กลับไปหน้าบทความ

อ่าน 11 นาที

ไม่มีชื่อบทความ

ระบบ ยูเทคติก หรือ ส่วนผสมยูเทคติก ( / j uː ˈ t ɛ k t ɪ k / yoo- TEK -tik ) [ 1 ] เป็น ส่วนผสมที่เป็นเนื้อเดียวกัน ชนิดหนึ่งที่มี จุดหลอมเหลว ต่ำกว่าจุดหลอมเหลวของส่วนประกอบ [ 2 ].

ระบบยูเทคติก

แผนภาพเฟสสำหรับสารผสมทางเคมีสององค์ประกอบสมมติ (โดยที่ส่วนประกอบทั้งสองแทนด้วยAและB ) ใช้เพื่อแสดงองค์ประกอบ อุณหภูมิ และจุดยูเทคติก ( Lแทนสถานะของเหลว)

ระบบยูเทคติกหรือส่วนผสมยูเทคติก ( / j ˈ t ɛ k t ɪ k / yoo- TEK -tik ) [ 1 ] เป็น ส่วนผสมที่เป็นเนื้อเดียวกันชนิดหนึ่งที่มีจุดหลอมเหลวต่ำกว่าจุดหลอมเหลวของส่วนประกอบ[ 2 ]จุดหลอมเหลวที่ต่ำที่สุดที่เป็นไปได้สำหรับอัตราส่วนการผสม ทั้งหมด ของส่วนประกอบเรียกว่าอุณหภูมิยูเทคติกบนแผนภาพเฟสอุณหภูมิยูเทคติกจะปรากฏเป็นจุดยูเทคติก (ดูแผนภาพ) [ 3 ]

ส่วนผสมที่ไม่เป็นยูเทคติกจะมีอุณหภูมิหลอมเหลวที่แตกต่างกันสำหรับส่วนประกอบแต่ละชนิด เนื่องจากโครงสร้างผลึก ของส่วนประกอบหนึ่ง จะหลอมเหลวที่อุณหภูมิต่ำกว่าส่วนประกอบอื่น ในทางกลับกัน เมื่อส่วนผสมที่ไม่เป็นยูเทคติกเย็นลง ส่วนประกอบแต่ละชนิดจะแข็งตัวเป็นโครงสร้างผลึกที่อุณหภูมิแตกต่างกัน จนกระทั่งมวลทั้งหมดกลายเป็นของแข็ง ดังนั้น ส่วนผสมที่ไม่เป็นยูเทคติกจึงไม่มีอุณหภูมิหลอมเหลว/แข็งตัวเพียงจุดเดียวที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนสถานะ แต่จะมีอุณหภูมิที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนสถานะระหว่างของเหลวและน้ำแข็ง (เรียกว่าลิควิดัส ) และอุณหภูมิที่ต่ำกว่าที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนสถานะระหว่างน้ำแข็งและของแข็ง (โซลิดัส )

ในโลกแห่งความเป็นจริง คุณสมบัติยูเทคติกสามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้ในกระบวนการต่างๆ เช่นการเชื่อมแบบยูเทคติกซึ่ง เป็นการเชื่อม ชิปซิลิคอนเข้ากับพื้นผิวเคลือบทองด้วยคลื่นอัลตราซาวนด์ และโลหะผสมยูเทคติกก็พิสูจน์แล้วว่ามีคุณค่าในงานประยุกต์ที่หลากหลาย เช่น การบัดกรี การเชื่อมประสาน การหล่อโลหะ การป้องกันทางไฟฟ้า ระบบดับเพลิง และสารทดแทนปรอทที่ไม่เป็นพิษ

คำว่ายูเทคติกถูกบัญญัติขึ้นในปี ค.ศ. 1884 โดยนักฟิสิกส์และนักเคมีชาวอังกฤษเฟรเดอริก กัทรี (ค.ศ. 1833–1886) คำนี้มีที่มาจากภาษากรีกεὐ - (eû) ' ดี' และτῆξῐς (têxis) ' การหลอมเหลว' [ 2 ]ก่อนการศึกษาของเขา นักเคมีสันนิษฐานว่า "โลหะผสมที่มีจุดหลอมเหลวต่ำสุดจะต้องมีส่วนประกอบในสัดส่วนอะตอมที่เรียบง่าย" แต่เขาได้แสดงให้เห็นว่านั่นไม่เป็นจริงเสมอไป[ 4 ]  

