Bevezetés

1. A fázisdiagramok típusai

2. A mikroelektronikai jelentőségű rendszerek

3. Szilárd anyag oldhatósága

4. Fázisátmenetek

Irodalom

Bevezetés

A fázisdiagramok szerves részét képezik az anyagok tulajdonságairól szóló tárgyalásoknak, amikor a különböző anyagok kölcsönhatásáról van szó. A fázisdiagramok különösen fontosak a mikroelektronikában, mert vezetékek és passziváló rétegek gyártásához ott nagy halmazt kell felhasználni különböző anyagokból. Az integrált áramkörök gyártása során a szilícium szoros kapcsolatban áll különféle fémekkel, különös figyelmet fordítunk azokra a fázisdiagramokra, amelyekben a szilícium az egyik komponensként jelenik meg.

Ez az esszé a fázisdiagramok típusait, a fázisátalakulás fogalmát, a szilárd anyag oldhatóságát tárgyalja leginkább fontos rendszereket mikroelektronikai anyagok.

1. A fázisdiagramok típusai

Az egyfázisú állapotdiagramok olyan grafikonok, amelyek nyomástól, térfogattól és hőmérséklettől függően csak egy anyag fázisállapotát ábrázolják. Általában nem szokás háromdimenziós grafikont kétdimenziós síkra rajzolni - ábrázolják a vetületét a hőmérséklet-nyomás síkra. ábra egy egyfázisú állapotdiagram példája látható. egy.

Rizs. 1. Egyfázisú állapotdiagram

A diagram egyértelműen leírja azokat a területeket, ahol az anyag csak egy fázisállapotban létezhet - mint szilárd, folyadék vagy gáz. A határvonalak mentén egy anyagnak két fázisállapota (két fázisa) lehet egymással összefüggésben. A kombinációk bármelyike ​​előfordul: szilárd - folyékony, szilárd - gőz, folyékony - gőz. A diagram vonalainak metszéspontjában, az úgynevezett hármaspontban mindhárom fázis egyidejűleg létezhet. Ráadásul ez egyetlen hőmérsékleten lehetséges, így a hármaspont jó hőmérsékleti referenciapontként szolgál. A referenciapont jellemzően a víz hármas pontja (például hőelemes precíziós méréseknél, ahol a referencia csomópont érintkezik a jég-víz-gőz rendszerrel).

A kétfázisú diagram (kettős rendszerállapot diagram) egy két komponensből álló rendszer állapotát ábrázolja. Az ilyen diagramokon a hőmérsékletet az ordináta tengely mentén, a keverék komponenseinek százalékos arányát pedig az abszcissza tengely mentén ábrázoljuk (általában ez vagy a teljes tömeg százaléka (tömeg%), vagy a teljes szám százaléka. atomok (at.%)). A nyomást általában 1 atm-nek feltételezik. Ha folyékony és szilárd fázist vesszük figyelembe, a térfogatmérés figyelmen kívül marad. ábrán A 2. ábra egy tipikus kétfázisú állapotdiagramot mutat az A és B komponensekre tömeg- vagy atomszázalékos felhasználással.

Rizs. 2. Kétfázisú állapotdiagram

A  betű az A anyag fázisát jelöli B oldott anyaggal,  a B anyag fázisát jelöli, amelyben az A anyag feloldódott, a  +  pedig e fázisok keverékét jelöli. A betű (folyadékból - folyadék) a folyékony fázist jelenti, az L+ és L+ pedig a folyékony fázist plusz fázist, ill. A fázisokat elválasztó vonalak, vagyis azok a vonalak, amelyeken egy anyag különböző fázisai létezhetnek, a következő elnevezéssel bírnak: solidus - olyan vonal, amelyen  vagy  fázisok egyidejűleg léteznek az L +  és L +  fázisokkal; A solvus egy olyan vonal, amelyen a  és  +  vagy  és  +  fázisok egyidejűleg léteznek, a liquidus pedig egy olyan vonal, amelyen egyidejűleg létezik L fázis és L+ vagy L+ fázis.

Két likviduszvonal metszéspontja gyakran az A és B anyagok összes lehetséges kombinációjának legalacsonyabb olvadáspontja, és eutektikus pontnak nevezik. Az eutektikus ponton komponensek arányát tartalmazó keveréket eutektikus keveréknek (vagy egyszerűen eutektikumnak) nevezzük.

Fontolja meg, hogyan történik a keverék átmenete folyékony halmazállapot(olvadék) szilárd állapotba, és hogyan segít a fázisdiagram megjósolni az adott hőmérsékleten létező összes fázis egyensúlyi összetételét. Térjünk át az ábrára. 3.

