Διμερές διάγραμμα φάσεων

Ένα διμερές διάγραμμα φάσεων είναι διάγραμμα φάσεων που δείχνει ποιες φάσεις δημιουργούνται σε συνθήκες θερμοδυναμικής ισορροπίας όταν δύο ουσίες (στοιχεία ή χημικές ενώσεις) βρεθούν μαζί σε συγκεκριμένες συνθήκες θερμοκρασίας και σε συγκεκριμένη αναλογία. Συνήθως στα διμερή διαγράμματα φάσεων, η πίεση αγνοείται και υπονοείται ότι είναι ίση με την ατμοσφαιρική (εκτός και αν προσδιορίζεται).

Στα διμερή διαγράμματα φάσεων, η αναλογία των δύο κυρίων συστατικών ουσιών παρουσιάζεται στον άξονα των x και η θερμοκρασία στον άξονα των y. Ο άξονας των x εκφράζεται συνήθως ως γραμμομοριακό κλάσμα (% mol) ή ως ποσοστό μάζας (% κ.β.).^[1]

Μετασχηματισμοί και χαρακτηριστικά σημεία

Το διάγραμμα φάσεων βισμουθίου–αντιμονίου με σκαριφήματα της μικροσκοπικής δομής ενός κράματος με 40% κ.β. Sb καθώς αυτό ψύχεται από τους 550 στους 200°C.

Τα διμερή διαγράμματα φάσεων διακρίνονται ως προς τον χαρακτήρα των διαλυμάτων που σχηματίζονται ανάμεσα στα δύο κύρια συστατικά. Το πιο απλό διάγραμμα φάσεων είναι εκείνο που παρουσιάζει δύο ουσίες που είναι πλήρως διαλυτές μεταξύ τους τόσο στην υγρή όσο και στην στερεά κατάσταση. Το διάγραμμα αυτό έχει δύο χαρακτηριστικές γραμμές: την γραμμή πλήρους τήξης,που αποκαλείται καμπύλη liquidus, και την γραμμή πλήρους στερεοποίησης, που αποκαλείται καμπύλη solidus. Επάνω από την καμπύλη liquidus το σύστημα είναι πλήρως υγρό, ενώ κάτω από την καμπύλη solidus το σύστημα είναι πλήρως στερεό. Μεταξύ των δύο γραμμών η υγρή και η στερεά φάση συνυπάρχουν σε αναλογία που προσδιορίζεται με τον κανόνα του μοχλού. Για παράδειγμα, στο διάγραμμα φάσεων Bi–Sb, σε θερμοκρασία 450°C και σύσταση Χ = 40% κ.β. Sb, υγρό διάλυμα Bi–Sb σύστασης Α (~22% Sb) συνυπάρχει με στερεό διάλυμα Bi–Sb σύστασης Β (~77% Sb) σε αναλογία: (υγρό διάλυμα) / (στερεό διάλυμα) = ΧΒ / ΑΧ.

Στις περιπτώσεις ουσιών που δεν είναι πλήρως διαλυτές μεταξύ τους, τότε στο διμερές διάγραμμα φάσεων παρουσιάζεται μία αναλογία των δύο κυρίων συστατικών με σημείο τήξεως χαμηλότερο από τα σημεία τήξεως και των δύο κυρίων συστατικών. Το σημείο αυτό αποκαλείται ευτηκτικό και αποτελεί χαρακτηριστικό σημείο του συστήματος. Σε θερμοκρασίες χαμηλότερες από την ευτηκτική, ένα τήγμα ευτηκτικής σύστασης L_E διασπάται σε δύο στερεές φάσεις S₁ και S₂:

L_E → S₁ + S₂

Όταν τα δύο κύρια συστατικά αντιδρούν μεταξύ τους για να δημιουργήσουν ένα άλλο σταθερό στερεό, τότε στο διάγραμμα φάσεων παρουσιάζονται γραμμές ή χώροι που προσδιορίζουν τις ενδιάμεσες σταθερές φάσεις. Σε κάθε σημείο ενδιάμεσης σταθερής φάσης, υπάρχει τουλάχιστον ένα σημείο ισόμοιας τήξης, δηλ. ένα σημείο όπου το τήγμα, καθώς ψύχεται, δίνει μία και μοναδική στερεά φάση της ίδιας ακριβώς σύστασης.

