelaskan mengapa pendinginan terkontrol menghasilkan mikrostruktur keras atau lunak, rapuh atau ulet dari komposisi yang sama.

History

Aturan fase Gibbs pada tahun 1870-an memberikan dasar termodinamika untuk memprediksi berapa banyak fase yang dapat hidup berdampingan. Roozeboom dan lainnya menerapkannya secara eksperimental untuk membangun diagram fase sekitar tahun 1900, dan pekerjaan abad kedua puluh tentang teori nukleasi dan kinetika transformasi menambahkan dimensi waktu, menghubungkan diagram kesetimbangan dengan mikrostruktur yang sebenarnya dihasilkan dalam pemrosesan.

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Hendrik Roozeboom

Seminal works

• callister2018
• porter2009

Frequently asked questions

Apa itu titik eutektik?

Titik eutektik adalah komposisi dan suhu di mana cairan berubah langsung menjadi campuran dua fase padat saat pendinginan. Ini adalah titik leleh terendah dalam sistem dan menghasilkan mikrostruktur dua fase halus yang khas.

Mengapa diagram fase dapat gagal memprediksi mikrostruktur yang sebenarnya Anda dapatkan?

Diagram fase menunjukkan fase kesetimbangan, tetapi mencapai kesetimbangan membutuhkan waktu dan mobilitas atom yang cukup. Pendinginan cepat dapat menekan difusi dan menjebak mikrostruktur metastabil atau non-kesetimbangan, sehingga kinetika, bukan hanya termodinamika, menentukan hasil sebenarnya.