Rizs. 3. A térhálósodási folyamatokat bemutató kétfázisú állapotdiagram

Tegyük fel, hogy a keverék kezdetben T 1 hőmérsékleten C M összetételű volt, T 1 és T 2 hőmérsékleten folyékony fázis van, T 2 hőmérsékleten pedig L és  fázisok egyszerre léteznek. A jelenlévő L fázis összetétele C M, a  fázis összetétele C  1 . A hőmérséklet további csökkenésével T 3 -ra a folyadék összetétele a likviduszgörbe mentén, a  fázis összetétele pedig a szoliduszgörbe mentén addig változik, amíg az nem metszi a T 3 izotermát (vízszintes vonalat). Most az L fázis összetétele C L, a fázis összetétele pedig C  2. Megjegyzendő, hogy a C  2 összetételnek nemcsak annak az anyagnak kell lennie, amely a T 3 hőmérsékleten -nél átment a fázisba, hanem minden olyan anyagnak is, amely magasabb hőmérsékleten átment a  fázisba. C  2 . Az összetételek ezen összehangolásának az A komponens szilárd fázisú diffúziójával kell megvalósulnia a meglévő  fázisba, hogy mire elérjük a T 3 hőmérsékletet, a  fázisban lévő összes anyag C  2 összetételű legyen. A hőmérséklet további csökkenése elvezet minket az eutektikus ponthoz. Ebben a  és  fázis a folyékony fázissal egyidejűleg létezik. Alacsonyabb hőmérsékleten csak a  és  fázis létezik. C E összetételű  és  fázisok keveréke  kiindulási összetételű C  3 aggregátumokkal. Ezután ezt a keveréket hosszú ideig az eutektika alatti hőmérsékleten tartva szilárd anyagot kaphat. A kapott szilárd test két fázisból áll. Az egyes fázisok összetétele az izoterma és a megfelelő solvus egyenes metszéspontjában határozható meg.

Most mutatták be, hogyan határozható meg az egyes jelenlévő fázisok összetétele. Most nézzük meg az anyagmennyiség meghatározásának problémáját az egyes fázisokban. A félreértések elkerülése érdekében az ábrán. 4. Ismét egy egyszerű kétfázisú diagram látható. Tegyük fel, hogy T 1 hőmérsékleten az olvadék összetétele C M (jelentése B komponens), akkor T 2 hőmérsékleten az L fázis CL összetételű, a  fázis pedig C s összetételű. Legyen M L egy szilárd halmazállapotú anyag tömege, M S pedig a szilárd halmazállapotú anyag tömege. A teljes tömeg megmaradásának feltétele a következő egyenlethez vezet

(M L + M S)C M = M L C L + M S C S .

Rizs. 4. Szintszabály

Azt a tényt tükrözi, hogy egy anyag teljes tömege T 1 hőmérsékleten, megszorozva a B százalékos értékkel, a B anyag össztömege. Egyenlő a folyadékban lévő B anyag tömegének összegével. szilárd fázisok T 2 hőmérsékleten. Ezt az egyenletet megoldva azt kapjuk

. (1)

Ezt a kifejezést "szintszabálynak" nevezik. Ezt a szabályt alkalmazva, az olvadék kezdeti összetételének és össztömegének ismeretében, a kétfázisú diagram bármely részén meghatározható mindkét fázis tömege és a B anyag mennyisége bármely fázisban. Ugyanígy lehet számolni

ábrán 5. egy másik példát mutat az olvadékszilárdulásra. A hőmérséklet T 1 -ről T 2 -re való csökkenése az L és  fázisok összekeveredéséhez vezet a C M és C  összetétellel. További hűtéssel az L összetétel a liquidus mentén, a  összetétel pedig a solidus mentén változik, a korábban leírtak szerint. A T 3 hőmérséklet elérésekor a  összetétel egyenlő lesz C M-mel, és a szintszabályból következően T 3 -nál alacsonyabb hőmérsékleten a folyékony fázis nem létezhet. T 4 -nél alacsonyabb hőmérsékleten a  és  fázisok a  és  fázisok aggregátumaiként léteznek. Például T 5 hőmérsékleten a  fázis aggregátumai a T 5 izoterma és a  solvus metszéspontja által meghatározott összetételűek lesznek. A  összetételt hasonlóan határozza meg - az izoterma és a solvus  metszéspontja.

Rizs. 5. Kétfázisú diagram és a megszilárdulási folyamat bármely fázisában jelen lévő A anyag mennyisége

A kétfázisú diagram metszetei, amelyeket továbbra is -nak és -nek neveznek, szilárd oldhatóságú területek: A és B a  tartományban oldódik. Maximális összeg Egy adott hőmérsékleten B-ben oldható A hőmérsékletfüggő. Az eutektikus hőmérsékleten vagy afölött megtörténhet az A és B gyors fúziója. Ha a keletkező ötvözetet gyorsan lehűtik, akkor az A atomok "csapdába eshetnek" a B rácsban. De ha a szilárd anyag oldhatósága szobahőmérsékleten sokkal kisebb (ez arra utal, hogy ezen a hőmérsékleten a vizsgált megközelítés nem túl megfelelő), akkor az ötvözetben erős feszültségek keletkezhetnek, amelyek jelentősen befolyásolják annak tulajdonságait (jelentős feszültségek jelenlétében túltelített szilárd oldatok keletkeznek, és a rendszer nem egyensúlyi állapot, és a diagram csak az egyensúlyi állapotokról ad információt). Néha egy ilyen hatás kívánatos, például az acél keményítésénél, hogy martenzitet kapjunk. De a mikroelektronikában ennek eredménye pusztító lesz. Ezért az adalékolást, azaz a diffúzió előtti adalékanyagok hozzáadását a szilíciumhoz emelt hőmérsékleten végezzük oly módon, hogy elkerüljük a felület túlzott ötvözés miatti károsodását. Ha az adalékanyag mennyisége a szubsztrátumban bármely hőmérsékleten meghaladja a szilárdanyag oldhatósági határát, akkor egy második fázis jelenik meg és az ezzel kapcsolatos deformáció.