Το διάγραμμα φάσεων φορστερίτη–χαλαζία περιέχει ένα περιτηκτικό (Ρ) και ένα ευτηκτικό σημείο (Ε).

Επίσης σε διαγράμματα φάσεων με ενδιάμεσες σταθερές ενώσεις, μπορεί να υπάρχουν περισσότερα από ένα ευτηκτικά σημεία, καθώς και περιτηκτικά σημεία. Όταν ένα μείγμα περιτηκτικής σύστασης αποψύχεται, μία στερεή φάση (S₁) που στερεοποιείται πρώτη σε υψηλή θερμοκρασία αντιδρά με την παραμένουσα υγρή φάση (L_P) για να δημιουργηθεί μια νέα στερεά φάση (S₂) σε χαμηλότερη θερμοκρασία:

L_P + S₁ → S₂

Για παράδειγμα, ο χαλαζίας (SiO₂) και ο φορστερίτης (Mg₂SiO₄) σχηματίζουν την ενδιάμεση σταθερή φάση του ενσταντίτη (MgSiO₃). Στο διάγραμμα φάσεων Mg₂SiO₄ – SiO₂, ο ενσταντίτης εμφανίζεται ως μία κατακόρυφη γραμμή στο σημείο x = 34% κ.β. SiO₂. Μεταξύ του ενσταντίτη και του χαλαζία υπάρχει ένα περιτηκτικό σημείο στους 1560°C για περίπου 37% κ.β. χαλαζία, καθώς και ένα ευτηκτικό σημείο στους 1540°C για περίπου 46% κ.β. χαλαζία.^[2]

Ουσίες που δεν είναι πλήρως αναμείξιμες στην υγρή ή και στην στερεά κατάσταση εμφανίζουν χάσμα διαλυτότητας. Στο διάγραμμα φάσεων, το χάσμα διαλυτότητας παρουσιάζεται ως μία χαρακτηριστική κυρτή γραμμή που ονομάζεται καμπύλη solvus. Στο εσωτερικό της καμπύλης solvus συνυπάρχουν δύο υγρές φάσεις διαφορετικής σύνθεσης και σε αναλογία που μπορεί να προσδιοριστεί με τον κανόνα του μοχλού. Το ένα άκρο της καμπύλης solvus μπορεί να είναι μονοτηκτικό σημείο, σημείο δηλαδή όπου μία υγρή φάση L₁ μετασχηματίζεται σε ένα στερεό S και σε μια νέα υγρή φάση L₂:

L₁ → S + L₂

Παράδειγμα μονοτηκτικού σημείου υπάρχει στο διάγραμμα φάσεων Zn–Pb στους 418°C και για σύσταση περίπου 2,0% Pb, στο διάγραμμα Cu–Pb στους 955°C και για σύσταση 40% Pb, κ.ά.^[3]

Στην περίπτωση, δύο μη αναμείξιμων υγρών φάσεων, L₁ και L₂, που αντιδρούν για να δώσουν μία και μοναδική νέα στερεά φάση S, τότε γίνεται λόγος για συντηκτικό μετασχηματισμό ή συντηκτική αντίδραση:

L₁ + L₂ → S

Παράδειγμα συντηκτικού μετασχηματισμού υπάρχει στο διάγραμμα φάσεων K–Zn στους 590°C και για σύσταση 3–90% Zn.^[3]

Πιο σπάνιος είναι ο μετατηκτικός μετασχηματισμός (αλλιώς μετατηκτική αντίδραση). Σε ένα μετατηκτικό μετασχηματισμό, μία στερεά φάση S₁ δίνει μία άλλη στερεά φάση και περισσότερη υγρή φάση L (η οποία υπάρχει ήδη):

S₁ → S₂ + L

Παράδειγμα μετατηκτικού μετασχηματισμού υπάρχει στο διάγραμμα φάσεων Ag–Li στους 317°C και για σύσταση 5–9% Li.^[3]

Όταν οι μετασχηματισμοί δεν περιλαμβάνουν υγρές φάσεις, παρά μόνον στερεές, τότε οι μετασχηματισμοί έχουν καταλήξεις -ειδής αντί -ικός. Ένα ευτηκτοειδές σημείο μοιάζει με ευτηκτικό, μόνον που αντί για διάσπαση ενός υγρού σε δύο στερεά, ένα στερεό μετασχηματίζεται σε δύο νέες στερεές φάσεις. Παρομοίως σε ένα περιτηκτοειδές σημείο, μία στερεά φάση αντιδρά με μία άλλη στερεά φάση για να προκύψει μία νέα στερεά φάση.

