Эвтектическая система

Эвтектическая система или эвтектическая смесь (/juːˈtɛktɪk/ yoo-TEK-tik) — это однородная смесь, температура плавления которой ниже, чем у ее компонентов. Самая низкая возможная температура плавления при всех соотношениях смешивания компонентов называется температурой эвтектики. На фазовой диаграмме температура эвтектики отображается как точка эвтектики (см. график справа).

Соотношения неэвтектических смесей имеют разные температуры плавления для разных компонентов, поскольку решетка одного компонента плавится при более низкой температуре, чем решетка другого. И наоборот, по мере охлаждения неэвтектической смеси каждый из ее компонентов затвердевает в решетку при разной температуре, пока вся масса не станет твердой.

Не все бинарные сплавы имеют эвтектические точки, поскольку валентные электроны компонентов не всегда совместимы [необходимы разъяснения] при любом соотношении компонентов для формирования нового типа совместной кристаллической решетки. Например, в системе серебро-золото температура плавления (ликвидус) и температура замерзания (солидус) «встречаются в конечных точках чистых элементов оси атомных отношений, слегка разделяясь в области смеси этой оси».

В реальном мире эвтектические свойства могут быть успешно использованы в таких процессах, как эвтектическая сварка, когда кремниевые чипы прикрепляются к позолоченным подложкам с помощью ультразвука, а эвтектические сплавы оказываются ценными в таких разнообразных приложениях, как пайка, пайка, литье металлов, электротехника. защита, спринклерные системы пожаротушения и нетоксичные заменители ртути. Управляя фазовым превращением во время затвердевания, подходящий эвтектический сплав можно сделать прочнее, чем любой из его отдельных компонентов, что является ценным свойством в экстремальных условиях, таких как поршни из заэвтектического литого алюминия, используемые в высокооборотных двухцилиндровых двигателях мощностью 550 л.с. (410 кВт). Cadillac Blackwing V8 с турбонаддувом и промежуточным охлаждением DOHC, представленный в 2018 году.

Термин эвтектика был введен в 1884 году британским физиком и химиком Фредериком Гатри (1833–1886). Слово происходит от греческого εὐ— (eû) ‘хорошо’ и τῆξῐς (têxis) ‘тающий’ .

Эвтектический фазовый переход

Эвтектическое затвердевание определяется следующим образом:

{\text{Liquid}}\quad {\xrightarrow[{\text{cooling}}]{{\text{eutectic}} \atop {\text{temperature}}}}\quad \alpha {\text{ solid solution}}\ +\ \beta {\text{ solid solution}}

Этот тип реакции является инвариантной реакцией, поскольку находится в тепловом равновесии; Другой способ определить это: изменение свободной энергии Гиббса равно нулю. На практике это означает, что жидкость и два твердых раствора сосуществуют одновременно и находятся в химическом равновесии. Также имеется термоблок на время смены фаз, во время которого температура системы не меняется.

Образующаяся твердая макроструктура в результате эвтектической реакции зависит от нескольких факторов, наиболее важным из которых является то, как зарождаются и растут два твердых раствора. Наиболее распространенной структурой является пластинчатая структура, но другие возможные структуры включают палочковидную, шаровидную и игольчатую.

Неэвтектические составы

Составы эвтектических систем, не находящиеся в точке эвтектики, можно классифицировать как доэвтектические или гиперэвтектические:

При понижении температуры неэвтектической композиции в жидкой смеси один компонент смеси будет осаждаться раньше другого. В заэвтектическом растворе будет проэвтектоидная фаза вида β, тогда как в доэвтектическом растворе будет проэвтектическая α-фаза.

Типы

Сплавы

Эвтектические сплавы состоят из двух или более материалов и имеют эвтектический состав. Когда неэвтектический сплав затвердевает, его компоненты затвердевают при разных температурах, демонстрируя пластический диапазон плавления. И наоборот, когда хорошо перемешанный эвтектический сплав плавится, он плавится при одной резкой температуре. Различные фазовые превращения, которые происходят во время затвердевания сплава определенного состава, можно понять, проведя вертикальную линию от жидкой фазы к твердой фазе на фазовой диаграмме этого сплава.

Некоторые области применения эвтектических сплавов включают:

Другие

Укрепление механизмов

Сплавы

Первичным механизмом упрочнения эвтектической структуры в металлах является композитное упрочнение (см. механизмы упрочнения материалов). Этот механизм деформации работает посредством передачи нагрузки между двумя составными фазами, где более податливая фаза передает напряжение более жесткой фазе. Используя преимущество прочности жесткой фазы и пластичности податливой фазы, общая прочность материала увеличивается. По мере изменения состава до доэвтектических или гиперэвтектических образований механизм передачи нагрузки становится более сложным, поскольку происходит передача нагрузки между эвтектической фазой и вторичной фазой, а также передача нагрузки внутри самой эвтектической фазы.

