בפרק הקודם בנינו את אבני היסוד — פאזה, תמיסה, מסיסות. כעת נשתמש בהן כדי לקרוא את אחד הכלים החזקים ביותר של מהנדס החומרים: דיאגרמת הפאזות. דיאגרמת פאזות היא, בעצם, “מפה” המראה אילו פאזות נמצאות בשיווי משקל בכל שילוב של טמפרטורה, לחץ והרכב. בהינתן נקודה על המפה, נוכל לומר מיד אילו פאזות קיימות, מה הרכבן, וכמה יש מכל אחת.
מערכות חד-רכיביות
נתחיל מן המקרה הפשוט ביותר — מערכת המורכבת מחומר אחד בלבד. כאן ההרכב קבוע, ולכן המשתנים היחידים הם טמפרטורה ולחץ. הדיאגרמה היא מפה במישור לחץ–טמפרטורה (P–T), המחולקת לאזורים — מוצק, נוזל, גז — שביניהם קווי גבול המייצגים מעברי פאזה. שלושת הקווים נפגשים בנקודה משולשת (triple point), שבה שלוש הפאזות מתקיימות יחד בשיווי משקל.
מים. הדיאגרמה של המים מיוחדת וחריגה: קו הגבול בין הקרח לנוזל נוטה שמאלה (שיפוע שלילי). משמעות הדבר היא שהגדלת הלחץ מורידה את נקודת ההיתוך — לחץ יכול להמיס קרח. הסיבה היא תכונה נדירה: הקרח (המוצק) קל יותר מן המים הנוזליים, ולכן הקרח צף. זו הסיבה שאגמים קופאים מלמעלה ולא מלמטה — עובדה שבלעדיה החיים במים לא היו שורדים את החורף.
פחמן. בדיאגרמה של הפחמן, הגרפיט הוא הפאזה היציבה בלחצים רגילים, ואילו היהלום יציב רק בלחצים אדירים (עומק כדור הארץ). מעניין שבתנאי החדר היהלום הוא למעשה מטא-יציב — מבחינה תרמודינמית הוא “אמור” להפוך לגרפיט, אך קצב המעבר איטי כל כך עד שיהלום נשאר יהלום לאורך מיליארדי שנים. (“יהלומים הם לנצח” — נכון, אך מסיבה קינטית, לא תרמודינמית.)
פחמן דו-חמצני. הדיאגרמה של ממחישה היטב את מושג הסובלימציה. הנקודה המשולשת של נמצאת בלחץ גבוה מן הלחץ האטמוספרי (כ-5 אטמוספרות). מכאן שבלחץ אטמוספרי רגיל אין כלל אזור נוזלי: הקרח היבש ( מוצק) עובר ישירות לגז — בדיוק כפי שראינו בפרק על מצבי הצבירה.
צורות מודרניות של פחמן
הפחמן ראוי להרחבה מיוחדת, משום שהוא דוגמה מרהיבה לכך שאותו יסוד יחיד יכול ליצור חומרים שונים בתכלית — בהתאם לאופן שבו מסודרים אטומיו. נציג חמש צורות:
גרפיט — אטומי הפחמן מסודרים ביריעות מישוריות (כל אטום קשור לשלושה שכנים במשושים). היריעות מחליקות זו על זו בקלות — ומכאן הרכות, הסיכוך, ויכולת הכתיבה של העיפרון. בתוך היריעה יש אלקטרונים חופשיים — ולכן הגרפיט מוליך חשמל.
יהלום — כל אטום פחמן קשור לארבעה שכנים במבנה תלת-ממדי קשיח (טטרהדרי). מבנה זה הופך את היהלום לחומר הקשה ביותר הידוע, מבודד חשמלי ושקוף. אותו יסוד בדיוק כמו הגרפיט — מבנה שונה לחלוטין.
גרפן (graphene) — יריעה בודדת של גרפיט, בעובי אטום אחד בלבד. גילויו (2004) זכה בפרס נובל. הוא בעל חוזק מכני יוצא דופן ומוליכות חשמלית מצוינת, ונחשב לאחד החומרים המבטיחים ביותר באלקטרוניקה העתידית.
פולרנים (fullerenes) — מולקולות פחמן סגורות בצורת כדור, כגון ה- הדומה לכדורגל (מכאן כינויו “buckyball”). מבנה חדש לגמרי, שהתגלה ב-1985.
ננו-שפופרות (carbon nanotubes) — יריעת גרפן המגולגלת לצינור זעיר. הן בעלות יחס חוזק-משקל יוצא דופן ותכונות חשמליות מרתקות.
