1.1 מהי פאזה
אחד המושגים המרכזיים במדע החומרים הוא מושג הפאזה.
במבט ראשון נדמה שאין בכך צורך. הרי בבית הספר אנו לומדים להבחין בין מוצק, נוזל וגז, וברוב המצבים חלוקה זו מספיקה. אולם כאשר עוסקים בחומרים הנדסיים מתברר במהרה שמצב הצבירה לבדו אינו מתאר את החומר בצורה מספקת.
לדוגמה, פלדה, נחושת, זכוכית ופוליאתילן הם כולם מוצקים. למרות זאת, תכונותיהם שונות לחלוטין. יש מהם מוליכים חשמל היטב, אחרים מבודדים; יש קשיחים ושבירים, ואחרים גמישים וניתנים לעיצוב.
כדי לתאר את מצבו הפנימי של החומר — מעבר למצב הצבירה — משתמשים במושג פאזה.
הגדרה תרמודינמית של פאזה
פאזה היא חלק של מערכת שבו ההרכב הכימי, המבנה והתכונות אחידים, ואשר מופרד מחלקים אחרים של המערכת על ידי גבול ברור.
מבחינה תרמודינמית, פאזה היא אזור שבו כל התכונות האינטנסיביות של החומר זהות בכל נקודה. (נזכיר: תכונה אינטנסיבית, כמו צפיפות או הרכב, אינה תלויה בכמות החומר — בניגוד לתכונה אקסטנסיבית כמו מסה או נפח.)
הגדרה זו נשמעת מופשטת מעט, אך משמעותה פשוטה: אם נבחר שתי נקודות שונות בתוך אותה פאזה, לא נמצא ביניהן שינוי פתאומי בהרכב או במבנה.
חשוב להבין שפאזה אינה נקבעת רק על פי ההרכב הכימי. שני חומרים בעלי אותו הרכב כימי עשויים להשתייך לפאזות שונות אם המבנה שלהם שונה. הדוגמה הידועה ביותר היא פחמן: גם יהלום וגם גרפיט מורכבים מאטומי פחמן בלבד, אך המבנה האטומי שלהם שונה לחלוטין, ולכן הם מהווים פאזות שונות — עם תכונות שונות לגמרי, כפי שראינו במקרה זה בדיון על אלוטרופים.
דוגמאות לפאזות במערכות חומרים
במקרים רבים קל לזהות פאזות.
כוס המכילה מים וקרח כוללת שתי פאזות:
- פאזה מוצקה (קרח);
- פאזה נוזלית (מים).
במערכת של מים ושמן מתקבלות שתי פאזות נוזליות נפרדות, משום ששני הנוזלים אינם מתערבבים זה בזה.
גם באוויר עשויות להתקיים מספר פאזות בו-זמנית. לדוגמה, ביום חורפי ערפילי קיימות טיפות מים זעירות המרחפות בתוך גז.
דוגמאות אלה ממחישות נקודה חשובה: פאזה אינה בהכרח מצב צבירה. שתי פאזות שונות יכולות להיות באותו מצב צבירה בדיוק — שני נוזלים (מים ושמן), או שני מוצקים בעלי מבנה גבישי שונה.
פאזה רציפה ופאזה מפוזרת
כאשר מערכת מכילה יותר מפאזה אחת, נוח להבחין בתפקיד שכל פאזה ממלאת במרחב. הפאזה הרציפה (matrix) היא זו ה”ממלאת את הרקע” ומקיפה את האחרות — היא רציפה בכל נפח החומר. הפאזה המפוזרת (dispersed) היא זו המופיעה כאיים, חלקיקים או טיפות נפרדות, “צפים” בתוך הפאזה הרציפה.
ההבחנה הזו תלווה אותנו לאורך הספר. כמה דוגמאות:
- בערפל, הגז הוא הפאזה הרציפה וטיפות המים הן הפאזה המפוזרת. בקצף, להפך — הנוזל רציף ובועות הגז מפוזרות;
- בחלב, טיפות שומן זעירות (מפוזרת) מרחפות במים (רציפה);
- בחומרים מרוכבים שראינו, המטריצה היא הפאזה הרציפה והסיבים או החלקיקים הם הפאזה המפוזרת;
- בפלדה, גרגרי צמנטיט קשים (מפוזרת) עשויים להיות מוטמעים במטריצת פריט (רציפה).
