Раздел 4. Фазовые равновесия в гетерогенных системах

Диаграмма состояния двухкомпонентных систем сводится к двухмерному графику, где по оси абциссе откладывают концентрацию одного из компонентов, по оси координат – температуру фазовых превращений. Примером такой диаграммы является диаграмма состояния двухкомпоентной системы, компоненты которой образуют простую эвтектику (рис. 1).

Анализируя диаграмму возможно определить природу и количество образующихся в системе фаз, области их существования и особенности взаимодействия.

Решение типовых задач

Задача 1. Определите качественный и количественный состав системы, обозначенной на рис. 1 точкой m₄.

Решение. Данная фигуративная точка находится в области ограниченной линиями Т_В э (линия ликвидус – геометрическое место точек, отвечающих температурам начала кристаллизации расплава и Т_Э э ( линия солидус – линия, отвечающая температурам конца кристаллизации).

Качественный состав любой области диаграммы определяется линиями, ограничивающими эту область. Система, обозначенная на диаграмме т. m₄ будет состоять из двух фаз – расплава (на это указывает линия ликвидус Т_Вэ) и твердый фазы, предоставленной кристаллами компонента В (указывает линия солидус эТ_Э и ось состава В).

Количественный состав системы в т. m₄ можно определить, если провести горизонтальную линию – конноду до пересчения с линиями, ограничивающими рассматриваемую область Т₄а и проходящуючерез т. m₄. Точки пересечения конноды укаывают составы двух равновесных при данной температуре фаз. Точка а определяет соста расплава (проектируем ее ось состава а') и отвечает 100% расплава; в точке Т₄ – 100% твердой фазы. Для того чтобы определть количество твердой фазы и расплава, весь отрезок (а) принимаем за 100%, точка m₄ делит его наотрезок m₄а и m₄Т₄. Согласно правилу рычага отрезки обратно пропорциональны массам фаз, на которые распадается равновесная система:

m₄Т₄ / а m_4.

Таким образом, отрезок, прилегающий к линии ликвидус, определяет количество твердой фазы, а отрезок, прилегающий к линии 100% В, определяет количество жидкой фазы.

Задача 2. Рассмотрите фазовые превращения, происходящие при охлаждении расплава данной исходной смеси состоящий из 20% компонента А и 80% - В.

Решение. Для того чтобы рассмотреть фазовые изменения при охлаждении расплава данной исходной смеси, нужно из фигуративной точки, отвечающей исходному составу, восстановить перпендикуляр так, чтобы попасть в область расплава. Затем необходимо описать процессы, происходящие при температурах, отвечающих точкам пересечения перпендикуляра с линиями диаграммы, т. е. рассмотреть процессы, происходящие при охлаждении данного расплава.

Рассмотрим последовательность фазовых изменений при охлаждении исходной смеси, состоящей из 20% компонента А и 80% компонента В, нагретой до температуры Т₁ (фигуративная точка m₁ на рис. 1)

При температуре, отвечающей точке m₁, исходная смесь состава m представляет собой расплав. При охлаждении расплава до температуры Т₂ ( точка m₂ ) из него выпадают первые кристаллы компонента В, при дальнейшем охлаждении количество выпавших кристаллов В будет увеличиваться. При достижении температуры Т_Э из расплава одновременно кристализуются компоненты А и В.

Процесс одновременной кристаллизации двух компонентов называется эвтектическим, а температура при которой это происходит называется температурой эвтектики.

Ниже температуры эвтектики система будет представлять собой твердую фазу, состоящую из крупных, ранее выпавших, кристаллов В и мелких кристаллов эвтектики ( мелкокристаллическая смесь А и В).