การเปลี่ยนเฟสยูเทคติก

โครงสร้างยูเทคติกสี่แบบ: A) แบบแผ่น B) แบบแท่ง C) แบบทรงกลม D) แบบเข็ม

การแข็งตัวแบบยูเทคติกถูกกำหนดไว้ดังนี้: [ 5 ]

ของเหลวการระบายความร้อนยูเทคติกอุณหภูมิα สารละลายของแข็ง + เบต้า สารละลายของแข็ง{\displaystyle {\text{ของเหลว}}\quad {\xrightarrow[{\text{การทำความเย็น}}]{{\text{ยูเทคติก}} \atop {\text{อุณหภูมิ}}}}\quad \alpha {\text{สารละลายของแข็ง}}\ +\ \beta {\text{สารละลายของแข็ง}}}

ปฏิกิริยาประเภทนี้เป็นปฏิกิริยาคงที่ เนื่องจากอยู่ในสมดุลทางความร้อนอีกวิธีหนึ่งที่จะนิยามสิ่งนี้คือการเปลี่ยนแปลงพลังงานอิสระของกิบส์เท่ากับศูนย์ ในทางปฏิบัติ หมายความว่าของเหลวและสารละลายของแข็ง สองชนิด อยู่ร่วมกันในเวลาเดียวกันและอยู่ในสมดุลทางเคมีนอกจากนี้ยังมีการหยุดนิ่งทางความร้อนในช่วงเวลาของการเปลี่ยนแปลงเฟสซึ่งอุณหภูมิของระบบจะไม่เปลี่ยนแปลง[ 5 ]

โครงสร้างมหภาคของแข็งที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยายูเทคติกขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ โดยปัจจัยที่สำคัญที่สุดคือวิธีการที่สารละลายของแข็งทั้งสองก่อตัวและเติบโต โครงสร้างที่พบได้บ่อยที่สุดคือโครงสร้างแบบแผ่นแต่โครงสร้างอื่นๆ ที่เป็นไปได้ ได้แก่ แบบแท่ง แบบทรงกลม และแบบเข็ม[ 6 ]นอกจากนี้ ยังพบโครงสร้างจุลภาคแบบหนอนในโลหะผสมเอนโทรปีสูง[ 7 ]

ส่วนประกอบที่ไม่เกิดยูเทคติก

ส่วนประกอบของระบบยูเทคติกที่ไม่อยู่ที่จุดยูเทคติก สามารถจำแนกได้เป็นแบบไฮโปยูเทคติกหรือไฮเปอร์ยูเทคติก :

  • องค์ประกอบ ไฮโปยูเทคติกคือองค์ประกอบที่มีสัดส่วนของชนิด α มากกว่า และมีสัดส่วนของชนิด β น้อยกว่าองค์ประกอบยูเทคติก (E)
  • องค์ประกอบ ไฮเปอร์ยูเทคติกมีลักษณะเฉพาะคือมีสัดส่วนของชนิด β สูงกว่าและมีสัดส่วนของชนิด α ต่ำกว่าองค์ประกอบยูเทคติก

เมื่ออุณหภูมิขององค์ประกอบที่ไม่ใช่ยูเทคติกลดลง ส่วนผสมของเหลวจะตกตะกอนส่วนประกอบหนึ่งของส่วนผสมก่อนส่วนประกอบอื่น ในสารละลายไฮเปอร์ยูเทคติก จะมี เฟส โปรยูเทคตอยด์ของสปีชีส์ β ในขณะที่สารละลายไฮโปยูเทคติกจะมี เฟส โปรยูเทคติก α [ 5 ]

ประเภท

โลหะผสม

โลหะผสมยูเทคติกประกอบด้วยวัสดุสองชนิดขึ้นไปและมีองค์ประกอบแบบยูเทคติก เมื่อโลหะผสมที่ไม่ใช่ยูเทคติกแข็งตัว ส่วนประกอบต่างๆ จะแข็งตัวที่อุณหภูมิต่างกัน ทำให้เกิดช่วงการหลอมเหลวแบบพลาสติก ในทางกลับกัน เมื่อโลหะผสมยูเทคติกที่ผสมกันอย่างดีหลอมเหลว มันจะหลอมเหลวที่อุณหภูมิเดียวและคงที่ การเปลี่ยนแปลงเฟสต่างๆ ที่เกิดขึ้นระหว่างการแข็งตัวของโลหะผสมชนิดหนึ่งๆ สามารถทำความเข้าใจได้โดยการลากเส้นแนวตั้งจากเฟสของเหลวไปยังเฟสของแข็งบนแผนภาพเฟสของโลหะผสมนั้น