לאיזו פאזה תפקיד הרקע ולאיזו תפקיד החלקיקים — לכך השפעה מכרעת על תכונות החומר, כפי שנראה בהמשך.
פאזות בחומרים הנדסיים
ברוב החומרים ההנדסיים קיימת יותר מפאזה אחת:
- בסגסוגות מתכתיות עשויות להתקיים מספר פאזות מוצקות בעלות מבנים גבישיים שונים;
- בקרמיקות ניתן למצוא גבישים מסוגים שונים ולעיתים גם פאזה זגוגית אמורפית;
- בפולימרים רבים קיימים אזורים גבישיים ואזורים אמורפיים באותו חומר עצמו (חומר חצי-גבישי, כפי שראינו).
קיומן של פאזות שונות, וכן צורתן, גודלן ופיזורן, משפיע ישירות על תכונות החומר:
- חוזק;
- קשיות;
- משיכות (יכולת להתעוות בלי להישבר);
- מוליכות חשמלית;
- עמידות לקורוזיה;
- עמידות לשחיקה.
מסיבה זו אחד התפקידים המרכזיים של מהנדס החומרים הוא לזהות אילו פאזות קיימות במערכת נתונה, להבין כיצד הן נוצרות, וכיצד ניתן לשלוט בהן. הבנת מושג הפאזה היא הבסיס להבנת דיאגרמות פאזות, טיפולים תרמיים, התמצקות סגסוגות והתפתחות המיקרוסטרוקטורה של חומרים.
1.2 תמיסות מוצקות
כאשר מלח מתמוסס במים מתקבלת תמיסה נוזלית. באופן דומה — אם כי הדבר נוגד את האינטואיציה — גם במוצקים יכולה להיווצר תמיסה.
תמיסה מוצקה היא פאזה מוצקה אחת שבתוכה אטומים מסוג אחד מפוזרים בתוך הסריג הגבישי של חומר אחר.
מבחינה חיצונית החומר נראה אחיד לחלוטין. לא ניתן להבחין בין המרכיבים בעין, במיקרוסקופ אופטי ולעיתים אף במיקרוסקופ אלקטרונים. האטומים מעורבים זה בזה ברמה האטומית.
למה המושג נראה מופשט — ולמה הוא דווקא הנפוץ ביותר
כדאי לעצור כאן לרגע, משום שזו אחת הנקודות שהכי קשה לסטודנטים לקבל. בכל העולם הסובב אותנו, אין ולו דוגמה אחת שבה ניתן לראות תמיסה מוצקה בלי מכשור מתקדם. איננו רואים אותה, איננו ממששים בה דבר מיוחד, ואין שום סימן חיצוני לקיומה. לכן המושג נראה מופשט, מרוחק ואקדמי.
והנה הפרדוקס: דווקא רוב החומרים המתכתיים השכיחים ביותר הם תמיסות מוצקות. הפליז (נחושת עם אבץ מומס בה), הברונזה (נחושת עם בדיל), הזהב הצהוב התכשיטני (זהב עם נחושת וכסף), ופלדות אל-חלד רבות (ברזל עם כרום וניקל מומסים) — כולם תמיסות מוצקות. אנו נתקלים בהם מדי יום מבלי לחשוד כלל במורכבותם הפנימית.
הקושי האמיתי הוא זה: במבט חיצוני, אי אפשר להבחין בין תמיסה מוצקה (פאזה אחת) לבין סגסוגת רב-פאזית (תערובת של כמה פאזות). שני סוגי הפלדה ייראו זהים, ואף יבריקו באותו אופן. פלדה רכה רגילה היא רב-פאזית (פריט + צמנטיט), בעוד פלדת אל-חלד אוסטניטית היא תמיסה מוצקה חד-פאזית — ובעין, השתיים נראות פשוט כ”מתכת מבריקה”. את ההבדל ניתן לחשוף רק בעקיפין, מתוך חקר התכונות: פלדת אל-חלד האוסטניטית אינה נמשכת למגנט ועמידה מאוד בקורוזיה, בעוד הפלדה הרגילה נמשכת למגנט ומחלידה; קשיותן, התנהגותן בטיפול תרמי ומבנן המגלי (לאחר צריבה והגדלה) שונים אף הם. במילים אחרות — את הפאזות איננו רואים, אך אנו “מודדים” את קיומן דרך ההתנהגות.