2. A mikroelektronikában fontos anyagok rendszerei

Számos olyan anyag létezik, amelyek teljesen oldódnak egymásban. Példa erre a mikroelektronika számára két olyan fontos anyag rendszere, mint a szilícium és a germánium. ábrán látható a szilícium-germánium rendszer. 6.

Rizs. 6. Rendszer szilícium - germánium

A diagramnak nincs eutektikus pontja. Az ilyen diagramot izomorfnak nevezzük. Ahhoz, hogy két elem izomorf legyen, be kell tartaniuk a Hume-Rothery-szabályokat, azaz. az atomsugár értékei között nem több, mint 15%, ugyanaz a valószínűség, ugyanaz a kristályrács, és ezen kívül megközelítőleg azonos elektronegativitással (egy atom elektronegativitása a velejáró család, amely vonzza vagy elkapja a pluszt elektronok, mikor kovalens kötések). A Cu-Ni, Au-Pt és Ag-Pd rendszerek szintén izomorfak.

A Pb–Sn rendszer jó példa az egyszerűségre kettes számrendszer jelentős, bár korlátozott, szilárd oldhatósággal. Ennek a rendszernek a fázisdiagramja az ábrán látható. 7. A solidus és a solvus metszéspontját határoldékonyságnak nevezzük, mind az ón ólomban, mind az ólom ónban való határoldhatóságának értéke nagy lesz. Ez a rendszer a mikroelektronika számára fontos az ón-ólom forraszanyagok elterjedt alkalmazása miatt. A rendszer kétfázisú diagramja azt mutatja, hogy az ötvözet összetételének megváltoztatása hogyan változtatja meg az olvadáspontját. Ha egy mikroáramkör gyártása során több egymást követő forrasztásra van szükség, minden további forrasztáshoz alacsonyabb olvadáspontú forrasztóanyagot használnak. Ez azért történik, hogy a korábban készített forrasztások ne folyjanak.

Rizs. 7. Az ólom-ón rendszer állapotainak fázisdiagramja

A mikroáramkörök előállításához az Au-Si rendszer tulajdonságai is fontosak, hiszen ennek a rendszernek az eutektikus hőmérséklete rendkívül alacsony a tiszta arany vagy a tiszta szilícium olvadáspontjához képest (9. ábra). Az arany szilíciumban és a szilícium aranyban való oldhatósága túl kicsi ahhoz, hogy egy hagyományos fázisdiagramon megjelenítsük. Az alacsony eutektikus hőmérséklet miatt előnyös a forgácsot arany alapfelületekre, tartókra vagy táblákra szerelni arany érintkezőbetétekkel, az Au-Si eutektikus reakciót alkalmazva fő hegesztési (vagy forrasztási) mechanizmusként. A szilíciumkristályok forrasztásához néhány százalék germániumot tartalmazó aranyat is használnak.

Alkotó elemek kombinációi kémiai vegyületek, bonyolultabb állapotdiagramjaik vannak. Két (vagy több) egyszerűbb diagramra bonthatók, amelyek mindegyike egy adott kapcsolatpárra, vagy egy kapcsolatra és elemekre vonatkozik. Például AuAl 2 képződik, amikor 33% (atomszázalék) aranyat alumíniummal kombinálnak 1060 °C alatti hőmérsékleten (2.10. ábra). Ettől a vonaltól balra az AuAl 2 és egy tiszta alumínium fázis együtt létezik. Az olyan vegyületeket, mint az AuAl 2, intermetallikusnak nevezzük, és a két elem megfelelő sztöchiometrikus arányában képződnek. Az intermetallikus vegyületeket jellemzik magas hőmérsékletű olvadó, összetett kristályszerkezetűek, ráadásul kemények és törékenyek.

Az Au - Al állapotok fázisdiagramja két vagy több diagramra osztható, például egy Al - AuAl 2 diagramra és egy AuAl 2 - Au diagramra.

Rizs. 8. Alumínium-szilícium rendszer

ábrán látható Au–Al rendszer diagramja. A 2.10 rendkívül fontos a mikroelektronikában, mivel az aranyhuzalokat általában a szilícium tetején elhelyezkedő alumínium fémréteghez kötik. Számos fontos intermetallikus vegyületet sorolunk fel itt: AuAl 2, Au 2 Al, Au 5 Al 2 és Au 4 Al. Ezek mindegyike jelen lehet az Au-Al kötések vezetőiben.