การใช้งานโลหะผสมยูเทคติกบางประการ ได้แก่:

คนอื่น

การเปลี่ยนสถานะจากของแข็งเป็นของเหลวของสารละลายเอทานอล-น้ำ

กลไกการเสริมสร้างความแข็งแกร่ง

โลหะผสม

กลไกการเสริมความแข็งแรงหลักของโครงสร้างยูเทคติกในโลหะคือ การเสริมความแข็งแรง แบบคอมโพสิต (ดูกลไกการเสริมความแข็งแรงของวัสดุ ) กลไกการเสียรูปนี้ทำงานผ่านการถ่ายโอนภาระระหว่างเฟสองค์ประกอบทั้งสอง โดยเฟสที่อ่อนตัวกว่าจะถ่ายโอนความเค้นไปยังเฟสที่แข็งกว่า[ 17 ]ด้วยการใช้ประโยชน์จากความแข็งแรงของเฟสที่แข็งและคุณสมบัติการเหนียวของเฟสที่อ่อนตัว ความเหนียวโดยรวมของวัสดุจึงเพิ่มขึ้น เมื่อองค์ประกอบเปลี่ยนแปลงไปเป็นโครงสร้างไฮโปยูเทคติกหรือไฮเปอร์ยูเทคติก กลไกการถ่ายโอนภาระจะซับซ้อนมากขึ้น เนื่องจากมีการถ่ายโอนภาระระหว่างเฟสยูเทคติกและเฟสรอง รวมถึงการถ่ายโอนภาระภายในเฟสยูเทคติกเองด้วย

กลไกการเสริมความแข็งแรงที่ปรับได้ประการที่สองของโครงสร้างยูเทคติกคือระยะห่างของเฟสรอง การเปลี่ยนระยะห่างของเฟสรองจะทำให้สัดส่วนของการสัมผัสระหว่างสองเฟสผ่านขอบเขตเฟสที่ใช้ร่วมกันเปลี่ยนแปลงไปด้วย การลดระยะห่างของเฟสยูเทคติก ทำให้เกิดโครงสร้างยูเทคติกละเอียด พื้นที่ผิวที่ใช้ร่วมกันระหว่างสองเฟสองค์ประกอบมีมากขึ้น ส่งผลให้การถ่ายโอนภาระมีประสิทธิภาพมากขึ้น[ 18 ]ในระดับจุลภาค พื้นที่ขอบเขตเพิ่มเติมทำหน้าที่เป็นกำแพงกั้นการเคลื่อนที่ทำให้วัสดุแข็งแรงขึ้นอีก ผลจากกลไกการเสริมความแข็งแรงนี้ โครงสร้างยูเทคติกหยาบจึงมีแนวโน้มที่จะแข็งน้อยกว่าแต่มีความยืดหยุ่นมากกว่า ในขณะที่โครงสร้างยูเทคติกละเอียดจะแข็งกว่าแต่เปราะกว่า[ 18 ]ระยะห่างของเฟสยูเทคติกสามารถควบคุมได้ในระหว่างการประมวลผล เนื่องจากมีความสัมพันธ์โดยตรงกับอัตราการเย็นตัวในระหว่างการแข็งตัวของโครงสร้างยูเทคติก ตัวอย่างเช่น สำหรับโครงสร้างยูเทคติกแบบแผ่นบางอย่างง่าย ระยะห่างของแผ่นบางขั้นต่ำคือ: [ 19 ]

λ*=2γวีทีอีΔชม*Δที0{\displaystyle \lambda ^{*}={\frac {2\gamma V_{m}T_{E}}{\Delta H*\Delta T_{0}}}}