לתמיסות מוצקות, אם כן, חשיבות עצומה בהנדסת חומרים, משום שרבות מן הסגסוגות ההנדסיות הן למעשה תמיסות מוצקות. נבחין בשני סוגים עיקריים.
תמיסות החלפתיות (Substitutional)
בתמיסה החלפתית, אטומי היסוד המומס מחליפים חלק מאטומי המתכת הממסה ותופסים את מקומם בסריג. לדוגמה, בסגסוגות נחושת–ניקל, חלק מאתרי הנחושת בסריג תפוסים על ידי אטומי ניקל.
כדי שתמיסה החלפתית תהיה יציבה ונרחבת, נדרש בדרך כלל דמיון בין שני סוגי האטומים. דרישות אלה ידועות ככללי הום–רותרי (Hume–Rothery):
- רדיוסים אטומיים דומים (הפרש של פחות מ-15% בקירוב);
- מבנה גבישי דומה;
- אלקטרושליליות דומה;
- ערכיות דומה.
ככל שהדמיון רב יותר, כן גדלה המסיסות. המקרה הקיצוני הוא נחושת וניקל, הדומים בכל הקריטריונים — ולכן הם מסיסים זה בזה בכל יחס (מסיסות מלאה), ויוצרים תמיסה מוצקה רציפה לאורך כל טווח ההרכבים.
תמיסות חדירותיות (Interstitial)
במקרה זה האטומים המומסים קטנים בהרבה מאטומי הממס. במקום להחליף אטומים קיימים, הם נדחקים אל הרווחים (interstices) שבין האטומים בסריג הגבישי.
הדוגמה החשובה ביותר היא פחמן בברזל — הבסיס לכל עולם הפלדות. אטום הפחמן קטן דיו כדי להשתחל לחללים שבין אטומי הברזל. למרות הכמות הקטנה יחסית של הפחמן (לרוב פחות מאחוז בודד), השפעתו על תכונות הפלדה עצומה.
הסיבה: אטום הזר, גם בחלל, “דוחק” את האטומים השכנים ומעוות את הסריג הגבישי סביבו. עיוות זה מקשה על תנועת הנקעים — ומכאן שתמיסות חדירותיות (וגם החלפתיות) בדרך כלל מחזקות את החומר ומעלות את קשיותו. זהו מנגנון חיזוק מרכזי שנשוב אליו: חיזוק בתמיסה מוצקה (solid-solution strengthening).
1.3 תרכובות בינמתכתיות
לא תמיד ערבוב של שני יסודות מוביל להיווצרות תמיסה מוצקה. במקרים רבים האטומים אמנם מתמוססים זה בזה במידה מסוימת, אך כאשר היחס ביניהם מגיע לערכים מסוימים נוצרת פאזה חדשה בעלת מבנה והרכב מוגדרים. פאזות כאלה נקראות תרכובות בינמתכתיות (intermetallic compounds).
מבחינה מושגית הן נמצאות בתווך בין תרכובת כימית קלאסית לבין סגסוגת. מצד אחד, הרכבן מוגדר הרבה יותר מאשר בתמיסה מוצקה. מצד שני, הקשרים הכימיים בהן אינם תמיד בעלי אופי יוני או קוולנטי טהור, כפי שמקובל בתרכובות קלאסיות.
דרך מחשבה שימושית: בקירוב ראשון, כדאי לחשוב על תרכובות בינמתכתיות כעל תרכובות קרמיות — על כל המשתמע מכך. כלומר, לצפות מהן בדיוק לאותן תכונות שאפיינו את הקרמיקות: קשיות גבוהה, חוזק גבוה, עמידות בחום — אך גם שבירות. כפי שנראה מיד, זה בדיוק מה שקורה, וזו דרך טובה לזכור את התנהגותן.
מבנה
בתרכובת בינמתכתית האטומים אינם מפוזרים באקראי בתוך הסריג, אלא מסודרים באופן מחזורי ומסודר (ordered). זהו ההבדל המהותי מתמיסה מוצקה.