Rizs. 9. Arany-szilícium rendszer

Rizs. 10. Arany - alumínium rendszer

3. Szilárd anyag oldhatósága

A legtöbb adalékanyag korlátozó oldhatósága szilíciumban rendkívül alacsony, és valójában nem a maximális oldhatóság. ábrán A 11. ábra egy szilíciummentes szennyeződés tipikus szolidusz görbéjét mutatja. Megjegyzendő, hogy az oldhatóság a hőmérséklettel növekszik bizonyos értéket, majd a szilícium olvadáspontján nullára csökken. Az ilyen görbét retrográd oldhatósági görbének nevezzük. Ennek a diagramnak a továbbfejlesztett változata a szilícium olvadáspontja közelében látható az ábrán. 12.

Rizs. 11 A szilícium retrográd oldhatósága

Rizs. 12 Tipikus szilícium fázisdiagram

Ha a szilícium olvadék összetétele az oldott anyag tömegének százalékában C M, akkor a szilícium kC M oldottanyag-tartalommal megszilárdul, ahol k a szegregációs együttható (k=C S /C L). Amikor a szilárd anyag koncentrációja eléri a C M értéket fagyasztáskor, a folyékony oldat koncentrációja C M /k lesz, mivel a folyékony és a szilárd szűrőben a koncentrációk arányának k-val kell egyenlőnek lennie. A szoliduszvonal meredeksége tehát az

,

a likvidusz meredeksége pedig az

.

A liquidus és solidus meredekség aránya megegyezik a szegregációs együtthatóval

. (2)

4. Fázisátmenetek

Átmenet egyik fázisállapotból a másikba, ha a rendszerparaméterek megváltoznak.

Az első típusú fázisátalakulások (párolgás, kondenzáció, olvadás, kristályosodás, átmenetek egyik kristálymódosulásból a másikba).

Az anyagok kristályos állapotát hét szingónia szerint osztályozzák (triclinic, monoklin, rombos, tetragonális, trigonális vagy rombuszos ...., hatszögletű, köbös), míg az atomok elrendezését ezekben a szingóniákban 14 típusú rács (Brave) jellemzi. rács). Az atomok becsomagolásának mértéke ezekben a rácsokban eltérő:

Egyszerű köbös f = 0,52

Térfogatközpontú köbf = 0,68

FCC f = 0,74

Hatszögletű zárt tömítés f = 0,74

Ezekből az adatokból egy nagyon fontos következtetés következik, polimorf transzformációk esetén (típusváltozás kristályrács) változás következik be az anyagok térfogatában és ennek következtében az anyagok fizikai-kémiai tulajdonságaiban.

Az első típusú átmeneteknél az átmeneti ponton két fázis van együtt.

A  B 

a) az átmenetet meghatározott T per hőmérsékleten hajtjuk végre

b) az átmenet során az energia első deriváltjai hirtelen megváltoznak: entalpia, entrópia, térfogat (tehát a sűrűség)

Második típusú fázisátmenetek

A második típusú átmenetek során a szabadenergia, az entalpia, az entrópia, a térfogat és a sűrűség első származékai monoton módon változnak.

Bárium-titanát – köbös szerkezet –> tetragonális tipikus piezoelektromos.

A MnO egy antiferromágnes 117 K hőmérsékleten paramágneses fázisba kerül.

1. A fázistranszformációk Eripresit által 1933-ban javasolt osztályozása szerint a transzformációkat az első és a második típusú transzformációkra (átmenetekre) osztják fel.

Az első típusú átmenetekre jellemző, hogy a termodinamikai potenciál  hőmérsékletre és nyomásra vonatkozó első deriváltjai fokozatosan változnak

itt S az entrópia, V a térfogat

Mivel a termodinamikai potenciál a fázisátalakulás során folyamatosan változik, a kifejezés határozza meg

akkor az U energiának is hirtelen meg kell változnia. Mivel

majd az átmenet heve

egyenlő a hőmérséklet és a fázisok entrópiája különbségének szorzatával, azaz a hő hirtelen változásával vagy elnyelésével.

Fontos a termodinamikai potenciál folyamatos változása. A (T) és (T) függvények nem változtatják meg a fázisátmeneti pont közelében lévő jellemzőket, miközben a termodinamikai potenciál minimuma a fázisátmeneti pont mindkét oldalán van.

Ez a tulajdonság megmagyarázza a fázisok túlmelegedésének vagy túlhűtésének lehetőségét abban az esetben fázisátmenetek rendszerben.