อยู่ที่ไหนγ{\displaystyle \gamma }คือพลังงานพื้นผิวของขอบเขตสองเฟสวี{\displaystyle V_{m}} คือปริมาตรโมลของเฟสยูเทคติกทีอี{\displaystyle T_{E}}  คืออุณหภูมิการแข็งตัวของเฟสยูเทคติกΔชม{\displaystyle \Delta H} คือเอนทาลปีของการก่อตัวของเฟสยูเทคติก และΔที0{\displaystyle \Delta T_{0}} คือค่าการเย็นตัวต่ำกว่าจุดเยือกแข็งของวัสดุ ดังนั้น การปรับเปลี่ยนค่าการเย็นตัวต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง และโดยนัยเดียวกันคืออัตราการเย็นตัว จะสามารถควบคุมระยะห่างขั้นต่ำที่สามารถทำได้ของเฟสรองได้

การเสริมความแข็งแกร่งของเฟสยูเทคติกโลหะเพื่อต้านทานการเสียรูปที่อุณหภูมิสูง (ดูการเสียรูปจากการคืบ ) นั้นซับซ้อนมากขึ้น เนื่องจากกลไกการเสียรูปหลักจะเปลี่ยนแปลงไปตามระดับของความเค้นที่ใช้ ที่อุณหภูมิสูงซึ่งการเสียรูปส่วนใหญ่เกิดจากการเคลื่อนที่ของดิสโลเคชัน การเสริมความแข็งแกร่งจากการถ่ายโอนภาระและระยะห่างของเฟสรองยังคงอยู่ เนื่องจากยังคงต้านทานการเคลื่อนที่ของดิสโลเคชัน ที่ความเครียดต่ำกว่าซึ่งการคืบแบบ Nabarro-Herring เป็นหลัก รูปร่างและขนาดของโครงสร้างเฟสยูเทคติกมีบทบาทสำคัญในการเสียรูปของวัสดุ เนื่องจากส่งผลต่อพื้นที่ขอบเขตที่มีอยู่สำหรับการแพร่กระจายของช่องว่าง[ 20 ]

ประเด็นสำคัญอื่นๆ

แผนภาพเฟสเหล็ก-คาร์บอน แสดงการเปลี่ยนแปลงยูเทคทอยด์ระหว่างออสเทนไนต์ (γ) และเพิร์ลไลต์

ยูเทคทอยด์

เมื่อสารละลายเหนือจุดเปลี่ยนผ่านเป็นของแข็ง แทนที่จะเป็นของเหลว การเปลี่ยนผ่านแบบยูเทคทอยด์ที่คล้ายคลึงกันสามารถเกิดขึ้นได้ ตัวอย่างเช่น ในระบบเหล็ก-คาร์บอน เฟส ออสเทนไนต์สามารถเกิดการเปลี่ยนผ่านแบบยูเทคทอยด์เพื่อสร้างเฟอร์ไรต์และซีเมนต์ไทต์ซึ่งมักอยู่ในโครงสร้างแบบแผ่นบาง เช่นเพิร์ล ไลต์ และเบนไนต์จุดยูเทคทอยด์นี้เกิดขึ้นที่723 °C (1,333 °F)และคาร์บอน 0.76 wt% [ 21 ]  

เพอริเทคทอยด์

การ เปลี่ยนแปลง เพอริเทคทอยด์ เป็น ปฏิกิริยาย้อนกลับ แบบ ไอโซเทอร์ มอล ชนิดหนึ่งที่มีเฟสของแข็งสองเฟสทำปฏิกิริยากันเมื่อโลหะ ผสมไบนารี เทอร์นารี ..., n -ary เย็นตัวลง เพื่อสร้างเฟสของแข็งเดี่ยวที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิง[ 22 ] ปฏิกิริยานี้มีบทบาทสำคัญในการเรียงลำดับและการสลายตัวของ เฟส กึ่งผลึกในโลหะผสมหลายประเภท[ 23 ] การเปลี่ยนโครงสร้างที่คล้ายกันนี้ยังคาดการณ์ไว้สำหรับ ผลึกคอลัมน์หมุนได้อีกด้วย