נשווה: בתמיסה החלפתית של נחושת וניקל, כל אתר בסריג עשוי להיות תפוס באקראי על ידי נחושת או ניקל. לעומת זאת, בתרכובת בינמתכתית קיימים אתרים ה”שמורים” באופן מועדף לכל אחד מן היסודות — כל סוג אטום יושב במקומו המוגדר. לכן לתרכובות בינמתכתיות יש בדרך כלל מבנים גבישיים ייחודיים, השונים ממבני המתכות הטהורות שמהן נוצרו.
לעיתים התרכובת מופיעה בהרכב סטויכיומטרי כמעט מדויק (כמו ), ולעיתים קיים תחום צר של הרכבים שבהם המבנה המסודר נשמר.
תכונות
למבנה המסודר השפעה ניכרת על התכונות. תרכובות בינמתכתיות מאופיינות בדרך כלל ב:
- קשיות גבוהה;
- חוזק גבוה;
- עמידות טובה בטמפרטורות גבוהות;
- קצב זחילה נמוך;
- שבירות יחסית.
הסיבה זהה לזו שראינו בקרמיקות: בניגוד למתכות, שבהן דפורמציה פלסטית מתרחשת בקלות באמצעות תנועת נקעים, במבנה המסודר של תרכובת בינמתכתית תנועת הנקעים מוגבלת מאוד (הזזת נקע “מקלקלת” את הסדר ולכן יקרה אנרגטית). כתוצאה מכך החומר מתחזק — אך מאבד חלק ניכר מגמישותו ונעשה שביר.
מסיבה זו תרכובות בינמתכתיות רבות אינן משמשות כחומרי מבנה בפני עצמן (הן שבירות מדי), אלא כפאזות מחזקות מפוזרות בתוך מטריצה מתכתית רכה יותר — בדיוק רעיון הפאזה הרציפה והמפוזרת מסעיף 1.1.
דוגמאות הנדסיות
אחת התרכובות הבינמתכתיות החשובות ביותר היא הצמנטיט, , המוכר ממערכת הברזל–פחמן. הצמנטיט קשה ושביר בהרבה מן הפריט, והוא אחד המרכיבים האחראים לחוזקן ולקשיותן של פלדות. נפגוש אותו שוב ושוב בפרקים הבאים.
בסגסוגות ניקל לטמפרטורות גבוהות (superalloys) מופיעה לעיתים קרובות התרכובת . חלקיקים זעירים ומפוזרים של פאזה זו מחזקים את הסגסוגת ומאפשרים את פעולתם של להבי טורבינה בטמפרטורות גבוהות במיוחד — אחד היישומים התובעניים ביותר בהנדסת חומרים.
דוגמה נוספת היא , המשמש בחלקים מסוימים של מנועי סילון בזכות צפיפותו הנמוכה ועמידותו בחום.
1.4 שיווי משקל במערכות מרובות פאזות
כאשר מערכת מכילה יותר מפאזה אחת, עולה השאלה: אילו פאזות יתקיימו בתנאים נתונים, ומה יהיו הכמויות היחסיות שלהן? על שאלה זו עונה מושג שיווי המשקל הפאזי — והוא הבסיס התיאורטי לדיאגרמות הפאזות שנלמד בפרק הבא.
שיווי משקל תרמודינמי
מערכת תרמודינמית שואפת תמיד להגיע למצב שבו האנרגיה החופשית שלה מינימלית. כאשר מצב כזה מושג, אומרים שהמערכת נמצאת בשיווי משקל. בשיווי משקל:
- אין שינוי בהרכב הפאזות;
- אין שינוי בכמות הפאזות;
- אין מעבר נטו של חומר מפאזה אחת לאחרת.
חשוב להדגיש את המילה “נטו”. שיווי משקל אינו מצב סטטי שבו דבר אינו קורה, אלא מצב דינמי שבו שני תהליכים מנוגדים מתרחשים באותו קצב. לדוגמה, קרח ומים בטמפרטורה של 0°C יכולים להתקיים יחד זמן רב. מולקולות מים ממשיכות כל העת לעבור מן הקרח אל הנוזל ומן הנוזל אל הקרח — אך קצבי שני התהליכים שווים, ולכן הכמויות הכוללות אינן משתנות.
באופן דומה, גם במערכות מתכתיות עשויות להתקיים בו-זמנית מספר פאזות מוצקות בשיווי משקל.