Határozzuk meg az összefüggést a termodinamikai függvények és a ugrások között. A hőmérséklet szerinti differenciálás után a Függvény (Р, Т) = (Р, Т) összefüggést, figyelembe véve az S, V és q kifejezést, kapjuk

Ez a jól ismert Clausis-képlet. Lehetővé teszi az egyensúlyban lévő fázisok nyomásváltozásának meghatározását a hőmérséklet változásával vagy a két fázis közötti átmeneti hőmérséklet változását nyomásváltozással. A hirtelen térfogatváltozás azt eredményezi, hogy nincs határozott kapcsolat a szerkezet és az elsőrendű fázisátalakulás során átalakuló fázisrendszer között, amelyek ezért hirtelen megváltoznak.

Az első típusú fázisátalakulásokra jellemzőek az aggregált anyagállapotok közötti átmenetek, az allotróp átalakulások és a többkomponensű anyagok számos fázisátalakulása.

Az alapvető különbség a másodrendű fázisátalakulások és az elsőrendű fázisátalakulások között a következő: a másodrendű átmenetekre jellemző a termodinamikai potenciál változásának folytonossága és a termodinamikai potenciál deriváltjainak változásának folytonossága is.

Kémiai egyensúly

Termodinamikai függvény - olyan állapotfüggvény, amely meghatározza a termodinamikai potenciálok változását a rendszerben lévő részecskék számának változásával. Vagyis létezik egy függvény, amely megfelelő transzformációk és feltételek mellett (T, P, V, S, n i) meghatározza egy komponens egyik fázisból a másikba való spontán átmenetének irányát és határát.

A termodinamikai potenciálok a következő összefüggésekkel kapcsolódnak egymáshoz

Az anyag mennyisége grammban; - az anyag mennyisége mólokban;

M a megfelelő anyag molekulatömege.

A szilárd oldatok elméletéhez, amelyen minden mikroelektronikai eszköz működik, nagy jelentősége van a Gibbs által kidolgozott kémiai potenciálok módszerének. A kémiai egyensúly a kémiai potenciálok segítségével határozható meg.

A kémiai potenciált az 1 atomra jutó energia jellemzi

Kémiai potenciál; G a Gibbs-energia;

N o - Avogadro száma, N A - L \u003d mol -1

azaz (P, T) = (P, T)

Mindkét görbe monoton hőmérséklet-csökkenést jellemez, meghatározva a fázisentrópia értékét

A fázisdiagramok szerves részét képezik az anyagok tulajdonságainak tárgyalásának, amikor a különböző anyagok kölcsönhatásáról van szó.

Az egyfázisú állapotdiagramok csak egy anyag fázisállapotát ábrázolják.

A kétfázisú diagram (kettős rendszerállapot diagram) egy két komponensből álló rendszer állapotát ábrázolja.

A kémiai vegyületeket alkotó elemek kombinációi összetettebb állapotdiagrammal rendelkeznek.

Irodalom

1. Ormont BF Bevezetés a félvezetők fizikai kémiájába és kristálykémiájába. – M.: Gimnázium, 1973.

2. Fizikai kohászat / Szerk.: Kahn R., vol. 2. Fázistranszformációk. Metallográfia. – M.: Mir, 1968.

3. Yu.M. Tairov, V.F. Tsvetkov "Félvezető és dielektromos anyagok technológiája", - M .: Felsőiskola, 1990.

4. "Műhely a félvezetőkről és a félvezető eszközökről", /Szerk. Shalimova K.V. - M .: Felsőiskola, 1968.

(1. Fázisok szabálya. 2. A fázisegyensúlyi diagramok fogalmai. 3. A szakaszok szabálya. 4. ÁllapotdiagramIIIkedves)

1. Fázisok szabálya

Amikor az összetevők hőmérséklete vagy koncentrációja változik, a rendszer (ötvözet) különböző állapotokba kerülhet. Az egyik állapotból a másikba való átmenet során fázistranszformációk lépnek fel benne - új fázisok jelennek meg, vagy a meglévő fázisok eltűnnek.

A rendszer állapotának, azaz a fázisok számának és kémiai összetételének megváltoztatásának lehetőségét annak varianciája határozza meg - szabadsági fokok száma.

Meghatározás. Egy rendszer szabadságfokainak száma azon külső (hőmérséklet, nyomás) és belső (koncentráció) tényezők száma, amelyek a rendszer fázisszámának megváltoztatása nélkül változtathatók.

Fázisszabály egyenlet ( Gibbs törvény) több komponensből álló állandó nyomású rendszer esetén az alakja

C \u003d K - F + 1, (3.1)

ahol C a szabadsági fokok száma (a rendszer varianciája); K a komponensek száma; Ф a fázisok száma.

Mivel a szabadsági fokok száma mindig nagyobb vagy egyenlő nullával, azaz. C  0, akkor a feltétel teljesül a komponensek és fázisok száma között

Ф  K + 1, (3.2)

az ötvözetek egyensúlyi fázisainak lehető legnagyobb számának megállapítása.

2. Az egyensúlyi fázisdiagramok fogalmai

Fázisegyensúlyi diagramok ( állapotdiagramok) használják az ötvözetek szerkezetének vizsgálatára, hőkezelési módok megválasztására stb.