Второй настраиваемый механизм упрочнения эвтектических структур — это расстояние между вторичной фазой. Изменяя расстояние между вторичной фазой, также изменяется доля контакта между двумя фазами через общие границы фаз. Уменьшая расстояние между эвтектической фазой и создавая тонкую эвтектическую структуру, большая площадь поверхности распределяется между двумя составляющими фазами, что приводит к более эффективной передаче нагрузки. На микроуровне дополнительная граничная область действует как барьер для дислокаций, дополнительно упрочняющих материал. В результате этого механизма упрочнения грубые эвтектические структуры имеют тенденцию быть менее жесткими, но более пластичными, тогда как мелкие эвтектические структуры более жесткие, но более хрупкие. Расстояние между эвтектической фазой можно контролировать во время обработки, поскольку оно напрямую связано со скоростью охлаждения во время затвердевания эвтектической структуры. Например, для простой пластинчатой эвтектической структуры минимальное расстояние между ламелями составляет:

$\lambda ^{*}={\frac {2\gamma V_{m}T_{E}}{\Delta H*\Delta T_{0}}}$

Где это $\gamma$

Укрепление металлических эвтектических фаз для устойчивости к деформации при высоких температурах (см. Деформация ползучести) является более сложным, поскольку механизм первичной деформации меняется в зависимости от уровня приложенного напряжения. При высоких температурах, когда в деформации преобладает движение дислокаций, усиление от передачи нагрузки и вторичного межфазного расстояния сохраняется, поскольку они продолжают сопротивляться движению дислокаций. При более низких деформациях, когда преобладает ползучесть Набарро-Херринга, форма и размер структуры эвтектической фазы играют значительную роль в деформации материала, поскольку они влияют на доступную граничную область для возникновения диффузии вакансий.

Другие критические моменты

Эвтектоид

Когда раствор выше точки превращения является твердым, а не жидким, может произойти аналогичное эвтектоидное превращение. Например, в системе железо-углерод аустенитная фаза может подвергаться эвтектоидному превращению с образованием феррита и цементита, часто в пластинчатых структурах, таких как перлит и бейнит. Эта эвтектоидная точка возникает при 723 °C (1333 °F) и 0,76 мас.% углерода.

Перитектоид

Перитектоидное превращение — это тип изотермической обратимой реакции, в которой две твердые фазы реагируют друг с другом при охлаждении бинарного, тройного, …, n-арного сплава с образованием создать совершенно другую и единую твердую фазу. Реакция играет ключевую роль в упорядочении и распаде квазикристаллических фаз в нескольких типах сплавов. Аналогичный структурный переход предсказан и для вращающихся столбчатых кристаллов.

Перитектический

Перитектические превращения также аналогичны эвтектическим реакциям. Здесь жидкая и твердая фазы фиксированных пропорций реагируют при фиксированной температуре с образованием одной твердой фазы. Поскольку твердый продукт образуется на границе раздела двух реагентов, он может образовывать диффузионный барьер и обычно приводит к тому, что такие реакции протекают гораздо медленнее, чем эвтектические или эвтектоидные превращения. Из-за этого при затвердевании перитектического состава он не демонстрирует пластинчатой структуры, которая наблюдается при эвтектическом затвердевании.

Такое преобразование существует в системе железо-углерод, как видно в верхнем левом углу рисунка. Он напоминает перевернутую эвтектику, в которой δ-фаза объединяется с жидкостью с образованием чистого аустенита при 1495 °C (2723 °F) и 0,17 % углерода.

При температуре перитектического разложения соединение, вместо того чтобы плавиться, распадается на другое твердое соединение и жидкость. Пропорция каждого определяется правилом рычага. Например, на фазовой диаграмме Al-Au можно увидеть, что только две фазы плавятся конгруэнтно, AuAl2 и Au2Al, в то время как остальные перитектически разлагаются.

Эвтектический расчет

Состав и температуру эвтектики можно рассчитать по энтальпии и энтропии плавления каждого компонента.

Свободная энергия Гиббса G зависит от собственного дифференциала:

$G=H-TS\Rightarrow {\begin{cases}H=G+TS\\\left({\frac {\partial G}{\partial T}}\right)_{P}=-S\end{cases}}\Rightarrow H=G-T\left({\frac {\partial G}{\partial T}}\right)_{P}.$

Таким образом, производная G/T при постоянном давлении рассчитывается по следующему уравнению:

$\left({\frac {\partial G/T}{\partial T}}\right)_{P}={\frac {1}{T}}\left({\frac {\partial G}{\partial T}}\right)_{P}-{\frac {1}{T^{2}}}G=-{\frac {1}{T^{2}}}\left(G-T\left({\frac {\partial G}{\partial T}}\right)_{P}\right)=-{\frac {H}{T^{2}}}.$

