Жидкие и твердые
то время как химически чистые материалы имеют одну точку плавления , смеси часто частично плавятся при температуре солидуса ( TS В или T sol ), а полностью плавятся при более высокой температуре ликвидуса ( TL химические или T liq ). Солидус всегда меньше или равен ликвидусу, но они не обязательно совпадают. Если между солидусом и ликвидусом существует зазор, его называют интервалом замерзания, и внутри этого зазора вещество состоит из смеси твердой и жидкой фаз (например, суспензия ) . Так обстоит дело, например, с системой оливина ( форстерита — фаялита ), распространенной в мантии Земли . [1]
Определения
[ редактировать ]
В химии , материаловедении и физике температура ликвидуса определяет температуру, выше которой материал становится полностью жидким. [2] и максимальная температура, при которой кристаллы могут сосуществовать с расплавом в термодинамическом равновесии . Солидус — это точка 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 минимальная температура, при которой расплав может сосуществовать с кристаллами, находящимися в термодинамическом равновесии .
Ликвидус и солидус в основном используются для нечистых веществ (смесей), таких как стекла , металлические сплавы , керамика , горные породы и минералы . На диаграммах состояния бинарных твердых растворов появляются линии ликвидуса и солидуса . [2] а также в эвтектических системах вдали от инвариантной точки. [3]
Когда различие не имеет значения
[ редактировать ]Для чистых элементов или соединений, например, чистой меди, чистой воды и т. д., ликвидус и солидус имеют одну и ту же температуру, и термин «точка плавления» можно использовать .
Существуют также 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 одинаковой температуре. [3]
Моделирование и измерения
[ редактировать ]Существует несколько моделей, используемых для прогнозирования кривых ликвидуса и солидуса для различных систем. [4] [5] [6] [7]
Детальные измерения солидуса и ликвидуса могут быть выполнены с использованием таких методов, как дифференциальная сканирующая калориметрия и дифференциальный термический анализ . [8] [9] [10] [11]
Эффекты
[ редактировать ]
Для нечистых веществ, например сплавов , меда , безалкогольных напитков , мороженого и т. д., температура плавления расширяется до интервала плавления. Если температура находится в интервале плавления, можно увидеть «суспензии» в равновесии, т.е. суспензия не будет ни полностью затвердевать, ни плавиться. Вот почему новый снег высокой чистоты на горных вершинах либо тает, либо остается твердым, а грязный снег на земле в городах имеет тенденцию становиться слякотным при определенных температурах. Ванны сварочного 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
[ редактировать ]Выше температуры ликвидуса материал является однородным и жидким в равновесии. По мере охлаждения системы ниже температуры ликвидуса в расплаве будет образовываться все больше и больше кристаллов , если ждать достаточно долгое время, в зависимости от материала. Альтернативно, гомогенные стекла можно получить за счет достаточно быстрого охлаждения, т. е. за счет кинетического торможения процесса кристаллизации .
Кристаллическая фаза, которая кристаллизуется первой при охлаждении вещества до температуры ликвидуса, называется первичной кристаллической фазой или первичной фазой . Диапазон составов, в пределах которого первичная фаза остается постоянной, известен как поле первичной кристаллической фазы .
Температура ликвидуса важна в стекольной промышленности, поскольку кристаллизация может вызвать серьезные проблемы в процессах плавления и формования стекла, а также может привести к выходу изделия из строя. [12]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Герцберг, Клод Т. (1983). «Температуры и минералогия солидуса и ликвидуса для безводного граната-лерцолита до 15 ГПа». Физика Земли и недр планет . 32 (2). Эльзевир Б.В.: 193–202. Бибкод : 1983PEPI...32..193H . дои : 10.1016/0031-9201(83)90139-5 . ISSN 0031-9201 .
- ^ Jump up to: а б с Аскеланд, Дональд Р.; Фулай, Прадип П. (23 апреля 2008 г.). Основы материаловедения и инженерии (2-е изд.). Торонто: Cengage Learning. п. 305. ИСБН 978-0-495-24446-2 .
- ^ Jump up to: а б Каллистер, Уильям Д.; Ретвиш, Дэвид Г. (2008). Основы материаловедения и инженерии: комплексный подход (3-е изд.). Джон Уайли и сыновья. стр. 356–358. ISBN 978-0-470-12537-3 .
- ^ 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 .
- ^ Гэлвин, COT; Граймс, RW; Берр, Пенсильвания (2021). «Метод молекулярной динамики для определения ликвидуса и солидуса на бинарной фазовой диаграмме». Вычислительное материаловедение . 186 . Elsevier BV: 110016. doi : 10.1016/j.commatsci.2020.110016 . hdl : 10044/1/82641 . ISSN 0927-0256 .
- ^ Деффренн, Уильям; Тераяма, я; Абэ, Тайчи; Огамино, Эцуко; Тамура, Рё (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 .
- ^ 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 .
- ^ Бернхард, Майкл; Пресоли, Питер; Бернхард, Кристиан; Хан, Сюзанна; Илие, Сергей (29 июня 2021 г.). «Оценка аналитических уравнений ликвидуса для сталей, легированных Fe-C-Si-Mn-Al-P, с использованием методов DSC / DTA» . Металлургические операции и операции с материалами B . 52 (5). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 2821–2830. Бибкод : 2021MMTB...52.2821B . дои : 10.1007/s11663-021-02251-1 . ISSN 1073-5615 .
- ^ Радомский Р.; Радомская, М. (1982). «Определение температур солидуса и ликвидуса с помощью дифференциального сканирующего калориметра Perkin-Elmer 1B». Журнал термического анализа . 24 (1). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 101–109. дои : 10.1007/bf01914805 . ISSN 0368-4466 . S2CID 96845070 .
- ^ Суби, ES; Нельсон, AT; Уайт, Джей Ти; Макинтайр, премьер-министр (2015). «Измерения поверхности ликвидуса и солидусных переходов фазовых диаграмм NaCl–UCl 3 и NaCl–UCl 3 –CeCl 3 » . Журнал ядерных материалов . 466 . Эльзевир Б.В.: 280–285. Бибкод : 2015JNuM..466..280S . дои : 10.1016/j.jnucmat.2015.07.050 . ISSN 0022-3115 .
- ^ Лю, Банда; Лю, Лин; Чжао, Синьбао; Ге, Бинмин; Чжан, Цзюнь; Фу, Хэнчжи (31 марта 2011 г.). «Влияние Re и Ru на характеристики затвердевания монокристаллических суперсплавов на основе никеля». Металлургические и сырьевые операции А . 42 (9). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 2733–2741. Бибкод : 2011MMTA...42.2733L . дои : 10.1007/s11661-011-0673-4 . ISSN 1073-5623 . S2CID 135753939 .
- ^ Валленбергер, Фредерик Т.; Смрчек, Антонин (20 мая 2010 г.). «Температура ликвидуса; ее решающая роль в производстве стекла». Международный журнал прикладной науки о стекле . 1 (2). Уайли: 151–163. дои : 10.1111/j.2041-1294.2010.00015.x . ISSN 2041-1286 .