Giản đồ pha và Biến đổi pha

Giản đồ pha thể hiện các pha rắn, lỏng và khí ổn định theo hàm của thành phần và nhiệt độ, và các biến đổi pha mô tả cách một vật liệu chuyển đổi giữa các pha đó.

Definition

Giản đồ pha là một biểu diễn đồ họa của các pha ổn định về mặt nhiệt động lực học của một hệ thống theo các hàm của thành phần, nhiệt độ và áp suất; biến đổi pha là quá trình, được điều chỉnh bởi nhiệt động lực học và động học, theo đó một vật liệu thay đổi từ pha hoặc cấu trúc vi mô này sang pha hoặc cấu trúc vi mô khác.

Scope

Chủ đề này bao gồm các giản đồ pha cân bằng được sử dụng để dự đoán các pha hiện diện trong vật liệu ở một thành phần và nhiệt độ nhất định — các hệ eutectic, peritectic và dung dịch rắn — cùng với quy tắc đòn bẩy và quy tắc pha Gibbs để giải thích chúng. Nó cũng bao gồm động học của biến đổi: sự tạo mầm và phát triển, các biến đổi khuếch tán so với không khuếch tán (martensitic), và cách đường làm nguội kiểm soát cấu trúc vi mô thực sự hình thành.

Core questions

• Các pha nào ổn định ở một thành phần và nhiệt độ nhất định?
• Quy tắc đòn bẩy và quy tắc pha định lượng lượng pha và bậc tự do như thế nào?
• Điều gì phân biệt hành vi eutectic, peritectic và dung dịch rắn?
• Động học tạo mầm và phát triển xác định cấu trúc vi mô thu được khi làm nguội như thế nào?

Key concepts

• Quy tắc pha Gibbs
• Quy tắc đòn bẩy
• Phản ứng eutectic và peritectic
• Dung dịch rắn
• Tạo mầm và phát triển
• Biến đổi martensitic

Key theories

Giản đồ pha cân bằng và quy tắc pha

Quy tắc pha Gibbs liên hệ số lượng pha cùng tồn tại với bậc tự do của thành phần và nhiệt độ; các giản đồ pha nhị phân mã hóa điều này, và quy tắc đòn bẩy đọc ra lượng tương đối của các pha cùng tồn tại tại một điểm nhất định.

Tạo mầm, phát triển và động học biến đổi

Thay đổi pha đòi hỏi sự tạo mầm của pha mới chống lại rào cản năng lượng giao diện, sau đó là sự phát triển khuếch tán; sự cạnh tranh giữa lực đẩy nhiệt động lực học và tính di động của nguyên tử thiết lập tốc độ biến đổi và, thông qua đường làm nguội, cấu trúc vi mô cuối cùng.

Mechanisms

Các biến đổi khuếch tán diễn ra bằng cách tạo mầm một pha mới và phát triển từng nguyên tử qua một giao diện di chuyển, đòi hỏi sự khuếch tán tầm xa; các biến đổi không khuếch tán (martensitic) diễn ra bằng cách cắt trượt phối hợp của mạng tinh thể mà không thay đổi thành phần, xảy ra gần như tức thời dưới một nhiệt độ tới hạn.

Clinical relevance

Giản đồ pha là bản đồ làm việc của quá trình xử lý vật liệu: chúng hướng dẫn quá trình xử lý nhiệt hợp kim và gốm sứ, dự đoán hành vi nung của các hệ oxit và thủy tinh, và giải thích tại sao quá trình làm nguội có kiểm soát tạo ra các cấu trúc vi mô cứng hoặc mềm, giòn hoặc dai từ cùng một thành phần.

History

Quy tắc pha của Gibbs vào những năm 1870 đã đưa ra nền tảng nhiệt động lực học để dự đoán số lượng pha có thể cùng tồn tại. Roozeboom và những người khác đã áp dụng nó một cách thực nghiệm để xây dựng các giản đồ pha vào khoảng năm 1900, và công trình nghiên cứu về lý thuyết tạo mầm và động học biến đổi trong thế kỷ XX đã bổ sung thêm chiều thời gian, liên kết các giản đồ cân bằng với các cấu trúc vi mô thực sự được tạo ra trong quá trình xử lý.

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Hendrik Roozeboom

Seminal works

• callister2018
• porter2009

Frequently asked questions

Điểm eutectic là gì?

Điểm eutectic là thành phần và nhiệt độ mà tại đó một chất lỏng biến đổi trực tiếp thành hỗn hợp hai pha rắn khi làm nguội. Đây là điểm nóng chảy thấp nhất trong hệ thống và tạo ra một cấu trúc vi mô hai pha mịn đặc trưng.

Tại sao giản đồ pha có thể không dự đoán được cấu trúc vi mô thực tế bạn nhận được?

Giản đồ pha chỉ ra các pha cân bằng, nhưng để đạt được cân bằng cần đủ thời gian và tính di động của nguyên tử. Làm nguội nhanh có thể ngăn chặn sự khuếch tán và giữ lại các cấu trúc vi mô siêu bền hoặc không cân bằng, vì vậy động học, chứ không chỉ nhiệt động lực học, quyết định kết quả thực tế.