Az egyensúlyi fázisdiagram megmutatja, hogy adott körülmények között (komponensek koncentrációja és hőmérséklete) mely fázisok léteznek egyensúlyi körülmények között. A diagramból megállapíthatja az összesítés állapota, a fázisok száma és kémiai összetétele, valamint az ötvözet szerkezeti-fázisú állapota, az alkotóelemeinek hőmérsékletétől és koncentrációjától függően.

A fázisegyensúlyi diagram egy „grafikon”, amelynek abszcisszán a komponensek koncentrációja (bármely ötvözetben a komponensek össztartalma 100%), az ordinátán pedig a hőmérséklet látható. A diagram x-tengelyének szélső pontjai (bal és jobb) a tiszta komponenseknek felelnek meg. Ezen a tengelyen bármely más pont megfelel az ötvözetkomponensek bizonyos koncentrációjának.

Például egy kétkomponensű ötvözetnél (3.1. ábra) a pont DE tisztanak felel meg, i.e. amely 100%, A komponens, pont BAN BEN- tiszta B komponens, C pont - 75% A-t és 25% B-t tartalmazó ötvözet, pont D - 75% B-t és 25% A-t tartalmazó ötvözet. A koncentráció tengelye az egyik komponens tartalmának változását jelzi (3.1. ábrán - B komponens).

Rizs. 3.1 - A fázisegyensúlyi diagram koordinátái

A fázisdiagramok elkészítéséhez különböző összetételű ötvözeteket vizsgálnak különböző hőmérsékleteken. A diagramok elkészítésének hagyományos módszere a termikus elemzés módszere, amely lehetővé teszi az ötvözetek hűtési görbéinek meghatározását a "hőmérséklet - idő" koordinátákban. hűtési görbék(ötvözetek).

Az ötvözetek hűtése nagyon alacsony sebességgel történik, vagyis az egyensúlyhoz közeli körülmények között.

A hűtési diagramok felépítése a következő sorrendben történik:

a "hőmérséklet - koncentráció" koordinátákba húzzon függőleges vonalakat a vizsgált összetételek ötvözeteinek megfelelően (mint kevesebb lépés koncentráció, minél pontosabb a diagram);

ezekhez az ötvözetekhez hűtési görbéket építenek;

a függőleges vonalakon pontok jelzik azt a hőmérsékletet, amelynél a hőmérséklet változik az összesítés állapota vagy szerkezetötvözetek;

a különböző ötvözetek azonos átalakulásának pontjait vonalak kötik össze, amelyek korlátozzák a rendszer azonos állapotú területeit.

Ilyen konstrukciókat végeztünk az 1. számú laboratóriumi munkában a „cink-ón” állapotdiagram elkészítésekor (“Zn – sn»).

A diagram megjelenése attól függ, hogy a szilárd és folyékony halmazállapotú komponensek hogyan lépnek kölcsönhatásba egymással.

A legegyszerűbb diagramok a bináris (két- vagy kétkomponensű) rendszerek ( a többkomponensű rendszerek a "redundáns" komponensek rögzített értékeinél redukálhatók rájuk), amelyek fő típusai közé tartoznak az ötvözetek állapotdiagramjai, amelyek a szilárd állapot(normál hőmérsékleten):

a) tiszta komponensek mechanikai keverékei (I típus);

b) az összetevők korlátlan oldhatóságával rendelkező ötvözetek (II. típus);

c) a komponensek korlátozott oldhatóságával rendelkező ötvözetek (III típusú);

d) kémiai vegyületet képező ötvözetek (IV típusú).

Az előadásban a fázisegyensúlyi diagramok felépítését vizsgáljuk meg egy harmadik típusú fázisdiagram példáján - egy olyan ötvözet, amelynek a komponensei korlátozottan oldódnak (a laboratóriumi munkákban más típusú diagramokat is figyelembe veszünk).

De először megvitatjuk, mi a fontos az ilyen diagramok elemzéséhez szegmensszabály(kar).

Fázisdiagramok elemzése

A kétfázisú vonalak általában vagy két hármas pontot kötnek össze, vagy egy hármas pontot kötnek össze az y tengelyen egy nulla nyomásnak megfelelő ponttal. A kivétel a folyadék-gáz vezeték, amely a kritikus ponton végződik. A kritikus hőmérséklet felett a folyadék és a gőz közötti különbség eltűnik.

Kettős rendszerek diagramjainak metszete és vetületei

hőmérséklet-összetétel diagramok

Bináris rendszerek diagramjai

Korlátlan szilárdtest oldhatóság

Eutektikus és eutektoid átalakulások

Kémiai vegyületeket alkotó ötvözetek

Wikimédia Alapítvány. 2010 .

