21. Диаграммы состояния бинарных систем

РАЗНОГО ТИПА

21.1. Система с ограниченной взаимной растворимостью

компонентов в твердом состоянии

Рассмотрим построение равновесной диаграммы состояния в том случае, когда компоненты А и В имеют близкие атомные диаметры, аналогичную или близкую валентность, но различную кристаллическую структуру. Такие металлы полностью растворяются друг в друге в жидком состоянии и ограниченно — в твердом. При температуре Т₁, когда существует только жидкая фаза, соответствующая диаграмма в координатах G-x имеет вид, показанный на рис. 21.1,а или б.

Рис. 21.1. Кривые свободной энергии при температуре Т₁ для систем с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. S_A и S_B - твердые растворы на основе компонентов А и В соответственно.

Рис. 21.2. Кривые свободной энергии при температуре Т₂ для систем с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Показано равновесие между жидкой и твердой фазами.

Из рис. 21.1, а видно, что минимум на кривой свободной энергии для жидкой фазы располагается между минимумами на кривых свободной энергии для твердых растворов на основе компонентов А и В. Согласно рис. 21.1,б, минимум на кривой свободной энергии для жидкой фазы находится вне этого интервала, т. е. по одну сторону от минимумов на кривых свободной энергии твердых растворов. В случае рис. 21.1,а по мере понижения температуры наступает такое состояние (при Т₂), когда кривая свободной энергии жидких растворов пересекает сразу две кривые свободной энергии твердых растворов на основе компонентовА и В (рис. 21.2,а).

Рис. 21.3. Относительное распо- Рис. 21.4. Равновесные диаграммы

ложение кривых свободной состояния с ограниченной растворимостью

энергии для систем с огра- компонентов в твердом состоянии: а - система

ниченной растворимостью эвтектического типа, соответствующая

компонентов в твердом состо- кривым свободной энергии на рис. 21.4,а;

янии: а - при эвтектической б - система перитектического типа,

температуре Т_Е; б - при пери- соответствующая кривым свободной энергии на

тектической температуре Тр. рис. 21.4,б.

Поэтому при температуре Т₂ сплавы, расположенные по составу между чистым компонентом А и сплавом состава р, состоят из кристаллов твердого раствора, богатого компонентом А, а сплавы, расположенные между точками p и q, являются двухфазными и состоят из твердого и жидкого растворов, составы которых изображаются соответственно точками p и q. В интервале концентраций qr все сплавы находятся в жидком состоянии; в интервале rt сплавы являются двухфазными и состоят соответственно из жидкой и твердой фаз, и, наконец, в интервале tВ сплавы представляют собой твердые растворы, богатые компонентом В.

Дальнейшее понижение температуры приводит к тому, что все сплавы заканчивают кристаллизацию и они становятся твердыми. При температуре T_Е наблюдается состояние, изображенное на рис. 21.3,а. Согласно этому рисунку, при температуре T_е все три кривые свободной энергии имеют одну общую касательную; отсюда следует, что при этой температуре жидкость состава е находится в равновесии с  -твердым раствором состава p₂ и  -твердым раствором состава t₂. Данное трехфазное равновесие может наблюдаться только при строго определенной температуре.

Равновесная диаграмма состояния, отвечающая всем положе­ниям кривых свободной энергии на рис. 21.1,а — 21.3,а, представлена на рис. 21.4,а. Сплав состава точки Е называют эвтектическим. Жидкость этого состава кристаллизуется при эвтектической температуре T_Е, образуя смесь кристаллов двух твердых растворов составов р₂ и t₂ соответственно; отношение весовых количеств этих твердых фаз измеряется отношением отрезков et₂/p₂e. В равновесных условиях температура остается постоянной до тех пор, пока не закончится кристаллизация всей жидкости эвтектического состава; система, состоящая из трех фаз, находящихся в равновесии друг с другом, не имеет степеней свободы, т.е. является нонвариантной.

Если кривые свободной энергии для рассматриваемой системы расположены, как показано на рис. 21.1,б, то изменения состояния системы при понижении температуры, будут изображаться рис. 21.2,б и 21.3,б. На рис. 21.2,б в отличие от рис. 21.2,а жидкость состава q находится в равновесии с -твердым раствором состава р, а  -твердый раствор при этой температуре не находится в равновесии с этими фазами. Промежуточное состояние, показанное на рис. 21.3б, несколько отличается от состояния на рис. 21.3,а. При этой особой температуре Т_р (и никакой другой) в равновесии снова оказываются три фазы; жидкая фаза состава р₀ находится в равновесии с - и -твердыми растворами составов р₂ и t₂ соответственно. Соответствующая диаграмма состояния показана на рис. 21.4,б. Точку р называют перитектической; значение этой диаграммы состояния заключается в том, что при температуре Т_р жидкость состава р₀ реагирует с кристаллами -твердого раствора состава р₂, в результате чего образуются кристаллы -твердого раствора состава t₂. В равновесных условиях температура остается постоянной и равной Т_р до тех пор, пока не закончится перитектическая реакция; такая система является нонвариантной.

Примерами таких диаграмм состояния являются диаграммы состояния таких систем как Bi-Sn, Bi-Pb, Cd-Sn, Pb-Sb, Cd-In и др.