Правило фаз

Фазовое равновесие, осуществляемое при медленном охлаждении, описывает состояние сплавов, когда все превращения в них произошли. Это состояние зависит от внешних условий (температуры, дав­ления) и характеризуется числом фаз и их концентрацией. Концен­трация является внутренним фактором системы.

Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы системы (или вариантностью) - С, числом компонентов - К и числом фаз – Ф и выражается уравнением С = К + 2 - Ф. Под чис­лом степеней свободы понимают возможность изменения температура, давления и концентрации фаз без изменения их числа. В уравнении цифра 2 указывает число внешних факторов - температуру и давле­ние. При атмосферном давлении (изменение давления мало влияет на фазовое равновесие) число внешних факторов будет равно 1 и уравнение принимает вид С = К + 1 - Ф.

Для двойных диаграмм состояния возможны три варианта равно­весия системы:

1. Когда система однофазна (Ф = I), тогда С = К+1-Ф=2+1-1=2. Такое равновесие системы называют бивариантным (двухвариантным). При этом одновременное изменение температуры и концентрации фаз сохраняет количество фаз. На рис.1 такое состояние характерно для сплавов, когда они находятся в жидком состоянии и после кри­сталлизации в виде α-твердого раствора. Например, для сплава III при температурах М и N стрелки указывают на возможное одновре­менное отклонение температуры и концентрации при сохранении одной фазы.

2. Система двухфазна (Ф = 2), тогда С = 2+1-2 = 1. Такое равновесие системы называется моновариантным или одновариантным. В данном случае можно изменить только один фактор, температуру или концентрацию. При повышении или понижении температуры сплава обязательно изменятся концентрации фаз и наоборот. Изменение концентраций фаз воздействует на температуру. При этом кристалли­зация сплава происходит в интервале температур, например для сплава III между t₅ – t₆.

3. Когда система состоит из трех фаз (Ф = 3), тогда

C = 2+1-3 = 0, Такое равновесие системы называется нонвариантным. При этом три фазы в сплаве могут существовать только при постоянной температуре и при вполне определенном составе (концен­трации) входящих в него фаз. Это означает, что превращение начи­нается и заканчивается при постоянной температуре, т.е. кристал­лизация идет при постоянной температуре.

Для двойных диаграмм состояния такая кристаллизация проходит при эвтектическом, эвтектоидном, перитектическом и перитектоидных превращениях, которые будут рассмотрены далее. Применение правила фаз к кристаллизации компонентов А и В позволяет под­твердить то, что переход из жидкого состояния в твердое происхо­дит при постоянных для них температурах С=К+1-Ф=1+1-2=0 (площадки t_A и t_В).

Конода. Правило отрезков

Двухфазное состояние, характерное для процесса кристаллиза­ции сплавов, существует в интервале температур, ограниченных линиями ликвидуса и солидуса (см. рис. 1). Для определения состава фаз, находящихся в равновесии при любой температуре, например сплава П при t₇, нужно через данный температурный уровень про­вести линию, параллельную оси концентраций до пересечения с ли­ниями ликвидуса и солидуса (точки α и с). Линия α - с называ­ется конодой (связующей). Проекция точки α на ось концентрации – α' укажет концентрацию жидкой фазы (30 % В; 70 % А), а проек­ция точки с - с' - концентрацию твердой фазы α -твердого раст­вора (67 % В; 33 % А).

В процессе кристаллизации сплав изменяет состав входящих в него фаз. Концентрация жидкой фазы изменяется по линии ликвиду­са (α К), твердого раствора α по линии солидус (c-t₄). В процессе кристаллизации изменяется не только состав фаз, но и количественное соотношение между ними.

Для определения количественного соотношения фаз, находящих­ся в равновесии при данной температуре, применяют правило отрез­ков. Согласно этому правилу для определения весового или объем­ного количества твердой фазы необходимо вычислить отношение дли­ны отрезка α – t₇, примыкающего к составу жидкой фазы, к длине всей коноды α-с . Для определения количества жидкой фазы берет­ся отношение длины отрезка, примыкающего к составу твердой фазы t₇ – c, к длине коноды α с.

, .

В результате ускоренного охлаждения (неравновесной кристалли­зации) химический состав образующихся кристаллов α -твердого раствора оказывается по сечению переменным. Такую неоднородность состава сплава внутри отдельных кристаллов называют внутрикристаллитной или дендритной ликвацией. Чем больше разность темпера­тур между линиями ликвидус и солидус, тем сильнее проявляется не­однородность. Внутрикристаллитная ликвация может быть устранена последующим нагревом сплава и его выдержкой при температуре, близкой к линии солидус, - отжигом.