Nézze meg, mi a "Fázisdiagram" más szótárakban:

- (Lásd ÁLLAPOTábra). Fizikai enciklopédikus szótár. M.: Szovjet Enciklopédia. A. M. Prokhorov főszerkesztő. 1983. FÁZIS DIAGRAM ... Fizikai Enciklopédia

Ugyanaz, mint az állapotdiagram... Nagy enciklopédikus szótár

fázisdiagram- Termodinamikai diagram, amelyben a nyomás és a hőmérséklet a koordinátatengelyek mentén, valamint a fázisegyensúlyi görbék vannak ábrázolva. [Ajánlott kifejezések gyűjteménye. 103. szám. Termodinamika. Szovjetunió Tudományos Akadémia. Tudományos és Műszaki Bizottság ...... Műszaki fordítói kézikönyv

FÁZISDIAGRAM, azon feltételek grafikus ábrázolása, amelyek között egy anyag különböző egyensúlyi FÁZISAI vannak. Például a tiszta szilárd anyag OLVADÁSPONT/NYOMÁS görbéje két részre osztja a diagramot. Pontok egyben...... Tudományos és műszaki enciklopédikus szótár

fázisdiagram- fazių pusiausvyros diagrama statusas T terület Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Termodinaminės sistemos fazių pusiausvyros grafinis vaizdas. atitikmenys: engl. fázisdiagram egyensúly; termodinamikai fázisdiagram vok.… …

fázisdiagram- Fázisdiagram Fázisdiagram (állapotdiagram) Termodinamikailag egyensúlyi rendszer állapotparaméterei (hőmérséklet, nyomás, összetétel stb.) kapcsolatának grafikus ábrázolása. A fázisdiagram lehetővé teszi, hogy meghatározza ... ... Magyarázó angol-orosz nanotechnológiai szótár. - M.

Fázis diagram Fázis diagram. A kritikus hőmérsékletek és fázishatárok grafikus ábrázolása egy ötvözet- vagy kerámiarendszerben, amelyek melegítéskor vagy hűtéskor fennállnak. A fázisdiagram lehet egyensúlyi diagram ...... Kohászati ​​szakkifejezések szójegyzéke

Ugyanaz, mint az állapotdiagram. * * * FÁZIS DIAGRAM FÁZIS DIAGRAM, ugyanaz, mint az állapotdiagram (lásd az ÁLLAPOT DIAGRAMOT)… enciklopédikus szótár

A fázisdiagram kifejezés angolul fázisdiagram Szinonimák állapotdiagram Rövidítések Kapcsolódó kifejezések kritikus micellizációs hőmérséklet, spinodális bomlás Definíció állapotok grafikus ábrázolása ... ... Nanotechnológiai enciklopédikus szótár

fázisdiagram- fazių diagrama statusas T terület Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Daugiafazės termodinaminės sistemos būsenų diagrama. atitikmenys: engl. fázisdiagram vok. Gleichgewichtsdiagramm, n; fázisdiagramm, n; Zustandsdiagramm, n;… … Penkiakalbis aiskinamasis metrologijos terminų žodynas

Könyvek

• A volfrámkarbidok fizikája és kémiája, Alekszandr Ivanovics Guszev. A monográfia leszögezi a legkorszerűbb alapkutatás a mérnöki munkában széles körben használt volfrámkarbidok. A rendezetlenség-rend transzformációk szimmetriaelemzése és…

FÁZISDIAGRAM, az egyensúlyi feltételek (hőmérséklet, nyomás, kémiai összetétel stb.) grafikus ábrázolása termodinamikai rendszer, amely egy vagy több adott anyagból (a rendszer független komponenseiből) áll, az anyagnak (fázisnak) homogén halmazállapotai vannak, eltérő fizikai-kémiai tulajdonságokkal. A "fázisdiagram" kifejezéssel egyenértékűként az "állapotdiagram" kifejezést használják (főleg Oroszországban és Németországban). Az állapotdiagramot azonban gyakran – különösen az angol nyelvű szakirodalomban – grafikonoknak is nevezik, amelyek nem tükrözik közvetlenül a rendszer fázisegyensúlyait.

A fázisdiagramon a fázisok görbék által határolt régiókként vagy független termodinamikai változók terében elhelyezkedő felületekként jelennek meg. Általában ezek a T hőmérséklet, P nyomás, az x rendszerkomponensek móltörtjei, ezeknek és más változóknak a függvényei, mint például a komponensek mennyiségének vagy koncentrációjának aránya, p sűrűség vagy V m moláris térfogat, μ anyagok parciális nyomása vagy kémiai potenciálja. Külső erőterek hiányában a teljes fázisdiagram koordinátatengelyeinek száma nyitott rendszer c komponensekkel egyenlő c+2. A többdimenziós fázisdiagramok síkon való ábrázolásához metszeteiket és vetületeiket használják, amelyek bizonyos, egyes független változókra szabott korlátozások mellett épülnek fel, gyakran speciálisan kiválasztott koordinátarendszerekkel (Jenike koordináták, Gibbs-Rosebaum háromszögek stb.) kombinálva. A fázisdiagram megmutatja: milyen egyedi anyagok, folyékony, szilárd vagy gázoldatok alkotják a rendszer adott komponenseit; milyen körülmények között termodinamikailag stabilak az ilyen fázisok és heterogén keverékeik; a termodinamikai változók milyen értékein mennek végbe az anyagok fázisátalakulása a rendszerben. Adatokat tartalmazó fázisdiagramok kémiai összetétel fázisok is lehetővé teszik annak meghatározását relatív mennyiségek egymás mellett létező fázisok. Az ilyen információk számos tudományos és gyakorlati probléma megoldásához szükségesek, és széles körben használják a kémiában, a kohászatban, az anyagtudományban, a geokémiában és a tudomány és a technológia más területein.

