Фазовые диаграммы многокомпонентных систем

Фазовые диаграммы многокомпонентных систем
Программу составил д.ф.-м.н. В.Е.Антонов
Цель курса: Обучить постановке и проведению исследований
воздействия высокого всестороннего давления на фазовое состояние,
структуру и свойства вещества.
Практические навыки, приобретаемые студентами.
1. Планировать и проводить экспериментальные исследования
поведения различных веществ в широкой области температур и
давлений с целью решения фундаментальных научных проблем и
разработки новых технологий получения материалов с
регулируемыми эксплуатационными свойствами.
2. Освоить различные методы создания высоких давлений в
сочетании с высокими и низкими температурами, установки для
работы с гидростатическими камерами высокого давления, с
квазигидростатическими давлениями (типа тороид и алмазные
наковальни)
3. Освоить различные методики исследования под давлением in situ
(ДТА, резистометрия, магнитометрия и т.д.)
4. Выполнить расчёты влияния давления на фазовые равновесия,
используя различные термодинамические модели.
5. Использовать современную вычислительную технику для
обработки экспериментальных данных и проведения
термодинамических расчётов.
ПРОГРАММА КУРСА
ТЕМА 1 Основные понятия, используемые при изучении фазовых
равновесий.
Фазы, независимые компоненты, стабильные и метастабильные
равновесия. Правило фаз Гиббса. Изотермические и изобарические
сечения.
ТЕМА 2 Диаграммы однокомпонентных систем.
Ограничения на взаимное расположение линий стабильного равновесия
вблизи тройной точки, вытекающие из возможности метастабильных
равновесий. Температуры плавления стабильных и метастабильных фаз.
Формула Клапейрона-Клаузиуса. Уравнение Вант-Гоффа для переходов
газ – твердое тело.
ТЕМА 3 Диаграммы двухкомпонентных систем.
Условия равновесия двух фаз, метод общей касательной. Правило
рычага. Твердые растворы. Энтальпия (ΔHсм) и энтропия смешения.
Анализ возможных типов диаграмм состояния исходя из взаимного
расположения кривых свободной энергии фаз. Пути конденсации и
кристаллизации.
Системы с неограниченной растворимостью компонентов (Hсм < 0).
Диаграммы типа сигары, кривые плавления с максимумом и минимумом,
точки равной концентрации. Расслоение растворов (Hсм < 0). Связь
критической температуры расслоения с энергией смешения.
Пересечение линии испарения с линией критических точек,
ретроградная конденсация. Пересечение кривых плавления с куполом
расслоения твердых растворов, псевдоэвтектические и
псевдоперитектические равновесия.
Основные типы диаграмм систем с различной кристаллической
структурой компонентов, промежуточными соединениями и
полиморфными модификациями: эвтектические, перитектические,
монотектические, синтектические, метатектические, диаграммы с
ретроградным плавлением.
Системы с псевдокомпонентами (внутренними параметрами). Фазовые
превращения в системах металл-газ. Изоморфные превращения в
системах с переменной валентностью. Превращения между аморфными
фазами. Пседокритические точки на линиях метастабильного
равновесия, обусловленные потерей устойчивости одной из фаз.
ТЕМА 4 Диаграммы трехкомпонентных систем.
Правила рычага для концентрационного треугольника Гиббса (I и II
правило Свенсона, правила касательной и секущей).
Системы без твердых растворов. Теорема Алкемаде. Проекции диаграмм.
Свойства треугольников Алкемаде. Основные типы диаграмм состояния,
пути кристаллизации, изотермические сечения: система с одной тройной
эвтекикой, с одной тройной перитекикой, с двойной и тройной
перитекикой, с рекуррентной кристаллизацией, с двойным соединением,
имеющим только тройное поле кристаллизации.
Системы с твердыми растворами. Теорема Райнза. Построение конод.
Правило креста. Ограничения на взаимное расположение границ
фазовых областей вблизи точки пересечения на изотермических и
политермических разрезах. Простейшие типы диаграмм состояния:
система с непрерывными жидкими и твердыми растворами, с
бинодальной поверхностью, с моновариантным эвтектическим
равновесием, с моновариантным перитектическим равновесием, с
инвариантным эвтектическим равновесием.
ТЕМА 5 Диаграммы четырехкомпонентных систем.
Особые сечения и проекции концентрационного тетраэдра.
Изотермические тетраэдры. Коноды, конодные треугольники и
тетраэдры. Правила рычага. Теорема Райнза и изображение равновесий
различного числа фаз. Пример системы с неограниченной
растворимостью компонентов в жидком и твердом состоянии –
изотермические сечения и пути кристаллизации.
Лабораторные работы
1. Калибровка камер высокого давления по фазовым переходам в
реперных веществах.
2. Синтез и термобарическая закалка фаз высокого давления.
3. Калориметрическое и дилатометрическое исследование
превращений закалённых метастабильных фаз в сиабильное
состояние.
Семинарные занятия
1.Термодинамическая двухуровневая модель веществ с изоморфными
переходами и фазовыми T-P-диаграммами с кривой фазового перехода I
рода, оканчивающейся в критической точке.
2.Анализ физической природы твёрдофазной аморфизации веществ при
термобарических обработках . Роль стабильных и метастабильных
фазовых равновесий.
Практические занятия
1.Расчёт кривой равновесия графит-алмаз
2.Расчёт фазовой T-P-диаграммы с изоморфным фазовым равновесием
на базе двухуровневой модели.
3.Расчёт аномального изменения объёма и энтропия вещества с
изоморфным превращением в T-P-области (на примере церия)
4.Расчёт аномалий теплоёмкости, сжимаемости и теплового расширения
(на примере церия)
5.Оценка устойчивости химсоединений к деструкции при воздействии
давления.Расчёт давления распада бинарных соединений на
компоненты.
6.Оценка эволюции фазовой T-C-диаграммы бинарных систем при
воздействии высоких давлений с использованием имеющихся
экспериментальных данных
7.Термодинамический расчёт T-P-C диаграмм бинарных систем.
8.Оценка влияния водорода, вводимого под давлением в переходные
металлы группы железа и их сплавы на магнитные свойства.
9.Периодическая система Менделеева и принципы гомологии. Анализ
основных закономерностей эволюции T-C-фазовых диаграмм под
действием давления.
Домашние задания
1.Расчёт T-P-фазовой диаграммы сплавов Fe-Mn
Основная литература
1. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. Часть 1 (Том V).
М., Наука, Физматлит, 1995, 608 с.
2. Захаров А.М. Диаграммы состояния тройных систем.
3. Захаров А.М. Диаграммы состояния четверных систем. М.,
Металлургия, 1964.
4. Древинг В.П, Калашников Я.А. Правило фаз. Изд. Московского
университета, 1964.
5. Phase Diagrams for Ceramists
6. Райнз Ф. Диаграммы фазового равновесия в металлургии. М.,
Металлургиздат, 1960, 376 с. {Rhines F.N. Phase diagrams in
metallurgy. Their development and application. N.-Y. –Torono – L.,
McGraw Hill Book Co., 1956}