เพอริเทคติก

แผนภาพเฟสทองคำ-อะลูมิเนียม

การเปลี่ยนแปลงแบบเพอริเทคติกก็คล้ายคลึงกับปฏิกิริยาแบบยูเทคติกเช่นกัน ในกรณีนี้ เฟสของเหลวและของแข็งในสัดส่วนคงที่ทำปฏิกิริยากันที่อุณหภูมิคงที่เพื่อให้ได้เฟสของแข็งเพียงเฟสเดียว เนื่องจากผลิตภัณฑ์ของแข็งเกิดขึ้นที่ส่วนต่อประสานระหว่างสารตั้งต้นทั้งสอง จึงอาจก่อให้เกิดกำแพงกั้นการแพร่ และโดยทั่วไปจะทำให้ปฏิกิริยาดังกล่าวเกิดขึ้นช้ากว่าการเปลี่ยนแปลงแบบยูเทคติกหรือยูเทคทอยด์มาก ด้วยเหตุนี้ เมื่อสารประกอบเพอริเทคติกแข็งตัว จึงไม่แสดงโครงสร้างแบบแผ่นบางๆเหมือนกับที่พบในการแข็งตัวแบบยูเทคติก

การเปลี่ยนแปลงดังกล่าวเกิดขึ้นในระบบเหล็ก-คาร์บอน ดังที่เห็นได้ใกล้กับมุมบนซ้ายของภาพ มันคล้ายกับยูเทคติกแบบกลับด้าน โดยเฟส δ รวมตัวกับของเหลวเพื่อสร้างออสเทนไนต์ บริสุทธิ์ ที่อุณหภูมิ 1,495 °C (2,723 °F)และคาร์บอน 0.17%  

ที่อุณหภูมิการสลายตัวแบบเพอริเทคติก สารประกอบนั้นแทนที่จะหลอมเหลว จะสลายตัวเป็นสารประกอบของแข็งอีกชนิดหนึ่งและของเหลว สัดส่วนของแต่ละชนิดจะถูกกำหนดโดยกฎคันโยก ตัวอย่างเช่น ใน แผนภาพเฟส ของ Al-Au จะเห็นได้ว่า เพียงสองเฟสเท่านั้นที่หลอมเหลวอย่างสอดคล้องกัน คือAuAl₂ Au₂Alในขณะที่เฟสที่เหลือจะสลายตัวแบบเพอริเทคติก

"สารละลายของแข็งที่ไม่ดี"

