แผนภาพวัฏภาคและการเปลี่ยนสถานะ

แผนภาพวัฏภาคแสดงให้เห็นว่าวัฏภาคของแข็ง ของเหลว และก๊าซใดมีเสถียรภาพ โดยเป็นฟังก์ชันขององค์ประกอบและอุณหภูมิ และการเปลี่ยนสถานะจะอธิบายว่าวัสดุมีการเปลี่ยนแปลงระหว่างวัฏภาคเหล่านั้นอย่างไร

Definition

แผนภาพวัฏภาคคือการแสดงกราฟิกของวัฏภาคที่มีเสถียรภาพทางเทอร์โมไดนามิกของระบบ โดยเป็นฟังก์ชันขององค์ประกอบ อุณหภูมิ และความดัน; การเปลี่ยนสถานะคือกระบวนการที่ควบคุมโดยเทอร์โมไดนามิกส์และจลนพลศาสตร์ ซึ่งวัสดุเปลี่ยนจากวัฏภาคหรือโครงสร้างจุลภาคหนึ่งไปสู่อีกวัฏภาคหนึ่ง

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมแผนภาพวัฏภาคสมดุลที่ใช้ในการทำนายวัฏภาคที่มีอยู่ในวัสดุที่องค์ประกอบและอุณหภูมิที่กำหนด — ระบบยูเทกติก เพอริเทกติก และสารละลายของแข็ง — พร้อมด้วยกฎคานและกฎวัฏภาคของกิบบส์ที่ใช้อธิบาย นอกจากนี้ยังครอบคลุมจลนพลศาสตร์ของการเปลี่ยนสถานะ: การก่อตัวและการเติบโต การเปลี่ยนสถานะแบบแพร่และการเปลี่ยนสถานะแบบไม่แพร่ (มาร์เทนซิติก) และวิธีที่เส้นทางการเย็นตัวควบคุมโครงสร้างจุลภาคที่เกิดขึ้นจริง

Core questions

• วัฏภาคใดมีเสถียรภาพที่องค์ประกอบและอุณหภูมิที่กำหนด?
• กฎคานและกฎวัฏภาคใช้ในการหาปริมาณวัฏภาคและระดับความเป็นอิสระได้อย่างไร?
• อะไรคือความแตกต่างระหว่างพฤติกรรมยูเทกติก เพอริเทกติก และสารละลายของแข็ง?
• จลนพลศาสตร์การก่อตัวและการเติบโตกำหนดโครงสร้างจุลภาคที่ได้จากการเย็นตัวได้อย่างไร?

Key concepts

• กฎวัฏภาคของกิบบส์
• กฎคาน
• ปฏิกิริยายูเทกติกและเพอริเทกติก
• สารละลายของแข็ง
• การก่อตัวและการเติบโต
• การเปลี่ยนสถานะมาร์เทนซิติก

Key theories

แผนภาพวัฏภาคสมดุลและกฎวัฏภาค

กฎวัฏภาคของกิบบส์เชื่อมโยงจำนวนวัฏภาคที่อยู่ร่วมกันกับระดับความเป็นอิสระขององค์ประกอบและอุณหภูมิ; แผนภาพวัฏภาคแบบไบนารีเข้ารหัสสิ่งนี้ และกฎคานอ่านค่าปริมาณสัมพัทธ์ของวัฏภาคที่อยู่ร่วมกัน ณ จุดที่กำหนด

การก่อตัว การเติบโต และจลนพลศาสตร์การเปลี่ยนสถานะ

การเปลี่ยนสถานะต้องอาศัยการก่อตัวของวัฏภาคใหม่เพื่อเอาชนะอุปสรรคพลังงานส่วนต่อประสาน ตามด้วยการเติบโตแบบแพร่; การแข่งขันระหว่างแรงขับเคลื่อนทางเทอร์โมไดนามิกส์และการเคลื่อนที่ของอะตอมกำหนดอัตราการเปลี่ยนสถานะ และผ่านเส้นทางการเย็นตัว กำหนดโครงสร้างจุลภาคสุดท้าย

Mechanisms

การเปลี่ยนสถานะแบบแพร่ดำเนินไปโดยการก่อตัวของวัฏภาคใหม่และการเติบโตแบบอะตอมต่ออะตอมข้ามส่วนต่อประสานที่เคลื่อนที่ ซึ่งต้องอาศัยการแพร่ในระยะยาว; การเปลี่ยนสถานะแบบไม่แพร่ (มาร์เทนซิติก) ดำเนินไปโดยการเฉือนแบบประสานกันของโครงสร้างผลึกโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบ ซึ่งเกิดขึ้นเกือบจะทันทีทันใดที่อุณหภูมิต่ำกว่าวิกฤต

Clinical relevance

แผนภาพวัฏภาคเป็นแผนที่การทำงานของการแปรรูปวัสดุ: ใช้เป็นแนวทางในการอบชุบโลหะผสมและเซรามิก ทำนายพฤติกรรมการเผาของระบบออกไซด์และแก้ว และอธิบายว่าทำไมการเย็นตัวแบบควบคุมจึงทำให้เกิดโครงสร้างจุลภาคที่แข็งหรืออ่อน เปราะหรือเหนียว จากองค์ประกอบเดียวกัน

History

กฎวัฏภาคของกิบบส์ในทศวรรษ 1870 ได้วางรากฐานทางเทอร์โมไดนามิกส์สำหรับการทำนายจำนวนวัฏภาคที่สามารถอยู่ร่วมกันได้ รูสบูมและคนอื่นๆ ได้นำไปประยุกต์ใช้ในการทดลองเพื่อสร้างแผนภาพวัฏภาคประมาณปี 1900 และงานในศตวรรษที่ 20 เกี่ยวกับทฤษฎีการก่อตัวและจลนพลศาสตร์การเปลี่ยนสถานะได้เพิ่มมิติของเวลา โดยเชื่อมโยงแผนภาพสมดุลเข้ากับโครงสร้างจุลภาคที่เกิดขึ้นจริงในการแปรรูป

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Hendrik Roozeboom

Seminal works

• callister2018
• porter2009

Frequently asked questions

จุดยูเทกติกคืออะไร?

จุดยูเทกติกคือองค์ประกอบและอุณหภูมิที่ของเหลวเปลี่ยนโดยตรงเป็นส่วนผสมของสองวัฏภาคของแข็งเมื่อเย็นตัวลง เป็นจุดหลอมเหลวต่ำสุดในระบบและสร้างโครงสร้างจุลภาคสองวัฏภาคที่ละเอียดเป็นลักษณะเฉพาะ

เหตุใดแผนภาพวัฏภาคจึงอาจไม่สามารถทำนายโครงสร้างจุลภาคที่คุณได้รับจริง?

แผนภาพวัฏภาคแสดงวัฏภาคสมดุล แต่การเข้าถึงสมดุลต้องใช้เวลาและการเคลื่อนที่ของอะตอมที่เพียงพอ การเย็นตัวอย่างรวดเร็วสามารถยับยั้งการแพร่และกักเก็บโครงสร้างจุลภาคที่ไม่เสถียรหรือไม่สมดุลได้ ดังนั้นจลนพลศาสตร์ ไม่ใช่แค่เทอร์โมไดนามิกส์เท่านั้น ที่เป็นตัวกำหนดผลลัพธ์ที่แท้จริง