הערה מעשית חשובה: בחומרים הנדסיים רבים, שיווי המשקל אינו מושג בפועל. תהליכים מוצקים איטיים מאוד, והחומר עלול “להיתקע” במצב שאינו שיווי-משקלי (מצב מטא-יציב). דווקא על עובדה זו מבוססים טיפולים תרמיים רבים — כפי שראינו כבר בזכוכיות ובזכוכיות מתכתיות, שכל קיומן נשען על “תפיסת” החומר הרחק משיווי המשקל.
מעברי פאזה
כאשר משנים את הטמפרטורה, הלחץ או ההרכב הכימי, מצב שיווי המשקל עשוי להשתנות, ואז מתרחש מעבר פאזה. הדוגמאות המוכרות הן מעברים בין מצבי צבירה:
- התכה של מוצק;
- התמצקות של נוזל;
- אידוי;
- עיבוי.
אך בחומרים הנדסיים נפוצים — וחשובים לא פחות — גם מעברי פאזה בין פאזות מוצקות שונות. לדוגמה, בברזל טהור המבנה הגבישי משתנה מ-BCC ל-FCC בטמפרטורות גבוהות (וחזרה בקירור). שינוי כזה משפיע דרמטית על מסיסות הפחמן (הסריג ה-FCC “מארח” יותר פחמן), ובעקבותיה על החוזק והתכונות המכניות. בדיוק מעבר זה הוא לב ליבם של הטיפולים התרמיים של פלדות, שנעסוק בהם בהמשך.
גרעון וצמיחה
כיצד מופיעה פאזה חדשה בפועל? לא בבת אחת בכל נפח החומר, אלא בשני שלבים.
תחילה נוצרים אזורים זעירים של הפאזה החדשה — גרעינים (nuclei) — ותהליך היווצרותם נקרא גרעון (nucleation). יצירת גרעין דורשת “מחיר” אנרגטי ראשוני (יצירת שטח פנים חדש בין הפאזות), ולכן היא השלב הקשה יותר.
לאחר שנוצר גרעין יציב, אטומים נוספים מצטרפים אליו והוא גדל — שלב הצמיחה (growth).
מבנה החומר הסופי נקבע במידה רבה על ידי היחס בין קצב הגרעון לקצב הצמיחה:
- כאשר נוצרים גרעינים רבים (גרעון מהיר) — מתקבל מבנה עדין, בעל גרגרים קטנים ורבים;
- כאשר מספר הגרעינים קטן והצמיחה מהירה — מתקבל מבנה גס, בעל גרגרים גדולים ומעטים.
להבחנה זו חשיבות מעשית רבה, שכן מבנה עדין חזק בדרך כלל ממבנה גס (נושא שנפתח בהמשך). העיקרון של גרעון וצמיחה ילווה אותנו לאורך כל הספר — בדיאגרמות פאזות, בהתמצקות, בטיפולים תרמיים ובהתפתחות המיקרוסטרוקטורה.
סיכום
- פאזה היא אזור בעל הרכב, מבנה ותכונות אחידים, המופרד מן השאר בגבול ברור; היא אינה זהה למצב צבירה.
- מבחינים בין פאזה רציפה (מטריצה) לפאזה מפוזרת, וחלוקת התפקידים משפיעה על התכונות.
- תמיסות מוצקות עשויות להיות החלפתיות (כללי הום–רותרי) או חדירותיות (כמו פחמן בברזל), ובשני המקרים הן מחזקות את החומר.
- רוב המתכות השכיחות הן למעשה תמיסות מוצקות, שאי אפשר להבחין בהן בעין — רק דרך חקר התכונות.
- תרכובות בינמתכתיות הן פאזות מסודרות בעלות הרכב מוגדר; בקירוב ראשון הן מתנהגות כקרמיקות — קשות, חזקות אך שבירות — ומשמשות לרוב כפאזות מחזקות.
- מערכות חומרים שואפות לשיווי משקל תרמודינמי (מינימום אנרגיה חופשית), שהוא מצב דינמי; אך לעיתים קרובות אינן מגיעות אליו.
- שינויים בטמפרטורה, בלחץ או בהרכב גורמים למעברי פאזה, כולל בין פאזות מוצקות.
- היווצרות פאזה חדשה מתרחשת בגרעון וצמיחה, והיחס ביניהם קובע אם המבנה יהיה עדין או גס.
- מושגים אלה הם הבסיס להבנת דיאגרמות הפאזות, שבהן נעסוק בפרק הבא.