Химический потенциал $\mu _{i}$

$\mu _{i}=\mu _{i}^{\circ }+RT\ln {\frac {a_{i}}{a}}\approx \mu _{i}^{\circ }+RT\ln x_{i}.$

В состоянии равновесия $\mu _{i}=0$ , таким образом, $\mu _{i}^{\circ }$

$\mu _{i}=\mu _{i}^{\circ }+RT\ln x_{i}=0\Rightarrow \mu _{i}^{\circ }=-RT\ln x_{i}.$

Используя [необходимо разъяснение] и интегрируя, получаем

$\left({\frac {\partial \mu _{i}/T}{\partial T}}\right)_{P}={\frac {\partial }{\partial T}}\left(R\ln x_{i}\right)\Rightarrow R\ln x_{i}=-{\frac {H_{i}^{\circ }}{T}}+K.$

Константа интегрирования K может быть определена для чистого компонента с температурой плавления $T^{\circ }$ и энтальпия плавления $H^{\circ }$ :

$x_{i}=1\Rightarrow T=T_{i}^{\circ }\Rightarrow K={\frac {H_{i}^{\circ }}{T_{i}^{\circ }}}.$

Получим соотношение, определяющее мольную долю в зависимости от температуры для каждого компонента:

$R\ln x_{i}=-{\frac {H_{i}^{\circ }}{T}}+{\frac {H_{i}^{\circ }}{T_{i}^{\circ }}}.$

Смесь n компонентов описывается системой

${\begin{cases}\ln x_{i}+{\frac {H_{i}^{\circ }}{RT}}-{\frac {H_{i}^{\circ }}{RT_{i}^{\circ }}}=0,\\\sum \limits _{i=1}^{n}x_{i}=1.\end{cases}}$

${\begin{cases}\forall i<n\Rightarrow \ln x_{i}+{\frac {H_{i}^{\circ }}{RT}}-{\frac {H_{i}^{\circ }}{RT_{i}^{\circ }}}=0,\\\ln \left(1-\sum \limits _{i=1}^{n-1}x_{i}\right)+{\frac {H_{n}^{\circ }}{RT}}-{\frac {H_{n}^{\circ }}{RT_{n}^{\circ }}}=0,\end{cases}}$

который можно решить с помощью

${\begin{array}{c}\left[{\begin{array}{*{20}c}{\Delta x_{1}}\\{\Delta x_{2}}\\{\Delta x_{3}}\\\vdots \\{\Delta x_{n-1}}\\{\Delta T}\\\end{array}}\right]=\left[{\begin{array}{*{20}c}{1/x_{1}}&0&0&0&0&{-{\frac {H_{1}^{\circ }}{RT^{2}}}}\\0&{1/x_{2}}&0&0&0&{-{\frac {H_{2}^{\circ }}{RT^{2}}}}\\0&0&{1/x_{3}}&0&0&{-{\frac {H_{3}^{\circ }}{RT^{2}}}}\\\vdots &\ddots &\ddots &\ddots &\ddots &{\vdots }\\0&0&0&0&{1/x_{n-1}}&{-{\frac {H_{n-1}^{\circ }}{RT^{2}}}}\\{\frac {-1}{1-\sum \limits _{i=1}^{n-1}{x_{i}}}}&{\frac {-1}{1-\sum \limits _{i=1}^{n-1}{x_{i}}}}&{\frac {-1}{1-\sum \limits _{i=1}^{n-1}{x_{i}}}}&{\frac {-1}{1-\sum \limits _{i=1}^{n-1}{x_{i}}}}&{\frac {-1}{1-\sum \limits _{i=1}^{n-1}{x_{i}}}}&{-{\frac {H_{n}^{\circ }}{RT^{2}}}}\\\end{array}}\right]^{-1}.\left[{\begin{array}{*{20}c}{\ln x_{1}+{\frac {H_{1}^{\circ }}{RT}}-{\frac {H_{1}^{\circ }}{RT_{1}^{\circ }}}}\\{\ln x_{2}+{\frac {H_{2}^{\circ }}{RT}}-{\frac {H_{2}^{\circ }}{RT_{2}^{\circ }}}}\\{\ln x_{3}+{\frac {H_{3}^{\circ }}{RT}}-{\frac {H_{3}^{\circ }}{RT_{3}^{\circ }}}}\\\vdots \\{\ln x_{n-1}+{\frac {H_{n-1}^{\circ }}{RT}}-{\frac {H_{n-1}^{\circ }}{RT_{n-1}^{\circ }}}}\\{\ln \left({1-\sum \limits _{i=1}^{n-1}{x_{i}}}\right)+{\frac {H_{n}^{\circ }}{RT}}-{\frac {H_{n}^{\circ }}{RT_{n}^{\circ }}}}\\\end{array}}\right]\end{array}}$