חשוב להעיר: בעוד גרפיט ויהלום הם אלוטרופים יציבים המופיעים בדיאגרמת הפאזות של הפחמן, הצורות החדשות (גרפן, פולרנים, ננו-שפופרות) הן מטא-יציבות ואינן חלק מדיאגרמת שיווי המשקל הרגילה. הן ממחישות שעולם החומרים רחב בהרבה ממה שדיאגרמת פאזות פשוטה מסוגלת לתאר.
מערכות דו-רכיביות
נעבור כעת למקרה החשוב באמת בהנדסת חומרים: מערכת של שני רכיבים (בינארית) — למשל שתי מתכות בסגסוגת. כעת יש לנו שלושה משתנים: טמפרטורה, לחץ והרכב. כדי לפשט, מקובל לקבע את הלחץ (אטמוספרי) ולשרטט דיאגרמה במישור טמפרטורה–הרכב: הציר האופקי מתאר את ההרכב (מ-100% רכיב A ועד 100% רכיב B), והציר האנכי את הטמפרטורה.
דיאגרמות מסיסות
הרעיון הזה מוכר לנו כבר מן הכימיה — עקומת מסיסות היא, למעשה, דיאגרמת פאזות פשוטה.
סוכר–מים. עקומת מסיסות הסוכר במים מתארת כמה סוכר נמס בכל טמפרטורה. מתחת לעקומה — תמיסה הומוגנית (פאזה אחת). מעליה — תמיסה רוויה ועודף סוכר מוצק (שתי פאזות). העקומה עולה עם הטמפרטורה: מים חמים ממיסים יותר. (מכאן גם ייצור הסוכריות על מקל — קירור תמיסה רוויה גורם לסוכר העודף להתגבש.)
מסיסות גזים במים. במקרה זה המגמה הפוכה: מסיסות גז בנוזל יורדת עם הטמפרטורה. לכן משקה מוגז מאבד גז כשהוא מתחמם, ודגים מתקשים לנשום במים חמים (פחות חמצן מומס). זו תזכורת חשובה שכלל “המסיסות עולה עם החום” אינו אוניברסלי.
מרכיבים עיקריים בדיאגרמות
בדיאגרמות בינאריות נפגוש שלושה קווי גבול מרכזיים, וכדאי לזכור את שמותיהם:
- קו הליקווידוס (liquidus) — מעליו, הכול נוזל. זהו הגבול העליון שמתחתיו מתחיל להופיע מוצק.
- קו הסולידוס (solidus) — מתחתיו, הכול מוצק. בין הליקווידוס לסולידוס מתקיימים נוזל ומוצק יחד.
- קו הסולבוס (solvus) — גבול המסיסות במצב המוצק: הוא מתאר עד כמה רכיב אחד מסיס בתוך השני בפאזה המוצקה, כפונקציה של הטמפרטורה.
דיאגרמות איזומורפיות
המקרה הפשוט ביותר של מערכת בינארית הוא הדיאגרמה האיזומורפית — שבה שני הרכיבים מסיסים זה בזה לחלוטין, גם בנוזל וגם במוצק. הדוגמה הקלאסית היא נחושת–ניקל (Cu–Ni).
הדיאגרמה כוללת רק שני קווים — ליקווידוס למעלה וסולידוס למטה — וביניהם נוצר אזור בצורת “עדשה”. מעל הליקווידוס: נוזל אחיד. מתחת לסולידוס: תמיסה מוצקה אחידה אחת. באזור הביניים שביניהם מתקיימים יחד נוזל ומוצק.
הנקודה המהותית: שום צד אינו קופא בטמפרטורה אחת. ההתמצקות מתרחשת על פני טווח טמפרטורות (בין הליקווידוס לסולידוס), ובמהלכו הרכב הנוזל והרכב המוצק משתנים בהדרגה. זה שונה מהותית מקפיאת חומר טהור, הקופא בנקודה אחת חדה.
מערכות איטקטיות
רוב צמדי המתכות אינם כה “ידידותיים” כמו Cu–Ni. לרוב מתקיימת מסיסות מלאה בנוזל אך מסיסות חלקית (או אפסית) במוצק — שני החומרים מתמזגים יפה כשהם נוזליים, אך כשהם מתמצקים הם “נדחים” זה את זה ונפרדים. דיאגרמה כזו נקראת דיאגרמה איטקטית, והיא אחת החשובות בקורס.
הדיאגרמה האיטקטית נראית כמו שתי “עדשות” הנפגשות ויורדות אל נקודה נמוכה משותפת. בקצוות מופיעים אזורים של תמיסות מוצקות (המסומנות בדרך כלל α ו-β), ובאמצע — אזור שבו מתקיימות שתי פאזות מוצקות יחד.
