Тема 3. Двойные системы

3.1 Правило фаз. Методы построения диаграмм состояния.

Диаграммы состояния

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение зависимости температур фазовых превращений в сплавах от их состава.

Диаграмма состояния показывает устойчивые состояния, т.е. состояния, которые при данных условиях обладают минимумом свободной энергии.

Общие закономерности сосуществования устойчивых фаз, отвечающих теоретическим условиям равновесия, могут быть выражены в математической форме, именуемой правилом фаз, или законом Гиббса.

Правило фаз дает количественную зависимость между степенью свободы системы и количеством фаз и компонентов.

Фазой называется однородная часть системы, отделенная от других частей системы (фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура вещества изменяется скачком.

Компонентами называются вещества, образующие систему. Следовательно чистый металл представляет собой однокомпонентную систему, сплав двух металлов – двухкомпонентную и т.д.

Под числом степеней свободы (вариантностью) системы понимают число внешних и внутренних факторов (температура, давление и концентрация), которое можно изменять без изменения числа фаз в системе.

Если число степеней свободы равно нулю (нонвариантная система), то, очевидно, нельзя изменять внешние и внутренние факторы системы (температуру, давление, концентрацию) без того, чтобы это не вызывало изменения числа фаз.

Если число степеней свободы равно единице (моновариантная система), то возможно изменение в некоторых пределах одного из перечисленных факторов, и это не вызовет уменьшения или увеличения числа фаз.

Правило фаз

Правило фаз представляет собой математическое выражение условия равновесия системы, т.е. уравнение правила фаз показывает количественную зависимость между числом степеней свободы системы С и числом компонентов К и фаз f:

С = К – f + 2

Независимыми переменными в уравнении правила фаз являются концентрация, температура и давление.

Если принять, что все превращения в металле происходят при постоянном, неизменном давлении, то число переменных уменьшится на единицу (давление постоянно), и уравнение правила фаз примет следующий вид:

С = К – f + 1

Это выражение правила фаз, будем применять к металлическим системам равновесия, считая давление во всех процессах неизменным.

Посмотрим, как изменяется степень свободы однокомпонентной системы (К=1) для случая кристаллизации чистого металла. Когда металл находится в жидком состоянии, т.е. f = 1 (одна фаза – жидкость), число степеней свободы равно 1 (С = К – f + 1 = 1 – 1 +1 = 1). Температуру в данном случае можно изменить, не изменяя агрегатного состояния.

В момент кристаллизации f = 2 (две фазы – твердая и жидкая), (С = К – f + 1 = 1 – 2 + 1 = 0).

Это значит, что две фазы находятся в равновесии при строго определенной температуре (температуре плавления), и она не может быть изменена до тех пор, пока одна из фаз не пропадет, т.е. система не станет моновариантной (С = 1).

Диаграмма состояния показывает изменение состояния в зависимости от температуры (давление постоянно для всех рассматриваемых случаев) и концентрации.

Методику построения диаграмм состояния разберем на примере построения диаграммы состояния системы Cu – Ni, компоненты которой неограниченно растворяются друг в друге как в жидком так и в твердом состояниях.

В первую очередь строим систему координат (рис. 6.2 (б)