Анализ диаграммы состояний двухкомпонентной системы SC-Ge

«Анализ диаграммы состояний двухкомпонентной системы Sс-Ge»

ОГЛАВЛЕНИЕ
1. Охарактеризовать взаимодействие исходных компонентов (характер растворимостей и смесей в жидком и твердом состояниях)
2. Определение числа фаз в системе
3. Проставление обозначения фазовых областей на диаграмме состояний
4. Указать количество однофазных, двухфазных и трехфазных областей. Охарактеризовать границы одной из них
5. Пояснить физико-химический смысл точек пересечения одной из изотерм с границами фазовых областей
6. Построить кривые охлаждения для составов I, II, III
7. Охарактеризовать состояние составов при температурах (точки а, б, с) и изобразить их структуры при комнатной температуре
8. Полиморфизм
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

При синтектическом трехфазном равновесии две жидкие фазы взаимодействуют с образованием твердого соединения. Такое равновесие аналогично перитектическому. В некоторых системах бинодаль имеет форму замкнутой кривой (овал), т. е. система имеет две температуры смешения верхнюю и нижнюю. Диаграмма равновесия жидкость-пар. При р = const каждому составу жидкой смеси отвечает определенная температура равновесия с паром и определенный состав пара, отличающийся, как правило, от состава жидкой смеси. На Д. с. (рис.7, а) кривые кипения и конденсации изображают зависимости температур начала кипения и конденсации от состава и отделяют поля жидкости L и пара V от поля (L + V) гетерогенных состояний жидкость-пар. На кривой кипения может быть экстремум: максимум (рис.7, б) или минимум (рис.7, в); в этих точках кривая кипения касается кривой конденсации, т. е. составы равновесных жидкости и пара совпадают. Жидкие смеси такого состава полностью выкипают, подобно чистым жидкостям, при постоянной температуре без изменения состава. Диаграммы состояния, описывающие равновесия двухкомпонентных твердых растворов с жидкими растворами и жидких растворов с паром, подобны.
Рис.7. Диаграммы состояния, двойной системы, описывающие равновесие жидкость - пар. L и V области существования жидкости и пара соответственно. (L + V) область сосуществования жидкой и паровой фаз; а система без азеотропной точки; б и в два типа азеотропных смесей
3. Диаграмма состояния Скандий – Германий (Sc - Ge)
Диаграмма состояния Скандий – Германий (Sc - Ge) приведена на рис.8. Предполагаемое равновесие достигается при температуре 1355 0 С. Сплавы готовили в дуговой печи в среде чистого Ar из Sc чистотой 99,0 % (по массе) и Ge чистотой 99,0 % (по массе). Гомогенизирующий отжиг сплавов проводили в вакуумированных кварцевых ампулах, заполненных He, или в печи в среде Ar. Для предотвращения контакта образцов со стенками кварцевой ампулы или керамического тигля использовали контейнеры из Mo или Ta.
Исследования выполняли методами микроструктурного, дифференциального термического и рентгенофазового анализов.
Рис.8. Диаграмма состояния Скандий – Германий (Sc - Ge)
На диаграмме состояния изображают фазовые области, отделенные одна от другой линиями диаграммы. В данном задании представлена диаграмма фазового равновесия двухкомпонентной системы Sc – Ge. По оси X отложены концентрации Sc (в массовых процентах) в составе сплава Sc –Ge. Из диаграммы следует, что сплавы, находящиеся выше графика, находятся в однофазном жидком состоянии. Эта линия представляет собой совокупность температур начала кристаллизации и называется линией ликвидуса.
Эвтектика представляет собой такую дисперсно-механическую смесь твердых фаз только при определенном составе ингредиентов и минимальной температуре плавления.
Исследования выполняли методами микроструктурного, дифференциального термического и рентгенофазового анализов.
В соответствии с диаграммой состояния в системе образуется 5 промежуточных соединений. Соединение Ge3Sc5 плавится конгруэнтно при 2065 0C. Перитектические реакции образования остальных соединений приведены ниже:
Ж + Ge3Sc5 = Ge4Sc5 при 1870 0C;
Ж + Ge4Sc5 = Ge10Sc11 при 1675 0C;
Ж + Ge10Sc11 = GeSc при 1192 0C;
Ж + GeSc = Ge2Sc при 1116 0C.
В системе имеют место две нонвариантные эвтектические реакции:
Ж + Ge3Sc5 при 1274 0C и 12 % (ат.) Ge;
Ж + Ge2Sc при 892 0C и 85 % (ат.) Ge.
При температуре 1355 0C протекает реакция, связанная с полиморфином Sc: Ж + .
Таблица 1
Кристаллическая структура соединений системы Sc – Ge
Взаимная растворимость при эвтектических температурах составляет менее 1 % (ат.) Sc в Ge и 1 – 2 % Ge в Sc. Область гомогенности соединения Ge3Sc5 составляет 1 % (ат.). В табл. 1 приведены сведения о кристаллической структуре соединений системы Sc – Ge.
Определение числа фаз в системе.
Система – мысленно выделенная из среды совокупность материальных процессов. Фаза – это гомогенная система, находящаяся в равновесии или совокупность гомогенных частей гетерогенной системы, находящейся в равновесии. Под равновесным состоянием системы понимают неизменное во времени состояние системы, причем неизменность состояния не поддерживается протеканием какого-либо внешнего по отношению к системе процесса.
Гетерогенной называется физико-химическая система, внутри которой есть поверхность (поверхности раздела), отделяющая одни части системы от других, на которой происходит скачкообразное изменение, по крайней мере одного из свойств системы.
Гомогенной называется физико-химическая система, внутри которой нет ни одной поверхности раздела, на которой происходило бы скачкообразное изменение хотя бы одного из свойств системы. Примером гомогенной системы являются – монокристалл, поликристалл.
Системы могут быть многофазные. Пример однофазной системы: кристалл кварца, двухфазной – кристалл кремния, содержащий включения SiO2.
Для определения числа фаз пользуются правилом Гиббса:
Ф + С = К + 2,
где Ф – число фаз, К – число компонентов, С – число степеней свободы.
Под числом степеней свободы понимают число параметров системы, которое можно изменить, не изменяя число фаз, находящихся в равновесии.
К = 2 (Sc - Ge), С = 1, исходя из этого число фаз в данной системе составляет Ф = 3.
Проставление обозначения фазовых областей на диаграмме состояний
Любая точка на диаграмме состояний может быть рассмотрена как фигуративная точка сплава, характеризующая его состояние. Проекция на ось Х указывает состав сплава, на ось Т – температуру, при которой он рассматривается. Положение фигуративной точки указывает также на фазовый состав сплава при данной температуре. Если фигуративная точка находится в однофазной области, то состав фазы совпадает с составом сплава. Если в двухфазной области – состав фаз, находящихся в равновесии при данной температуре, определяется с помощью коноды, проходящей через эту точку. Конодой называется отрезок прямой, проведенной при постоянной температуре и заключенной в пределах двухфазной области.
Конода пересекает границы этой области в точках, лежащих на сопряженных линиях и являющихся фигуративными точками фаз, находящихся в равновесии при данной температуре, то есть конода соединяет точки, характеризующие составы фаз, находящихся в равновесии.
Построение кривых охлаждения для составов I, II, III
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Кауфман Л., Бернстейн Г. Расчет диаграмм состояния с помощью ЭВМ, пер. с англ., М., 1972.
Аносов В. Я., Озерова М. И., Фиалков Ю. Я. Основы физико-химического анализа, М., 1976.
Захаров А. М. Диаграммы состояний двойных и тройных систем, 2 изд., М., 1978.
Новосёлова А. В. Методы исследования гетерогенных равновесий, М., 1980.
Глазов В. М., Лазарев В. Б., Жаров В. В. Фазовые диаграммы простых веществ, М., 1980.
Зломанов В. П. р-Т-х диаграммы двухкомпонентных систем, М., 1980.
Петров Д. А. Двойные и тройные системы, М.. 1986.
22
K
L
M
N
III
II
I