ไม่ใช่ว่าระบบจุดหลอมเหลวต่ำสุดทั้งหมดจะเป็น "ยูเทคติก" ทางเลือกอื่นคือ "สารละลายของแข็งที่ไม่สมบูรณ์" สามารถแสดงให้เห็นได้โดยการเปรียบเทียบระบบโลหะมีค่าทั่วไปอย่าง Cu-Ag และ Cu-Au Cu-Ag (ดูแหล่งข้อมูลhttps://himikatus.ru/art/phase-diagr1/Ag-Cu.php ) เป็นระบบยูเทคติกที่แท้จริง จุดหลอมเหลวของยูเทคติกอยู่ที่ 780 °C โดยมีขีดจำกัดการละลายของของแข็งที่ความบริสุทธิ์ 80 และ 912 โดยน้ำหนัก และยูเทคติกที่ 719 เนื่องจาก Cu-Ag เป็นยูเทคติกที่แท้จริง เงินที่มีความบริสุทธิ์ระหว่าง 80 ถึง 912 จะถึงเส้นโซลิดัส และหลอมเหลวอย่างน้อยบางส่วนที่อุณหภูมิ 780 °C ส่วนโลหะผสมยูเทคติกที่มีความบริสุทธิ์ 719 จะถึงเส้นลิควิดัส และหลอมเหลวทั้งหมดที่อุณหภูมินั้นโดยไม่มีการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิอีกจนกว่าโลหะผสมทั้งหมดจะหลอมเหลว เงินที่มีความบริสุทธิ์ระหว่าง 80 ถึง 912 แต่ไม่เท่ากับ 719 จะถึงเส้นโซลิดัสที่อุณหภูมิ 780 °C พอดี แต่จะละลายเพียงบางส่วน จะเหลือของแข็งตกค้างที่มีความบริสุทธิ์ 912 หรือ 80 อย่างใดอย่างหนึ่ง แต่จะไม่ใช่ทั้งสองอย่างรวมกัน มันจะละลายที่อุณหภูมิคงที่โดยไม่เพิ่มขึ้นอีกจนกว่าปริมาณของโลหะผสมยูเทคติก (ความบริสุทธิ์ 719) จะละลายหมดไป ทำให้โลหะผสมแบ่งออกเป็นยูเทคติกที่หลอมเหลวและของแข็งตกค้าง เมื่อให้ความร้อนต่อไป ของแข็งตกค้างจะละลายในของเหลวและเปลี่ยนองค์ประกอบจนกว่าจะถึงเส้นลิควิดัสและของแข็งตกค้างทั้งหมดละลายหายไป ตัวอย่างเช่น แหล่งข้อมูล Cu-Au https://himikatus.ru/art/phase-diagr1/Au-Cu.phpแสดงจุดหลอมเหลวต่ำสุดที่ 910 °C และระบุว่ามี 44 อะตอม เปอร์เซ็นต์ Cu ซึ่งแปลงเป็น Cu ประมาณ 20 เปอร์เซ็นต์โดยน้ำหนัก หรือประมาณความบริสุทธิ์ของทองคำ 800 แต่ไม่ใช่จุดยูเทคติกที่แท้จริง ทองคำบริสุทธิ์ 800 จะหลอมเหลวที่ 910 °C กลายเป็นของเหลวที่มีองค์ประกอบเดียวกัน และโลหะผสมทั้งหมดจะหลอมเหลวที่อุณหภูมิเดียวกัน แต่ความแตกต่างจะเกิดขึ้นห่างจากองค์ประกอบขั้นต่ำ ต่างจากเงินที่มีความบริสุทธิ์อื่นที่ไม่ใช่ 719 (ซึ่งหลอมเหลวบางส่วนที่ 780 °C อย่างแม่นยำในช่วงความบริสุทธิ์ที่กว้าง) ทองคำที่มีความบริสุทธิ์อื่นที่ไม่ใช่ 800 จะถึงจุดโซลิดัสและเริ่มหลอมเหลวบางส่วนที่อุณหภูมิที่แตกต่างจากและสูงกว่า 910 °C ขึ้นอยู่กับความบริสุทธิ์ของโลหะผสม การหลอมเหลวบางส่วนทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบบางอย่าง - ของเหลวจะมีค่าความบริสุทธิ์ใกล้เคียงกับ 800 มากกว่าของแข็งที่เหลืออยู่ แต่ของเหลวจะไม่ได้มีความบริสุทธิ์ 800 อย่างแน่นอน และความบริสุทธิ์ของของแข็งที่เหลืออยู่จะขึ้นอยู่กับความบริสุทธิ์ของของเหลว เหตุผลหลักคือ สำหรับระบบยูเทคติกอย่างเช่น Cu-Ag นั้น ความสามารถในการละลายในเฟสของเหลวดี แต่ความสามารถในการละลายในเฟสของแข็งมีจำกัด ดังนั้นเมื่อโลหะผสมเงิน-ทองแดงถูกแช่แข็ง มันจะแยกตัวออกเป็นผลึกเงินบริสุทธิ์ 912 และเงินบริสุทธิ์ 80 ซึ่งทั้งสองชนิดอิ่มตัวและมีองค์ประกอบเดียวกันเสมอที่จุดเยือกแข็ง 780 °C ดังนั้นโลหะผสมที่อุณหภูมิต่ำกว่า 780 °C จะประกอบด้วยผลึกสองชนิดที่มีองค์ประกอบเหมือนกันทุกประการ โดยไม่คำนึงถึงองค์ประกอบโดยรวมของโลหะผสม มีเพียงปริมาณสัมพัทธ์ของผลึกแต่ละชนิดเท่านั้นที่แตกต่างกัน ดังนั้นพวกมันจึงหลอมเหลวที่ 780 °C เสมอจนกว่าผลึกชนิดใดชนิดหนึ่งหรือทั้งสองชนิดจะหมดไป ในทางตรงกันข้าม ในระบบ Cu-Au ส่วนประกอบต่างๆ สามารถผสมกันได้ที่จุดหลอมเหลวในทุกองค์ประกอบ แม้กระทั่งในสถานะของแข็ง อาจมีผลึกที่มีองค์ประกอบใดๆ ก็ได้ ซึ่งจะหลอมเหลวที่อุณหภูมิต่างกันขึ้นอยู่กับองค์ประกอบ อย่างไรก็ตาม ระบบ Cu-Au เป็นสารละลายของแข็งที่ "ไม่ดี" ในสถานะของแข็งนั้น มีความไม่ลงตัวอย่างมากระหว่างอะตอม ซึ่งอย่างไรก็ตาม ใกล้จุดหลอมเหลว ความไม่ลงตัวนี้จะถูกเอาชนะได้ด้วยเอนโทรปีของการเคลื่อนที่ทางความร้อนที่ผสมอะตอมเข้าด้วยกัน อย่างไรก็ตาม ความไม่ลงตัวนั้นทำให้สารละลาย Cu-Au ไม่เหมาะสมเมื่อเทียบกับสถานะที่อะตอมเข้ากันได้ดีกว่า เช่น ในสถานะหลอมเหลว และทำให้จุดหลอมเหลวลดลงต่ำกว่าจุดหลอมเหลวของส่วนประกอบต่างๆ

