stringtranslate.com

Ликвидус и солидус

В то время как химически чистые материалы имеют единую температуру плавления, химические смеси часто частично плавятся при температуре солидуса (TS или Tsol ) , и полностью плавятся при более высокой температуре ликвидуса ( TL или Tliq ) . Солидус всегда меньше или равен ликвидусу, но они не обязательно совпадают. Если между солидусом и ликвидусом существует зазор, он называется интервалом замерзания, и внутри этого зазора вещество состоит из смеси твердой и жидкой фаз (как суспензия ) . Так обстоит дело, например, с системой оливина ( форстерит - фаялит ), которая распространена в мантии Земли . [1]

Определения

Диаграмма состояния твердого раствора, состоящего из смесей α и β. Верхняя кривая — линия ликвидуса, нижняя кривая — линия солидуса.

В химии , материаловедении и физике температура ликвидуса определяет температуру, выше которой материал становится полностью жидким, [2] и максимальную температуру, при которой кристаллы могут сосуществовать с расплавом в термодинамическом равновесии . Солидус — это геометрическое место температур (кривая на фазовой диаграмме ), ниже которой данное вещество становится полностью твердым (кристаллизуется). Температура солидуса определяет температуру, ниже которой материал становится полностью твердым, [2] и минимальную температуру, при которой расплав может сосуществовать с кристаллами в термодинамическом равновесии .

Ликвидус и солидус в основном используются для нечистых веществ (смесей), таких как стекла , сплавы металлов , керамика , горные породы и минералы . Линии ликвидуса и солидуса появляются на фазовых диаграммах бинарных твердых растворов , [2] , а также в эвтектических системах вдали от инвариантной точки. [3]

Когда различие не имеет значения

Для чистых элементов или соединений, например, чистой меди, чистой воды и т. д., ликвидус и солидус находятся при одной и той же температуре, и можно использовать термин «температура плавления» .

Существуют также некоторые смеси, которые плавятся при определенной температуре, известной как конгруэнтное плавление . Одним из примеров является эвтектическая смесь . В эвтектической системе существует определенное соотношение смешивания, при котором температуры солидуса и ликвидуса совпадают в точке, известной как инвариантная точка. В инвариантной точке смесь подвергается эвтектической реакции, при которой оба твердых вещества плавятся при одной и той же температуре. [3]

Моделирование и измерение

Существует несколько моделей, используемых для прогнозирования кривых ликвидуса и солидуса для различных систем. [4] [5] [6] [7]

Подробные измерения солидуса и ликвидуса можно выполнить с помощью таких методов, как дифференциальная сканирующая калориметрия и дифференциальный термический анализ . [8] [9] [10] [11]

Эффекты

Температурная кривая ликвидуса в бинарной системе стекла SiO 2 -Li 2 O

Для нечистых веществ, например, сплавов , меда , безалкогольных напитков , мороженого и т. д., точка плавления расширяется до интервала плавления. Если температура находится в пределах интервала плавления, можно увидеть «суспензии» в равновесии, т. е. суспензия не будет полностью затвердевать или плавиться. Вот почему новый снег высокой чистоты на горных вершинах либо тает, либо остается твердым, в то время как грязный снег на земле в городах имеет тенденцию становиться скользким при определенных температурах. Сварочные ванны расплава, содержащие высокие уровни серы, либо из расплавленных примесей основного металла, либо из сварочного электрода, обычно имеют очень широкие интервалы плавления, что приводит к повышенному риску образования горячих трещин .

Поведение при охлаждении

Выше температуры ликвидуса материал однороден и жидок в равновесии. По мере охлаждения системы ниже температуры ликвидуса в расплаве будет образовываться все больше кристаллов , если подождать достаточно долго, в зависимости от материала. Альтернативно, однородные стекла могут быть получены путем достаточно быстрого охлаждения, т. е. путем кинетического ингибирования процесса кристаллизации .

Кристаллическая фаза, которая кристаллизуется первой при охлаждении вещества до температуры ликвидуса, называется первичной кристаллической фазой или первичной фазой . Диапазон состава, в пределах которого первичная фаза остается постоянной, называется полем первичной кристаллической фазы .