A fázisdiagram koordinátái kétféle termodinamikai változók lehetnek - a termikus, mechanikai és kémiai egyensúly T, P, μ paraméterei, amelyek az egyensúlyi rendszer minden részében azonos értékekkel rendelkeznek, vagy (általában eltérőek fázisok) extenzív tulajdonságok általánosított sűrűségei, mint például x, p , V m és más tulajdonságok, amelyek megegyeznek az extenzív mennyiségek és a rendszerben lévő anyag mennyiségének, tömegének vagy térfogatának arányával. Ebben a tekintetben háromféle fázisdiagram létezik. Az azonos típusú diagramok izomorfak: ugyanazokkal a topológiai jellemzőkkel rendelkeznek, függetlenül a komponensek számától és a koordinátatengelyeken lévő konkrét változók értékétől.

A (Т, Р), (Т, μ i), (μ i , μ j) és hasonló típusú fázisdiagramokon intenzív egyensúlyi paraméterekkel csak az azokat elválasztó fázistartományok és vonalak (felületek) jelennek meg, amelyek jelzik. az egyes fázisok stabilitásának határai. Az egyenesek metszéspontjai több mint két fázisra megfelelnek az egyensúlyi feltételeknek. Így egy egykomponensű rendszer (T, P)-diagramján a hármaspont három fázis stabil együttélésének feltételeit jelzi.

A koncentrációk, moláris tulajdonságok, sűrűségek tengelyének jelenlétében, mint például a fázisdiagramban (T, x), (P, x), (μ i , x), (T, p), a fázis A stabilitási régiókat más régiók választják el, amelyek az egyensúlyi fázisok heterogén keverékeinek létezését tükrözik. A kétkomponensű kadmium-cink rendszer ilyen típusú fázisdiagramja az ábrán látható. Ennek a kétkomponensű rendszernek a diagramja kettőt tartalmaz koordinátatengelyek, és nem négy, ahogy a fenti c + 2 kifejezés megkívánja, mivel konstrukciójában a P állandóság feltételét használták, és a Cd és Zn mennyiségének két független változóját egy x Zn koncentrációra cserélték (x Cd = 1 - x Zn). Az ábra felső része egy folyadék-gőz egyensúlyi diagram. A tiszta komponensek olvadáspontját összekötő törött görbét likviduszvonalnak nevezzük, és a rendszer "olvadási diagramját" mutatja. Egy ilyen fázisdiagram heterogén tartományában húzott egyenesek (konódák) a koncentráció tengellyel párhuzamos két együttélő fázis határai között (lásd az ábrán az eutektikus konódot) lehetővé teszik a rendszer bármely adott komponens-összetétele esetén a egymás mellett létező fázisok száma ("kar szabály").

A harmadik típus fázisdiagramjában - (x i , x j), (x i , p), (moláris entrópia, x), (moláris entalpia, x) stb. - a koordináták csak kiterjedt termodinamikai tulajdonságú általánosított sűrűségek. Ezek a diagramok a fázisok és konódok heterogén keverékeit is mutatják, de a másik két fázisdiagramtípustól eltérően ebben az esetben a heterogén keverékek állapota lapos vagy háromdimenziós alakban (háromszög, tetraéder) jelenik meg, és lehetséges a három vagy több fázis esetén határozza meg a rendszer kvantitatív fázisösszetételét (az ábra "súlypont-szabálya").

A fázisdiagramokat kísérletileg tanulmányozzuk és a kémiai termodinamika módszereivel számítjuk ki a rendszert alkotó anyagok termodinamikai tulajdonságaira vonatkozó adatok alapján. A fázisdiagramok készítésének elméleti alapjait J. Gibbs adta meg az 1880-as években. Megfogalmazta a „fázisszabályt” is (lásd a Gibbs-féle fázisszabályt), amelyet széles körben használnak a fázisegyensúlyok és fázisdiagramok kísérleti vizsgálatában: rögzített T és P mellett az egyensúlyi együttélési fázisok száma nem haladhatja meg a rendszer számát. komponensek kettőnél nagyobb mértékben, f ≤ c + 2.

Lit.: Palatnik L. S., Landau A. I. Phase equilibries in multicomponent systems. Har., 1961; Kaufman L., Bernstein H. [Fémrendszerek] állapotdiagramjainak számítása számítógéppel. M., 1972; Fizikai kohászat / Szerk.: R. Kahn, P. Haazen. M., 1987. T. 2.