状態図と相変態

状態図は、組成と温度の関数として、どの固体、液体、気体相が安定であるかを示し、相変態は、材料がそれらの間でどのように変化するかを記述します。

Definition

状態図は、組成、温度、圧力の関数として、系の熱力学的に安定な相をグラフィカルに表現したものであり、相変態は、熱力学と速度論に支配され、材料がある相または微細構造から別の相または微細構造に変化するプロセスです。

Scope

このトピックでは、共晶、包晶、固溶体システムなど、特定の組成と温度における材料中に存在する相を予測するために使用される平衡状態図と、それらを解釈するてこ比の法則およびギブズの相律について説明します。また、核生成と成長、拡散型と無拡散型（マルテンサイト型）変態、および冷却経路が実際に形成される微細構造をどのように制御するかといった変態の速度論についても扱います。

Core questions

• 特定の組成と温度で安定な相はどれですか？
• てこ比の法則と相律は、相の量と自由度をどのように定量化しますか？
• 共晶、包晶、固溶体の挙動を区別するものは何ですか？
• 核生成と成長の速度論は、冷却時に得られる微細構造をどのように決定しますか？

Key concepts

• ギブズの相律
• てこ比の法則
• 共晶反応と包晶反応
• 固溶体
• 核生成と成長
• マルテンサイト変態

Key theories

平衡状態図と相律

ギブズの相律は、共存する相の数を組成と温度の自由度に関連付けます。二元状態図はこれを符号化し、てこ比の法則は、特定の点における共存相の相対量を読み取ります。

核生成、成長、および変態速度論

相変化には、界面エネルギー障壁に対する新しい相の核生成と、それに続く拡散成長が必要です。熱力学的駆動力と原子移動度の間の競合が変態速度を決定し、冷却経路を介して最終的な微細構造を決定します。

Mechanisms

拡散型変態は、新しい相の核生成と、移動する界面を横切る原子ごとの成長によって進行し、長距離拡散を必要とします。無拡散型（マルテンサイト型）変態は、組成変化を伴わない格子の一貫したせん断によって進行し、臨界温度以下でほぼ瞬時に発生します。

Clinical relevance

状態図は、材料加工の作業マップです。合金やセラミックスの熱処理を導き、酸化物やガラスシステムの焼成挙動を予測し、同じ組成から制御された冷却によって硬い、または軟らかい、脆い、または靭性のある微細構造が生成される理由を説明します。

History

1870年代のギブズの相律は、いくつの相が共存できるかを予測するための熱力学的基礎を与えました。ルーゼブームらは、1900年頃にそれを実験的に適用して状態図を構築し、20世紀の核生成理論と変態速度論に関する研究は時間次元を加え、平衡図と加工で実際に生成される微細構造を結びつけました。

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Hendrik Roozeboom

Seminal works

• callister2018
• porter2009

Frequently asked questions

共晶点とは何ですか？

共晶点とは、冷却時に液体が直接2つの固相の混合物に変化する組成と温度のことです。これは系内で最も低い融点であり、特徴的な微細な二相微細構造を生成します。

状態図が実際に得られる微細構造を予測できないのはなぜですか？

状態図は平衡相を示しますが、平衡に達するには十分な時間と原子移動度が必要です。急速な冷却は拡散を抑制し、準安定または非平衡の微細構造を捕捉する可能性があるため、熱力学だけでなく速度論も実際の結果を決定します。