§2. Диаграммы состояний и плавкости двухкомпонентных систем.

В бинарную систему входят два компонента: назовем их А и В. Отличие физических свойств этих веществ в отношении рассматриваемого аспекта касается следующих показателей:

- микроструктурные частицы (атомы, молекулы) имеют различные размеры: d_А, d_В – диаметры соответствующих компонентов. Коэффициентом отличия геометрических размеров компонентов служит показатель d:

;

• температуры плавления-кристаллизации компонентов А и В всегда разные;

• - в соответствии с эмпирическим правилом Юм-Рзери установлено, что,если атомные диаметры микрочастиц сплава отличаются не более, чем на 8 % (d £ 8 %), то структурные микрочастицы образуют твердые растворы замещение или внедрения.

В твердых растворах замещение атомы А и В равномерно размещаются в единой кристаллической решетке. В ситуации внедрения атомы меньшего по содержанию компонента располагаются в основном в междоузлиях решетки основного компонента;

- когда различие размеров атомов, входящих в сплав, становится более 15 %, то растворимости одного компонента в другом нет. Таким системам в твердом состоянии соответствуют сплавы с эвтектическим составом.

Примеры твердых растворов и эвтектик.

Таблица 2

Твердые растворы				Эвтектические сплавы
А-В	Bi - Sb	Ge-Si	Ag-Aи	A-B	Pb-Sn	Pb-Sb
Тпл.АоС Тпл.ВоС	271 630	937 1417	962 1064	Тпл.АоС Тпл.ВоС % состав эвтектики	332 232 183,3 38,1 –61,9	332 630 240 86-14

Эвтектический сплав – это мелкодисперсионная смесь кристаллов каждого из компонентов. Мелкие кристаллы имеют большой поверхностный слой и обладают значительной по величине энергией особого состояния этого слоя. При плавлении эта энергия (свободная энергия поверхностного слоя) высвобождается, что и обуславливает довольно низкую в сравнении с чистыми компонентами А и В температуру плавления эвтектики.

Диаграммы состояний 2-х компонентных систем обычно изображают на плоскости в координатах температур и процентное содержание веществ: Т; % компонентов. Конкретная диаграмма состояний строится для определенного давления. Изменение давления принципиально диаграмму не меняет: только несколько смещаются точки плавления чистых компонентов (см. рис. 2), а, следовательно, и линии ликвидуса и солидуса.

§2А. Твердые растворы: диаграмма состояний и плавкости.

Приведем анализ диаграммы состояний для твердых растворов (рис.4). Рассмотрим это на примере вертикального разреза L123S от жидкого состояния до твердой фазы при понижении температуры:

1. Состояниям выше точки 1 соответствует жидкая фаза, в которой компоненты А и В растворены друг в друге в процентном соотношении 60 – 40.

2. При температуре, соответствующей точке 1, начинается кристаллизация. В твердой фазе, пусть и в небольшом количестве, образуются кристаллы с составом соответствующим точке солидуса 1^’ (на оси процентного содержания S₁ соответствует составу компонентов в кристаллах).

Отношение концентраций компонентов в точках 1 и 1^’ называют коэффициентом сегрегации (коэффициентом разделения компонентов). Для компонента А этот коэффициент к для твердого раствора А-В меньше 1 (к_А< 1); для В к_в > 1. Так для сплава Bi-Sb к_Sb (компонент В) в висмуте 5¸8; для висмута в сурьме к_Bi = . Наличие коэффициента разделения компонентов ведет к тому, что жидкая фаза по мере ее кристаллизации обедняется тугоплавким веществом.

Точке 2, рассматриваемой вертикали, будут соответствовать жидкая фаза с составом L₂ (это точка на диаграмме 2^’’) и твердая фаза с составом S₂ (на диаграмме состояний - точка 2^’).

Отношение процентных содержаний компонентов в жидкой и кристаллизующейся твердой фазе соответствует коэффициентам сегрегации.

3. Итоговая картина перехода жидкости в твердую фазу существенно зависит от скорости понижения температуры и скоростей протекания диффузии компонентов в твердой и жидкой фазах:

3а. В модельном варианте допустим, что скорость понижения температуры такова, что диффузия в твердой и жидкой фазах протекает полностью (процентный состав по каждой из фаз выравнивается). В этом случае к состоянию 3 кристаллизация полностью завершается и весь состав слитка будет иметь состав: 60 % А и 40 % В;

3б. Реально диффузия в твердой фазе протекает настолько медленно, что ни о каком выравнивании состава по слитку не может быть и речи. Допустив выравнивание состава по жидкой фазе, получим части слитка с переменным составом (с убывающим содержанием более тугоплавкого вещества). Часть слитка (концевая по кристаллизации) будет из чистого компонента А с меньшей температурой плавления и кристаллизации;

3в. Если же диффузия не полностью протекает и в жидкой фазе, то в твердой фазе получим слиток с переменным составом практически по всей длине.

* Ситуации, описанные в пунктах 3б и 3в, обязательно учитывают в любых методах выращивания кристаллов с заданным распределением состава.

4. Из изложенного очевидно, что твердые растворы не имеют определенной температуры плавления-кристаллизации.

На рисунке 5 приведена диаграмма плавкости кристаллизации твердых растворов.

* Переохлаждение в таких системах практически не наблюдается.

*Диаграмма плавления будет подобна диаграмме кристаллизации, но с той лишь разницей, что теплоподвод может оказаться, как более, так и менее интенсивным, чем теплоотвод при кристаллизации.