נקודות מיוחדות
הנקודה האיטקטית (eutectic). זוהי הנקודה התחתונה המשותפת בדיאגרמה — ההרכב והטמפרטורה שבהם הנוזל קופא בטמפרטורה הנמוכה ביותר האפשרית במערכת. המילה “אאוטקטי” ביוונית פירושה “נמס בקלות”. בנקודה זו מתרחשת תגובה איטקטית: בקירור, נוזל אחד הופך בו-זמנית לשתי פאזות מוצקות:
הרכב אאוטקטי קופא בטמפרטורה אחת חדה (כמו חומר טהור!), ולכן הוא שימושי במיוחד — למשל בבדיל הלחמה (סגסוגת בדיל-עופרת), שנקודת ההיתוך הנמוכה שלו נוחה ללחימה.
הנקודה הפריטקטית (peritectic). תגובה מסוג אחר, שבה בקירור נוזל ופאזה מוצקה אחת מגיבים יחד ויוצרים פאזה מוצקה חדשה:
הפריטקטיקה נפוצה פחות מן האאוטקטיקה בקורס בסיסי, אך חשוב להכיר את קיומה (היא מופיעה, למשל, במערכת ברזל-פחמן שתעמוד בלב הקורס בהמשך).
כלל המנוף
עד כה ידענו לומר אילו פאזות קיימות בנקודה נתונה. כלל המנוף (lever rule) מאפשר לנו לומר גם כמה יש מכל אחת. הוא חל בכל אזור דו-פאזי של הדיאגרמה.
בנקודה הנתונה מעבירים קו אופקי (קו איזותרמה) החוצה את האזור הדו-פאזי, עד שייפגש עם שני קווי הגבול. נקודות החיתוך מגדירות את הרכב שתי הפאזות. כדי למצוא את הכמויות, מדמים את קו האיזותרמה למנוף שנקודת המשען שלו היא ההרכב הכולל של הסגסוגת:
כאשר הוא ההרכב הכולל, ו- הם הרכבי שתי הפאזות (נקודות החיתוך). הרעיון האינטואיטיבי: כמות הפאזה פרופורציונית לאורך הזרוע הנגדית של המנוף. ככל שההרכב הכולל קרוב יותר לגבול של פאזה אחת, כך יש יותר מאותה פאזה. (שימו לב: כל פאזה מקבלת את הזרוע הרחוקה ממנה — בדיוק כמו מנוף פיזי, שבו משקל קרוב למשען מאוזן על ידי זרוע ארוכה.)
התפתחות מיקרוסטרוקטורה בזמן קירור
הכוח האמיתי של דיאגרמת הפאזות מתגלה כשעוקבים אחר סגסוגת המתקררת לאט מן הנוזל — הדיאגרמה מנבאת בדיוק כיצד ייראה המבנה הסופי.
קירור בשיווי משקל. אם הקירור איטי דיו, בכל רגע נשמר שיווי המשקל המתואר בדיאגרמה. ניקח סגסוגת איזומורפית (Cu–Ni): כשהטמפרטורה יורדת אל מתחת לליקווידוס, מופיעים גבישוני מוצק ראשונים, עשירים ברכיב בעל נקודת ההיתוך הגבוהה. ככל שהקירור נמשך, גדל חלקו של המוצק (כלל המנוף), והרכב המוצק והנוזל משתנה ברציפות לאורך קווי הסולידוס והליקווידוס. מתחת לסולידוס מתקבל מוצק אחיד לחלוטין, שהרכבו שווה להרכב הכולל המקורי. התנאי הוא שהדיפוזיה במוצק תספיק “להדביק” את השינוי — ומכאן הקשר לפרק הדיפוזיה.
קירור לא בשיווי משקל. בקירור מהיר (כמו ברוב התהליכים התעשייתיים) הדיפוזיה במוצק אינה מספיקה להדביק את הקצב. הגבישונים הראשונים שהתמצקו נשארים עשירים ברכיב אחד, ושכבות מאוחרות יותר עשירות באחר — נוצר מבנה לא-אחיד המכונה התבדלות (coring / segregation): לכל גרגר “לב” בהרכב שונה מן ה”מעטפת” שלו. תופעה זו משפיעה על תכונות הסגסוגת, ולעיתים מתקנים אותה בדיעבד באמצעות טיפול תרמי של חימום ממושך (הומוגניזציה), המאפשר לדיפוזיה למחוק את ההבדלים.
וכך נסגר מעגל: דיאגרמת הפאזות, הדיפוזיה, הפגמים והמבנה הגבישי — כל מה שלמדנו עד כה — מתאחדים לתמונה אחת המסבירה כיצד נוצר המבנה הפנימי של חומר אמיתי, וכיצד הוא קובע את תכונותיו.