การคำนวณยูเทคติก

องค์ประกอบและอุณหภูมิของยูเทคติกสามารถคำนวณได้จากเอนทาลปีและเอนโทรปีของการหลอมเหลวของแต่ละองค์ประกอบ[ 24 ]

พลังงานอิสระของกิบบส์Gขึ้นอยู่กับค่าอนุพันธ์ของตัวมันเอง:

จี=ชมทีเอส{ชม=จี+ทีเอส(จีที)พี=เอสชม=จีที(จีที)พี.{\displaystyle G=H-TS\Rightarrow {\begin{cases}H=G+TS\\\left({\frac {\partial G}{\partial T}}\right)_{P}=-S\end{cases}}\Rightarrow H=GT\left({\frac {\partial G}{\partial T}}\right)_{P}.}

ดังนั้น อนุพันธ์ G / Tที่ความดันคงที่จึงคำนวณได้จากสมการต่อไปนี้:

(จี/ทีที)พี=1ที(จีที)พี1ที2จี=1ที2(จีที(จีที)พี)=ชมที2.{\displaystyle \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(GT\left({\frac {\partial G}{\partial T}}\right)_{P}\right)=-{\frac {H}{T^{2}}}.}

ศักยภาพทางเคมีμฉัน{\displaystyle \mu _{i}}คำนวณได้หากเราสมมติว่าค่ากิจกรรมเท่ากับความเข้มข้น:

μฉัน=μฉัน+อาร์ทีlnเอฉันเอμฉัน+อาร์ทีlnxฉัน.{\displaystyle \mu _{i}=\mu _{i}^{\circ }+RT\ln {\frac {a_{i}}{a}}\approx \mu _{i}^{\circ }+RT\ln x_{i}.}

ณ สภาวะสมดุลμฉัน=0{\displaystyle \mu _{i}=0}, ดังนั้นμฉัน{\displaystyle \mu _{i}^{\circ }}ได้รับเป็น

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

การใช้งานและการบูรณาการทำให้ได้ผลลัพธ์ดังนี้

(μฉัน/ทีที)พี=ที(อาร์lnxฉัน)อาร์lnxฉัน=ชมฉันที+เค.{\displaystyle \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.}

ค่าคงที่การอินทิเกรตKสามารถหาได้สำหรับส่วนประกอบบริสุทธิ์ที่มีอุณหภูมิหลอมเหลวที{\displaystyle T^{\circ }}และเอนทาลปีของการหลอมเหลวชม{\displaystyle H^{\circ }}:

xฉัน=1ที=ทีฉันเค=ชมฉันทีฉัน.{\displaystyle x_{i}=1\Rightarrow T=T_{i}^{\circ }\Rightarrow K={\frac {H_{i}^{\circ }}{T_{i}^{\circ }}}.}

เราได้ความสัมพันธ์ที่กำหนดสัดส่วนโมลเป็นฟังก์ชันของอุณหภูมิสำหรับแต่ละองค์ประกอบ:

อาร์lnxฉัน=ชมฉันที+ชมฉันทีฉัน.{\displaystyle R\ln x_{i}=-{\frac {H_{i}^{\circ }}{T}}+{\frac {H_{i}^{\circ }}{T_{i}^{\circ }}}.}

