Классификация фазовых превращений
Фазовое превращение – это процесс перехода вещества из одной термодинамической системы в другую при изменении внешних условий.
Фазовые переходы делятся на переходы первого и второго рода. При фазовом превращении первого рода скачкообразно изменяются первичные параметры, к которым относятся: количество запасенной внутренней энергии, удельный объем, концентрация компонентов и т.п. Самыми распространенными примерами фазового превращения первого рода являются: конденсация и испарение, кристаллизация и плавление, сублимация и десублимация.
Сублимация – это переход вещества из твердого состояния сразу в парообразное, исключая стадии плавления и кипения.
При превращении второго рода не изменяются внутренняя энергия и плотность, поэтому данный переход может быть незаметен для человеческого глаза. Скачок испытывают производные плотности и внутренней энергии по давлению и температуре: различные типы восприимчивости, теплоемкость, коэффициент теплового расширения. Фазовые превращения второго рода происходят тогда, когда изменяется симметрия строения вещества. Описание данного перехода дается теорией Ландау. Самыми распространенными примерами превращения второго рода являются:
- Переход аморфных материалов в стеклообразное состояние.
- Прохождение системы через критическую точку.
- Переход жидкого гелия в сверхтекучее состояние.
- Превращение парамагнетика в ферромагнетик.
- Превращение парамагнетика в антиферромагнетик.
- Переход сплавов и металлов в состояние сверхпроводимости.
Существование фазовых превращений более, чем второго порядка до сих пор экспериментально не подтверждено. В настоящее время широкое распространение получило понятие квантового фазового превращения, то есть перехода, который управляется не классическими тепловыми функциями, а квантовыми, существующие даже в условиях абсолютного нуля, при котором классический переход не может быть реализован вследствие теоремы Нернста.
Анализ фазовых превращений в двухкомпонентных сплавах, диаграмма состояния сплава
Двухкомпонентный металлический сплав – это материал, который получается в результате сплавления двух металлов или металла с неметаллом, обладающим металлическим свойствами
Анализ превращений в двухкомпонентных сплавах осуществляется в следующей последовательности:
- Строится диаграмма фазового равновесия заданной системы, буквами обозначаются характерные точки и указываются фазы во всех фазовых областях.
- Дается описание типа диаграммы фазового равновесия и указываются трехфазные превращения, которые имеют место быть в рассматриваемой системе.
- Считается количество степеней свободы во всех фазовых областях для заданного двухкомпонентного сплава.
- Определяется темп кристаллизации для рассматриваемого сплава.
- Строится кривая охлаждения сплава, при этом учитывается темп кристаллизации в диапазоне температур между ликвидусом и солидусом.
- По правилу отрезков считаются масса равновесных фаз и массы составляющих структуры при установленной температуре.
- Записываются все фазовые превращения при охлаждении сплава.
- Рисуются схемы изменения микроструктуры для сплава при охлаждении.
Порядок и состав анализа фазовых превращений в двухкомпонентных сплавах для различных веществ может отличаться, в зависимости от исходных данных, используемых материалов, назначения сплава, а также условий эксплуатации и требований технического задания.
Диаграмма состояния (фазового равновесия) сплава представляет собой графическое изображение соотношения между параметрами состояния термодинамической равновесной системы (состав, температура, давление) - фазового состояния любого сплава исследуемой системы в зависимости от температуры и концентрации. Как правило, используются проекции диаграммы состояния на одну из координатных плоскостей при постоянном значении других параметров. Такая диаграмма характеризует предельное или окончательно состояние сплавов. Они могут быть получены в результате экспериментальных исследований магнитного, термического, микроскопического, рентгеноструктурного и других видов анализа. Самым простым является термический. В процессе такого анализа определяются температура начала конца затвердевания сплавов при превращении из жидкого в твердое и температуры фазовых переходов, которые происходят в твердом состоянии. Для анализа кривых охлаждения применяется правило Гиббса, согласно которому количество равновесно сосуществующих в системе фаз не может быть больше, чем число компонентов, которые образуют эти фазы, плюс, как правило два. Данное правило связывает число существующих фаз, число компонентов сплава и число степеней свободы следующим образом:
$С = К – Ф + 2$
Здесь: С - степень свободы; К - число компонентов; Ф - число фаз.
Степени свободы являются независимыми параметрами, в случае изменения которых количество фаз, находящихся в равновесии, не изменяется. Для металлических систем, которые рассматриваются при постоянном давлении (равном атмосферному) закон Гиббса имеет следующий вид:
$С = К – Ф + 1$