Температура ликвидуса важна в стекольной промышленности, поскольку кристаллизация может вызвать серьезные проблемы в процессе плавки и формования стекла, а также может привести к отказу продукта. [12]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Herzberg, Claude T. (1983). «Температуры солидуса и ликвидуса и минералогия безводного гранат-лерцолита до 15 ГПа». Physics of the Earth and Planetary Interiors . 32 (2). Elsevier BV: 193–202. Bibcode : 1983PEPI...32..193H. doi : 10.1016/0031-9201(83)90139-5. ISSN  0031-9201.
  2. ^ abc Аскеланд, Дональд Р.; Фулай, Прадип П. (2008-04-23). ​​Основы материаловедения и инженерии (2-е изд.). Торонто: Cengage Learning. стр. 305. ISBN 978-0-495-24446-2.
  3. ^ ab Каллистер, Уильям Д.; Ретвиш, Дэвид Г. (2008). Основы материаловедения и инженерии: комплексный подход (3-е изд.). John Wiley & Sons. стр. 356–358. ISBN 978-0-470-12537-3.
  4. ^ Сафарян, Джафар; Кольбейнсен, Лейв; Тангстад, Мерете (2 апреля 2011 г.). «Ликвидус кремниевых бинарных систем». Металлургические операции и операции с материалами B . 42 (4). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 852–874. Бибкод : 2011MMTB...42..852S. дои : 10.1007/s11663-011-9507-4 . ISSN  1073-5615.
  5. ^ Гэлвин, КОТ; Граймс, РВ; Берр, ПА (2021). «Метод молекулярной динамики для определения ликвидуса и солидуса на бинарной фазовой диаграмме». Computational Materials Science . 186. Elsevier BV: 110016. doi : 10.1016/j.commatsci.2020.110016. hdl : 10044/1/82641 . ISSN  0927-0256.
  6. ^ Деффренн, Гийом; Тераяма, Кей; Абэ, Тайчи; Огамино, Эцуко; Тамура, Ре (2023). «Система прогнозирования бинарного ликвидуса путем объединения машинного обучения и оценок CALPHAD». Материалы и дизайн . 232 . Elsevier BV: 112111. doi : 10.1016/j.matdes.2023.112111 . ISSN  0264-1275.
  7. ^ Миура, Акира; Хокимото, Цукаса; Нагао, Масанори; Янасэ, Такаши; Симада, Тошихиро; Таданага, Киёхару (31 августа 2017 г.). «Прогнозирование тройных температур ликвидуса путем статистического моделирования бинарных и тройных систем Ag – Al – Sn – Zn». АСУ Омега . 2 (8). Американское химическое общество (ACS): 5271–5282. дои : 10.1021/acsomega.7b00784 . ISSN  2470-1343. ПМК 6641866 . ПМИД  31457798. 
  8. ^ Бернхард, Майкл; Пресоли, Питер; Бернхард, Кристиан; Хан, Сюзанна; Илие, Серджиу (29.06.2021). «Оценка аналитических уравнений ликвидуса для сталей, легированных Fe-C-Si-Mn-Al-P, с использованием методов ДСК/ДТА». Metallurgical and Materials Transactions B. 52 ( 5). Springer Science and Business Media LLC: 2821–2830. Bibcode : 2021MMTB...52.2821B. doi : 10.1007/s11663-021-02251-1 . ISSN  1073-5615.
  9. ^ Радомский, Р.; Радомска, М. (1982). «Определение температур солидуса и ликвидуса с помощью дифференциального сканирующего калориметра Perkin-Elmer 1B». Журнал термического анализа . 24 (1). Springer Science and Business Media LLC: 101–109. doi :10.1007/bf01914805. ISSN  0368-4466. S2CID  96845070.
  10. ^ Sooby, ES; Nelson, AT; White, JT; McIntyre, PM (2015). «Измерения поверхности ликвидуса и переходов солидуса фазовых диаграмм NaCl–UCl3 и NaCl–UCl3–CeCl3». Journal of Nuclear Materials . 466 . Elsevier BV: 280–285. Bibcode :2015JNuM..466..280S. doi : 10.1016/j.jnucmat.2015.07.050 . ISSN  0022-3115.
  11. ^ Лю, Ган; Лю, Линь; Чжао, Синьбао; Гэ, Бинмин; Чжан, Цзюнь; Фу, Хэнчжи (2011-03-31). «Влияние Re и Ru на характеристики затвердевания монокристаллических суперсплавов на основе никеля». Metallurgical and Materials Transactions A. 42 ( 9). Springer Science and Business Media LLC: 2733–2741. Bibcode : 2011MMTA...42.2733L. doi : 10.1007/s11661-011-0673-4. ISSN  1073-5623. S2CID  135753939.
  12. ^ Валленбергер, Фредерик Т.; Смрчек, Антонин (2010-05-20). «Температура ликвидуса; ее критическая роль в производстве стекла». Международный журнал прикладной стекольной науки . 1 (2). Wiley: 151–163. doi :10.1111/j.2041-1294.2010.00015.x. ISSN  2041-1286.