Общие сведения о фазовой диаграмме и термодинамике легирования алюминия

Сама по себе термодинамика не определяет структурные характеристики, такие как кристаллическое строение, природу второй фазы или скорость превращения. Термодинамика рассматривает энергию, затрачиваемую при превращении одной фазы в другую, такого же или другого сплава. При постоянных температуре T и давлении эта энергия характеризуется изменением свободной энергии Гиббса системы (AG) и определяется двумя факторами: изменением энтальпии (АН) и изменением энтропии (AS) в соотношении

Для того чтобы процесс был спонтанным, AG должна быть отрицательной величиной, а для равновесного состояния AG должна быть равной нулю. АН представляет собой тепло, которое выделяется или поглощается при реакции (отрицательная величина для экзотермической реакции) и определяется изменениями энергии связи атомов в кристаллической решетке или деформацией решетки из-за различия в размерах атомов. Величина AS определяется в основном изменением частоты колебательных движений атомов, как это следует из зависимости ее от изменения теплоемкости, а именно:

Для реакции растворения AS обычно положительна вследствие сложности спектра колебаний смеси атомов. Она положительна также при плавлении из-за нарушения кристаллического строения.

Количественная оценка состояния фазовой границы производится посредством определения химического потенциала u. Он представляет собой величину свободной энергии на грамм-молекулу компонента раствора в равновесном состоянии или в системе фаз. Величина химического потенциала u связана с величиной свободной энергии на грамм-молекулу чистого компонента u0 следующим уравнением:

где R — газовая постоянная; а — активность.

Раствор считается идеальным, если активность равна молярной доле X (атомной доле для металлических растворов). Физически это означает, что энергия связи и размеры атомов растворенного вещества и растворителя одинаковы, в результате чего AS = 0 и изменения объема при смешивании не происходит. Большинство растворов на основе алюминия далеки от идеальных, кроме очень разбавленных растворов. Однако модель идеального раствора дает возможность понять важные характеристики фазовых диаграмм.