Παραδείγματα

Το διάγραμμα φάσεων νερού–NaCl, με χαρακτηριστικό ευτηκτικό σημείο.
Διάγραμμα φάσεων Ag–Au.
Διάγραμμα φάσεων Bi–Sb.
Διάγραμμα φάσεων Pb–Sn, με χαρακτηριστικό ευτηκτικό σημείο. Στο διάγραμμα παρουσιάζεται και η μεταβολή της μικροσκοπικής δομής ενός υποευτηκτικού κράματος καθώς αυτό ψύχεται.
Διάγραμμα φάσεων Pb–Zn, με χαρακτηριστικό χάσμα διαλυτότητας.
Το ευσταθές διάγραμμα φάσεων Fe–C, με περιτηκτικό (0,53% C, 1493°C), ευτηκτικό και ευτηκτοειδές σημείο.
Το μετασταθές διάγραμμα φάσεων Fe–C ή «διάγραμμα Fe–Fe₃C», με περιτηκτικό (0,53% C, 1493°C), ευτηκτικό και ευτηκτοειδές σημείο.
Το διάγραμμα φάσεων Fe–P με ενδιάμεσες σταθερές φάσεις.

Βιβλιογραφία και άλλες σημειώσεις

Για περισσότερες βιβλιογραφικές παραπομπές και εξωτερικές συνδέσεις, βλ. λήμμα διάγραμμα φάσεων

↑ Στο παρόν λήμμα όταν η σύσταση αναφέρεται «%», εννοείται «% κ.β.», εκτός και αν δηλώνεται διαφορετικά.
↑ S. A. Nelson, "Petrology; Lecture notes.", Tulane University, New Orleans, USA, 2007.
↑ ^3,0 ^3,1 ^3,2 Γι' αυτό το διάγραμμα και για άλλα διαγράμματα φάσεων διμερών κραμάτων, βλ. (α) H. Baker et al., ASM Handbook, vol. 3, Alloy Phase Diagrams, ASM International, Materials Park, Ohio, USA, 1992· και (β) E. A. Brandes and G. B. Brook, Smithells Metal Reference Book, 7th edition, Butterworth–Heinmann, Oxford, 1998. Για διαγράμματα φάσεων μη μεταλλικών υλικών (οξειδίων, θειούχων, νιτριδίων, κ.λπ.), βλ. American Ceramics Society, Phase Diagrams for Ceramicists (CD-ROM) Αρχειοθετήθηκε 2007-10-14 στο Wayback Machine..

[1] Στο παρόν λήμμα όταν η σύσταση αναφέρεται «%», εννοείται «% κ.β.», εκτός και αν δηλώνεται διαφορετικά.

[2] S. A. Nelson, "Petrology; Lecture notes.", Tulane University, New Orleans, USA, 2007.

[examples-3] 3,0 ^3,1 ^3,2 Γι' αυτό το διάγραμμα και για άλλα διαγράμματα φάσεων διμερών κραμάτων, βλ. (α) H. Baker et al., ASM Handbook, vol. 3, Alloy Phase Diagrams, ASM International, Materials Park, Ohio, USA, 1992· και (β) E. A. Brandes and G. B. Brook, Smithells Metal Reference Book, 7th edition, Butterworth–Heinmann, Oxford, 1998. Για διαγράμματα φάσεων μη μεταλλικών υλικών (οξειδίων, θειούχων, νιτριδίων, κ.λπ.), βλ. American Ceramics Society, Phase Diagrams for Ceramicists (CD-ROM) Αρχειοθετήθηκε 2007-10-14 στο Wayback Machine..

[1]

[2]

[3]