ส่วนผสมของ ส่วนประกอบ nชนิดนั้น อธิบายได้ด้วยระบบดังกล่าว

{lnxฉัน+ชมฉันอาร์ทีชมฉันอาร์ทีฉัน=0,ฉัน=1nxฉัน=1.{\displaystyle {\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}}}
{ฉัน<nlnxฉัน+ชมฉันอาร์ทีชมฉันอาร์ทีฉัน=0,ln(1ฉัน=1n1xฉัน)+ชมnอาร์ทีชมnอาร์ทีn=0,{\displaystyle {\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}}}

ซึ่งสามารถแก้ไขได้โดย

[Δx1Δx2Δx3Δxn1Δที] = [1/x10000ชม1อาร์ที201/x2000ชม2อาร์ที2001/x300ชม3อาร์ที200001/xn1ชมn1อาร์ที211ฉัน=1n1xฉัน11ฉัน=1n1xฉัน11ฉัน=1n1xฉัน11ฉัน=1n1xฉัน11ฉัน=1n1xฉันชมnอาร์ที2]1  [lnx1+ชม1อาร์ทีชม1อาร์ที1lnx2+ชม2อาร์ทีชม2อาร์ที2lnx3+ชม3อาร์ทีชม3อาร์ที3lnxn1+ชมn1อาร์ทีชมn1อาร์ทีn1ln(1ฉัน=1n1xฉัน)+ชมnอาร์ทีชมnอาร์ทีn]{\displaystyle {\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}\!\cdot \ \ \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}}}

ดูเพิ่มเติม

อ่านเพิ่มเติม

  • Askeland, Donald R.; Pradeep P. Phule (2005). วิทยาศาสตร์และวิศวกรรมของวัสดุ . Thomson-Engineering. ISBN 978-0-534-55396-8.
  • อีสเตอร์ลิง, เอ็ดเวิร์ด (1992). การเปลี่ยนแปลงเฟสในโลหะและโลหะผสม . CRC. ISBN 978-0-7487-5741-1.
  • มอร์ติเมอร์, โรเบิร์ต จี. (2000). เคมีเชิงกายภาพ . สำนักพิมพ์ Academic Press. ISBN 978-0-12-508345-4.
  • Reed-Hill, RE; Reza Abbaschian (1992). หลักการโลหะวิทยาเชิงกายภาพ . Thomson-Engineering. ISBN 978-0-534-92173-6.
  • Sadoway, Donald (2004). "สมดุลเฟสและแผนภาพเฟส" (PDF) . 3.091 บทนำสู่เคมีของของแข็ง ภาคเรียนฤดูใบไม้ร่วง 2004. MIT Open Courseware. เก็บถาวรจากต้นฉบับ(PDF)เมื่อ 2005-10-20 . สืบค้นเมื่อ2006-04-12 .

สรุปเนื้อหา

ข้อมูลสำคัญจากบทความ

ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ ไม่มีชื่อบทความ

ระบบ ยูเทคติก หรือ ส่วนผสมยูเทคติก ( / j uː ˈ t ɛ k t ɪ k / yoo- TEK -tik ) [ 1 ] เป็น ส่วนผสมที่เป็นเนื้อเดียวกัน ชนิดหนึ่งที่มี จุดหลอมเหลว ต่ำกว่าจุดหลอมเหลวของส่วนประกอบ [ 2 ].

การเปลี่ยนเฟสยูเทคติก

การแข็งตัวแบบยูเทคติกถูกกำหนดไว้ดังนี้: [ 5 ]

ส่วนประกอบที่ไม่เกิดยูเทคติก

ส่วนประกอบของระบบยูเทคติกที่ไม่อยู่ที่จุดยูเทคติก สามารถจำแนกได้เป็นแบบ ไฮโปยูเทคติก หรือ ไฮเปอร์ยูเทคติก :

โลหะผสม

โลหะ ผสมยูเทคติกประกอบด้วยวัสดุสองชนิดขึ้นไปและมีองค์ประกอบแบบยูเทคติก เมื่อโลหะผสมที่ไม่ใช่ยูเทคติกแข็งตัว ส่วนประกอบต่างๆ จะแข็งตัวที่อุณหภูมิต่างกัน ทำให้เกิดช่วงการหลอมเหลวแบบพลาสติก ในทางกลับกัน เมื่อโลหะผสมยูเทคติกที่ผสมกันอย่างดีหลอมเหลว...