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固相線和液相線

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由α和β組合混合物的相圖。上方的線為液相線，下方的線即為固相線

純物質有單一熔點，而混合物會在固相溫度（TS或Tsol）部份熔化，在較高的液相溫度（TL或Tliq）完全熔化。固相溫度恆小於或等於液相溫度。若固相溫度和液相溫度不相等，在兩者之間的區域稱為凝固範圍（freezing range），此區域內會有液相和固相共存的混合物（類似泥漿（英語：slurry））像地球地幔中的橄欖石（鎂橄欖石-鐵橄欖石）系統即為此例[1]。

定義

在化學、材料科學及物理學中的液相線是指材料完全由固體熔化的溫度[2]，液相溫度是在熱力學平衡狀態下，晶體可以和液態共存的最高溫度。固相線是特定物質在相圖中完全凝固的溫度軌跡。固相溫度表示在該溫度以下，此物質會完全變成固體[2]，也是熱力學平衡下液態可以和晶體共存的最低溫度。

液相線和固相線常用在不純的混合物中，像是玻璃、合金、陶瓷器、岩石和礦物。液相線和固相線會出現在二元混合物的相圖中[2]，也出現在共晶系統偏離無變度點（invariant point）的情形下[3]。

固相溫度和液相溫度相同的情形

若是化學元素或是化合物（例如純銅、純水等），其固相溫度和液相溫度相同，此時會用熔點一詞。

也有些混合物會在特定的溫度熔化，稱為一致熔融。共晶系統即為這類的例子。在共晶系統中，存在特定的混合比例，使固相溫度和液相溫度相同，此溫度稱為無變度點（invariant point）。在無變度點下，混合物會有共晶作用，二個混合物的固體都會在同一溫度熔化[3]。

建模和量測

針對不同系統的固相線和液相線預測，已建立許多的模型[4][5][6][7]。

固相線和液相線的具體量測可以用差示掃描量熱法及差熱分析進行[8][9][10][11]。

效果

針對不純的物質（像是合金、蜂蜜、軟性飲料、冰淇淋），其熔點會變成範圍較寬的熔化區間。若溫度在熔化區間內，可以見到類似泥漿狀的固液共存平衡，沒有完全熔化，也沒有完全凝固。這也是高山上沒有雜質的雪可能維持固體，或是熔化，而地上比較髒的雪在特定溫度下會變成泥狀。金屬焊接的熔融池內會包括較高濃度的硫，可能因為基質金屬中的不純物質熔化，或是來自焊接電極，會讓的熔化區間變大，也會提高熱裂（英語：Welding defect）的風險。

冷卻時的特性

混合物的溫度若在液相溫度以上，會是平衡態下的液體。若系統僅低於液相溫度一些，在等待夠長的時間後，會漸漸有晶體形成，所需時間會依材料而不同。若系統快速冷卻到固相溫度以下，就以動力學方式抑制結晶過程，可以形成類似玻璃的混合物。

在物質冷卻到液相溫度時，先形成的結晶相稱為原生結晶相（primary crystalline phase，或primary phase）

在玻璃產業中，液相溫度非常重要，因為在玻璃熔化及形成的過程中，結晶會導致嚴重的問題，可能會使產品失效損壞[12]。

相關條目

參考資料

  1. ^ Herzberg, Claude T. Solidus and liquidus temperatures and mineralogies for anhydrous garnet-lherzolite to 15 GPa. Physics of the Earth and Planetary Interiors (Elsevier BV). 1983, 32 (2): 193–202. Bibcode:1983PEPI...32..193H. ISSN 0031-9201. doi:10.1016/0031-9201(83)90139-5. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 Askeland, Donald R.; Fulay, Pradeep P. Essentials of Materials Science & Engineering 2nd. Toronto: Cengage Learning. 2008-04-23: 305. ISBN 978-0-495-24446-2. 
  3. ^ 3.0 3.1 Callister, William D.; Rethwisch, David G. Fundamentals of Materials Science and Engineering: An Integrated Approach 3rd. John Wiley & Sons. 2008: 356–358. ISBN 978-0-470-12537-3. 
  4. ^ Safarian, Jafar; Kolbeinsen, Leiv; Tangstad, Merete. Liquidus of Silicon Binary Systems. Metallurgical and Materials Transactions B (Springer Science and Business Media LLC). 2011-04-02, 42 (4): 852–874. Bibcode:2011MMTB...42..852S. ISSN 1073-5615. doi:10.1007/s11663-011-9507-4 可免費查閱. 
  5. ^ Galvin, C.O.T.; Grimes, R.W.; Burr, P.A. A molecular dynamics method to identify the liquidus and solidus in a binary phase diagram. Computational Materials Science (Elsevier BV). 2021, 186: 110016. ISSN 0927-0256. doi:10.1016/j.commatsci.2020.110016. hdl:10044/1/82641 可免費查閱. 
  6. ^ Deffrennes, Guillaume; Terayama, Kei; Abe, Taichi; Ogamino, Etsuko; Tamura, Ryo. A framework to predict binary liquidus by combining machine learning and CALPHAD assessments. Materials & Design (Elsevier BV). 2023, 232: 112111. ISSN 0264-1275. doi:10.1016/j.matdes.2023.112111 可免費查閱. 
  7. ^ Miura, Akira; Hokimoto, Tsukasa; Nagao, Masanori; Yanase, Takashi; Shimada, Toshihiro; Tadanaga, Kiyoharu. Prediction of Ternary Liquidus Temperatures by Statistical Modeling of Binary and Ternary Ag–Al–Sn–Zn Systems. ACS Omega (American Chemical Society (ACS)). 2017-08-31, 2 (8): 5271–5282. ISSN 2470-1343. PMC 6641866 可免費查閱. PMID 31457798. doi:10.1021/acsomega.7b00784 可免費查閱. 
  8. ^ Bernhard, Michael; Presoly, Peter; Bernhard, Christian; Hahn, Susanne; Ilie, Sergiu. An Assessment of Analytical Liquidus Equations for Fe-C-Si-Mn-Al-P-Alloyed Steels Using DSC/DTA Techniques. Metallurgical and Materials Transactions B (Springer Science and Business Media LLC). 2021-06-29, 52 (5): 2821–2830. Bibcode:2021MMTB...52.2821B. ISSN 1073-5615. doi:10.1007/s11663-021-02251-1 可免費查閱. 
  9. ^ Radomski, R.; Radomska, M. Determination of solidus and liquidus temperatures by means of a Perkin-Elmer 1B differential scanning calorimeter. Journal of Thermal Analysis (Springer Science and Business Media LLC). 1982, 24 (1): 101–109. ISSN 0368-4466. S2CID 96845070. doi:10.1007/bf01914805. 
  10. ^ Sooby, E.S.; Nelson, A.T.; White, J.T.; McIntyre, P.M. Measurements of the liquidus surface and solidus transitions of the NaCl–UCl3 and NaCl–UCl3–CeCl3 phase diagrams. Journal of Nuclear Materials (Elsevier BV). 2015, 466: 280–285. Bibcode:2015JNuM..466..280S. ISSN 0022-3115. doi:10.1016/j.jnucmat.2015.07.050 可免費查閱. 
  11. ^ Liu, Gang; Liu, Lin; Zhao, Xinbao; Ge, Bingming; Zhang, Jun; Fu, Hengzhi. Effects of Re and Ru on the Solidification Characteristics of Nickel-Base Single-Crystal Superalloys. Metallurgical and Materials Transactions A (Springer Science and Business Media LLC). 2011-03-31, 42 (9): 2733–2741. Bibcode:2011MMTA...42.2733L. ISSN 1073-5623. S2CID 135753939. doi:10.1007/s11661-011-0673-4. 
  12. ^ Wallenberger, Frederick T.; Smrček, Antonín. The Liquidus Temperature; Its Critical Role in Glass Manufacturing. International Journal of Applied Glass Science (Wiley). 2010-05-20, 1 (2): 151–163. ISSN 2041-1286. doi:10.1111/j.2041-1294.2010.00015.x. 
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